2793 焊接机器人设计
2793 焊接机器人设计,焊接,机器人,设计
毕业设计成绩评定手册(此手册适用于理学、工学各专业)设 计 题 目 焊接机器人设计学 生 姓 名 刘继彬专 业 机械电子工程学 号 0703212 19指 导 教 师 吴晓敏学 院 机电工程学院2011 年 06 月说 明1.本手册适用于理、工、经管类学生;2.评分标准见教学管理文件汇编,采用 5 分制。毕业设计 成绩评定表(指导教师用)姓 名 刘继彬 班 级 0703212 专 业 机械电子工程题 目 焊接机器人设计评 价 要 素 权 重 评 分 成 绩选 题 0.10调 研 论 证 0.10外文翻译及文献综述 0.05技术水平与实际能力 0.20研究成果、基础理论与专业知识 0.20创 新 0.15设计(论文)撰写质量 0.10学 习 态 度 0.10指导教师评定成绩(合计)指导教师评语:指导教师签字:年 月 日毕业设计 成绩评定表(评阅人用)姓 名 刘继彬 班 级 0703212 专 业 机械电子工程题 目 焊接机器人设计评 价 要 素 权 重 评 分 成 绩选 题 0.20调 研 论 证 0.10外文翻译及文献综述 0.05技术水平与实际能力 0.20研究成果、基础理论与专业知识 0.20创 新 0.15设计(论文)撰写质量 0.10评阅人评定成绩(合计)评阅人评语:评阅人签字:年 月 日毕业设计 成绩评定表(答辩委员会用)姓 名 刘继彬 班 级 0703212 专 业 机械电子工程题 目 焊接机器人设计评 价 要 素 权 重 评 分 成 绩选 题 0.15调 研 论 证 0.10外文翻译及文献综述 0.05技术水平与实际能力 0.15研究成果、基础理论与专业知识 0.15创 新 0.15设计(论文)撰写质量 0.10答 辩 情 况 0.15答辩委员会评定成绩(合计)答辩委员会评语:答辩委员会主席签字:年 月 日答辩委员会记录答辩学生姓名:刘继彬 班级:0703212答辩记录:答辩委员会主席签字:年 月 日 此页复印后存入学生档案答辩委员会委员名单主席:委员:秘书:毕业设计综合成绩表姓 名 刘继彬 专 业 机械电子工程班 级 0703212 题 目 焊接机器人设计指导教师评定成绩(X)评阅人评定成绩(Y)答辩委员会评定成绩(Z) 0.3X0.3Y0.4Z 等级填表人: 教学副院长:年 月 日 毕业设计工作手册焊 接机器人学校: 长春理工大学学院: 机电工程学院班级学号:0703212 19学生姓名: 刘继彬指导教师: 吴晓敏 2开题报告1.本课题研究的目的、意义2.国内外研究现状3.拟采取的研究路线4.进度安排5.文献综述( 2000 字以上,列出主要参考文献)6.外文文献翻译(标注出原文出处,译文 4000 汉字以上)31、 本课题研究的目的、意义众所周知,焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平;另一方面,焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。随着科技的发展和工业需求的增加,焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大,而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接,减轻焊工的劳动强度,同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。本次设计为焊接机器人设计,是本专业学生在完成全部课堂教学之后所进行的一项极为重要的实践性教学环节。旨在通过具体的工程实践进一步深入理解掌握和综合运用所学的专业理论知识,进行焊接机器人的设计基本技能的训练,培养分析问题和解决问题的能力,从而全面实现本专业学生的质量管理目标。作为个人,通过本次设计能在了解焊接机器人在国内外现状的基础上,掌握焊接机器人内部结构和工作原理,同时了解机器人机械系统运动学,为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考,为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。在指导老师的帮助下能够设计出具有刚性好,位置精度高、运行平稳的特点的焊接机器人。二、国内外研究现状从机器人诞生到本世纪 80 年代初,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90 年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高,而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会,和机器人价格相反的是,人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家,由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力,而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资,在两者费用达到某一平衡点的时候,采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大,它一方面可大大提高生产设备的自动化水平,从而提高劳动生产率,同时又可提升企业的产品质量,提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大,但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此,从长远看,产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此,工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据 UNECE 的统计,2001 年全世界有 75 万台工业机器人用于工业制造领域,其中 38.9 万在日本、19.8 万在欧盟、9 万在北美,7.3 万在其余国家。至 2004 年底全世界在役的工业机器人至少有约 100 万。我国机器人发展迅猛,从国家 863 计划实施之初到现在一直将机器人技术列为重点支持方向。国家863 计划机器人技术主题重点支持数控、工程机械、盾构、生产线、水下载人潜器、危险作业机器人、医疗机器人和仿人仿生机器人等。目前光我国从事机器人的研发单位就有200 多家,专业从事机器人产业开发的则达 50 家以上。一批企业逐步发展壮大。据不完全统计,全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点,广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上,成为“机器人王国”,其次是美国和德国;在亚洲,日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年,全球机器人的数量在迅速增加。 我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究,经过二十多年的发展,在技术和应用方面均取得了长足的发展,对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计,最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势4头,平均每年的增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60% 。但这样的增长速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的,这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高,另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉,制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面,随着技术的发展,焊接机器人的价格不断下降,性能不断提升;另一方面,劳动力成本不断上升,我国经济的发展,由制造大国向制造强国迈进,需要提升加工手段,提高产品质量和增加企业竞争力,这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。从目前国内外研究现状来看,焊接机器人技术的研究十分活跃,焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备,以弧焊及点焊为例,则由焊接电源, (包括其控制系统) 、送丝机(弧焊) 、焊枪(钳)等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统,如激光或摄像传感器及其控制装置等。工 业 机 器 人 技 术 的 研 究 、 发 展 与 应 用 , 有 力 地 推 动 了 世 界 工 业 技术 的 进 步 。 特 别 是 焊 接 机 器 人 在 高 质 高 效 的 焊 接 生 产 中 , 发 挥 了 极 其 重 要 的 作 用 。 随着 我 国 加 入 WTO 后 国 际 竞 争 更 加 激 烈 , 对 工 业 机 器 人 的 需 求 会 越 来 越 大 , 我 国 的 工业 机 器 人 产 业 将 面 临 新 的 发 展 机 遇 和 来 自 国 外 的 挑 战 , 我 们 要 把 握 这 一 机 遇 , 迎 接 挑战 , 为 我 国 跻 身 于 机 器 人 强 国 之 列 而 努 力 奋 斗 。新中国成立后,经过 50 年的艰苦努力,中国焊接生产机械化自动化技术发展应用,取得了很大的成就,焊接生产过程机械化与自动化程度已达到 20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业,焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业,通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统,使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际 90 年代初的先进水平,进入世界先进之列。3、 文献综述焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。根据国际标准化组织(ISO)工业机器人术语标准的定义,工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator) ,具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。为了适应不同的用途,机器人最后一个轴的机械接口,通常是一个连接法兰,可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊(割)枪的,使之能进行焊接,切割或热喷涂。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节式机器人,绝大部分有 6 个轴。其中,1、2、3 轴可将末端工具送到不同的空间位置,而 4、5、6 轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式:一种为平行四边形结构,一种为侧置式(摆式)结构,如图 2a、b 所示。侧置式(摆式)结构的主要优点是上、下臂的活动范围大,使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此,这种机器人可倒挂在机架上工作,以节省占地面积,方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人,2、3 轴为悬臂结构,降低机器人的刚度,一般适用于负载较小的机器人,用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小(局限于机器人的前部) ,难以倒挂工作。但80 年代后期以来开发的新型平行四边形机器人,已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背5部及底部,又没有测置式机器人的刚度问题,从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人(负载 100150kg)大多选用平行四边形结构形式的机器人。 上述两种机器人各个轴都是作回转运动,故采用伺取电机通过摆线针轮(RV)减速器(13 轴)及谐波减速器(16 轴)驱动。在 80 年代中期以前,对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机,而 80 年代后期以来,各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷,动特性好,使新型机器人不仅事故率低,而且免维修时间大为增长,加(减)速度也快。一些负载 16kg 以下的新的轻型机器人其工具中心点(TCP)的最高运动速度可达3m/s 以上,定位准确,振动小。同时,机器人的控制柜也改用 32 位的微机和新的算法,使之具有自行优化路径的功能,运行轨迹更加贴近示教的轨迹中国在 60 年代初期开始发展焊接生产线,例如哈尔滨锅炉厂、沈阳变压器厂等相继建立了锅炉蛇形管、变压器散热器管焊接件的自动生产线,取得了显著的成绩。70 年代焊接生产线机械化自动化技术发展较快,到 70 年代末,相当多的批量较大的焊接结构生产,都程度不等地发展应用了各种类型的焊接生产线技术。由于自动控制系统、可编程序控制器、微处理机和计算机技术等在焊接生产中的应用,80 年代以后,中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制,用自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接生产自动线,较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中,不断提高焊接生产的自动化程度。80年代中期以后,汽车、摩托车等行业发展焊接生产线上应用机器人焊接技术突出,在中国现代的工厂里可以看到那一排排焊接机器人正在挥舞着钢铁的臂膀认真操作的场景。进入 90 年代后,中国焊接界把实现焊接生产机械化、自动化作为战略目标,已在各行业的科技发展规划中付诸实施。大力发展焊接生产自动化和过程控制智能化技术,发展焊接生产线和柔性制造技术,发展应用计算机辅助设计与制造技术等。我国制造业中焊接机器人的应用主要是在 20 世纪 90 年代以后(个别企业在 80 年代中期),经历了摸索阶段,近 5 年来焊接机器人的数量增加很快,特别是在汽车制造业。根据到 2001 年的统计,全国共有各类焊接机器人 1040 台,其中弧焊机器人多于点焊机器人,汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 76,是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人多,弧焊机器人较少;而零部件厂弧焊机器人多,点焊机器人较少。该行业中点焊与弧焊总的比例约为 3:2。其他行业大都是以弧焊机器人为主,主要分布在工程机械(10)、摩托车(6)、铁路车辆(4)、锅炉(1)等行业。焊接机器人分布在全国各个经济地区,但主要集中在东部沿海和东北地区。东部的上海和东北的长春这两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。我国焊接机器人的行业分布不均衡,也不够广泛。今后应重点放在扩大应用领域,使更多行业用上焊接机器人。当前世界各国在发展工业机器人产业方面有三条不同的道路:(1)机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标,而各行业需要的机器人成套系统,一般由其子公司或社会上的工程公司来设计制造,并完成交钥匙工程(暂称为“日本模式” ) ;(2)机器人制造厂商自己既生产机器人又设计制造用户所需要的系统,完成交钥匙工程(暂称为“欧洲模式” ) ;(3)本国基本不生产一般工业机器人,企业需要的机器人系统由工程公司用进口的机器人自行设计制造外围设备并成套,完成交钥匙工程(暂称为“美国模式”)。目前我国需要研究我们的机器人产业应走什么道路的问题。我们认为应从“美国模式”着手,在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是,我国已经形成一批焊接自动化系统集成工程公司,可以完成焊接机器人工作站的设计、设备集成与技术咨询工作。现在6我国使用的焊接机器人工作站有近 20是在国内由中国的工程师采用进口的机器人,配合自行设计的外围设备而集成的。但是比较复杂的焊接机器人生产线或焊接 FMS 大多还需要全套从国外进口。今后,应促使这些工程公司做大做强,政府应以政策鼓励企业采用我国自行成套的焊接机器人系统,而我国的工程师应进一步加强和国外的机器人厂家和集成公司的合作与技术交流,使国内应用的焊接机器人系统中自行成套的焊接机器人工作站迅速增多,促进我国机器人产业的成长。参考文献【1】成大先.机械设计手册(第五版) (第 1 卷).北京:化学工业出版社,2008【2】蔡自兴.机器人学基础.北京:机械工业出版社,2009【3】李晓辉,汪苏,刘小辉,朱小波.焊接机器人智能化的发展J.电焊机,2005【4】唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势J.电焊机,2006【5】 孟广喆.国内外焊接技术发展情况和对我国今后焊接技术发展的设想.第一届全国焊接会议论文集.北京:中国工业出版社,1964【6】国家自然科学基金委员会.机械制造学(热加工). 北京:科学出版社, 1995【7】 潘际銮.弧焊过程控制.第八次全国焊接会议论文集.第 1 册.北京:机械工业出版社,1997【8】 林尚扬.我国机械制造业中焊接机器人的应用现状及发展趋势.第八次全国焊接会议论文集.第 1 册.北京:机械工业出版社,1997【9】张西庚.焊接结构设计和制造技术的现状和发展.第八次全国焊接会议论文集.第 1 册.北京:机械工业出版社,1997【10】吴林等.我国焊接行业的现状与发展趋势.第八次全国焊接会议论文集.第 1 册.北京:机械工业出版社,1997【11】濮良贵,纪明刚.机械设计.北京:高等教育出版社,2009【12】殷际英,何广平.关节型机器人.北京:化学工业出版社,2003【13】郭洪红.工业机器人运用技术.北京:科学出版社,2008四、拟采取的研究路线1.在图书馆、阅览室查阅相关图书和文献资料。2.去一汽大众调研,写出可行性论证报告。3.进行设计所用的方案论证。4.利用所选方案进行焊接机器人的结构设计。5.进行各零件的强度分析。五、进度安排序号周 数 工 作 内 容1 第 1 周 撰写开题报告72 第 23 周 调研及翻译3 第 45 周 方案论证4 第 67 周 结构设计5 第 812 周 绘制零件图及装配图6 第 13 周 可行性检查7 第 14 周 整理毕业设计说明书8 第 15 周 打印上交所有材料9 第 16 周 准备答辩六、外文文献翻译(标注出原文出处,译文 4000 汉字以上)I焊接机器人设计摘 要随着科技的发展和工业需求的增加,焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大,而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模,但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此,大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计,是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上,进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理,并对手臂和腕部进行结构设计。合理布置了液压缸。同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考,为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。该机器人具有刚性好,位置精度高、运行平稳的特点。关键字:焊接机器人 液压系统 机械机构设计 IIAbstractWith the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Keyword:Welding robot;hydraulic system;mechanical structure designI目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 引言 .1第 2 章 焊接机器人的总体方案 .32.1 总体设计的思路 .32.2 自由度和坐标系的选择 .32.3 传动方案论证 .42.4 焊接机器人的组成 .62.4.1 执行机构 .62.4.2 控制系统分类 .82.5 焊接机器人的技术参数 .82.6 本章小结 .8第 3 章 腕部结构的设计及计算 .103.1 腕部设计的基本要求 .103.2 腕部结构及选择 .103.2.1 典型的腕部结构 .103.2.2 腕部结构和驱动结构的选择 .103.3 腕部结构设计计算 .113.3.1 腕部驱动力计算 .113.3.2 腕部驱动液压缸的计算 .113.4 液压缸盖螺钉的计算 .123.5 动片和输出轴间的连接螺钉 .133.6 本章小结 .13第 4 章 臂部结构的设计及计算 .154.1 臂部设计的基本要求 .154.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .164.2.1 手臂的典型运动机构 .164.2.2 手臂运动机构的选择 .164.3 手臂直线运动的驱动力计算 .174.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 .174.3.2 手臂惯性力的计算 .184.3.3 密封装置的摩擦阻力 .184.4 液压缸工作压力和结构的确定 .184.5 活塞杆的计算校核 .19II4.6 本章小结 .20第 5 章 机身结构的设计及计算 .215.1 机身的整体设计 .215.2 机身回转机构的设计计算 .225.3 机身升降机构的计算 .235.3.1 手臂偏重力矩的计算 .235.3.2 升降不自锁条件分析计算 .245.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 .245.4 轴承的选择分析 .255.5 本章小结 .25总结 .26致谢 .27参考文献 .281第 1 章 引言焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。根据国际标准化组织(ISO)工业机器人术语标准的定义,工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator) ,具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。为了适应不同的用途,机器人最后一个轴的机械接口,通常是一个连接法兰,可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊(割)枪的,使之能进行焊接,切割或热喷涂。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。从机器人诞生到本世纪 80 年代初,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高,而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会,和机器人价格相反的是,人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家,由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力,而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资,在两者费用达到某一平衡点的时候,采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大,它一方面可大大提高生产设备的自动化水平,从而提高劳动生产率,同时又可提升企业的产品质量,提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大,但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此,从长远看,产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此,工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。据不完全统计,全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点,广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。我国自上个世纪 70 年代末开始进行工业机器人的研究,经过二十多年的发展,在技术和应用方面均取得了长足的发展,对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。从目前国内外研究现状来看,焊接机器人技术的研究十分活跃,焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。新中国成立后,经过 50 年的艰苦努力,中国焊接生产机械化自动化技术发展应用,取得了很大的成就,焊接生产过程机械化与自动化程度已达到 20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业,焊接生产过程综合机械2化与自动化程度已达到 40%45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业,通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统,使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际 90 年代初的先进水平,进入世界先进之列。3第 2 章 焊接机器人的总体方案该设计的目的是为了设计一台焊接机器人,本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。2.1 总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段:(1) 系统分析阶段1)根据系统的目标,明确所采用机器人的目的和任务;2)分析机器人所在系统的工作环境;3) 根据机器人的工作要求,确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。(2) 技术设计阶段1)根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围,选择机器人的坐标形式;2)拟订机器人的运动路线和空间作业图;3)确定驱动系统的类型;4)选择各部件的具体结构,进行机器人总装图的设计;5)绘制机器人的零件图,并确定尺寸。2.2 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的,因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成,共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个(不包括手部) 。本次设计的焊接机器人为4自由度即:腕部回转;小臂部伸缩;大臂部回转;大臂部伸缩。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下:(1) 直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的,如图2-1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人4有可能达到很高的位置精度(m 级) 。但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲,是比较小的。因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式,龙门式,天车式三种结构 Error! Reference source not found.。(2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的,如图 2-1(b) 。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的,如图 2-1( c) 。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间 Error! Reference source not found.。(4) 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图 2-1(d) 。关节型机器人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途,本次设计的焊接机器人采用直角坐标。图 2-1 四种机器人坐标形式2.3 传动方案论证焊接机器人的驱动方式有液压式、气动式和电动机式。a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标型 d)关节型5(1) 液压驱动:是指动源(发动机或电机)驱动油泵产生压力油,压力油再去驱动液压马达,由液压马达产生机器需要的动力。(2) 气动驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人,与液压驱动相比较,气动驱动由于压缩空气粘度小,所以容易达到高速;由于可利用工厂集中空气压缩机站供气,减少了动力设备;空气介质不污染环境,安全高温下可正常工作;空气取之不竭用之不尽,相对于油液廉价,故气动驱动元件比液压元件价格低(3) 电机驱动可分为普通交流电动机驱动,交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着材料性能的提高,电动机性能也在随之提高并且电动机使用简单,所以就目前来看,机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。表 2-1 三种驱动系统的比较驱动方式内容液压驱动 气动驱动 电机驱动输出力 压力高,可获得大 的输出力 压力相对要小,输出 力小 输出力较大控制性能利用液体的不可压缩性,控制精度较高,输出功率大,可无级调速,反应灵敏,可实现连续轨迹控制气体压缩性大,精度低,阻尼效果差,低速不易控制,难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高,功率较大,能精确定位,反应灵敏,可实现高速、高精度的连续轨迹控制,伺服特性好,控制系统复杂响应速度 很高 较高 很高结构性能及体积结构适当,执行机构可标准化、模拟化,易实现直接驱动。功率/质量比大,体积小,结构紧凑,密封问题较大结构适当,执行机构可标准化、模拟化,易实现直接驱动。功率/质量比大,体积小,结构紧凑,密封问题较小伺服电动机易标准化,结构性能好,噪声低,电动机一般需配置减速装置,除DD 电动机外,难以直接驱动,结构紧凑,无密封问题安全性防爆性能好,用液压油作为传动介质,在一定条件下有火灾危险防爆性能好,高于1000kPa(十个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险,直流有刷电动机换向时有火花,对环境防爆性能较差6对环境影响 液压系统易漏油, 对环境有污染 排气时有噪声 无续表 2-1驱动方式内容液压驱动 气动驱动 电机驱动在工业机械手中的应用范围适用于重载、低速驱动,电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手成本 液压元件成本较高 成本低 成本高维修及使用 方便,但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂2.4 焊接机器人的组成焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.4.1 执行机构(1)手部手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单) 。手部多为两指(也有多指) ;根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。本设计为焊接机器人设计,因此手部并无其他结构,仅仅是一个焊枪,通过螺栓固定于腕部之上。(2)腕部腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节焊枪的方位,以扩大焊枪的工作范围,并使手部变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸,它的结构紧凑,灵巧但回转角度小(一般小于 2700),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的7输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动,运动参数是实现手部回转的角度控制在 范围内,其基本的结构形式如图 2-2 所示。09图 2-2 腕部回转基本结构示意图腕部的驱动方式采用直接驱动的方式,由于腕部装在手臂的末端,所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手腕的回转运动是由回转液压缸实现的。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起;当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。(3)臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具) ,并带动他们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到直线运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位) ,则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求,即臂部的伸缩运动。臂部的运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的前后伸缩运动。臂部的运动参数:伸缩行程:1850mm;伸缩速度:1200mm/s1400mm/s。机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化,在直角坐标式结构中,手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。(4)机身机身部分运动的目的:把臂部送到直线运动范围内任意一点。如果改变臂部的姿态(方位) ,则用机身的自由度加以实现。因此,机身部分具有两个自由度才能满足基本要求,即机身的伸缩、左右旋转运动。机身的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从机身的受力情况分析,它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现基座的上下伸缩、以及机身的回转运动。机身的运动参数:伸缩行程:3650mm;伸缩速度:81200mm/s1400mm/s;回转范围: 。机器人机身的伸缩使其工作长09度发生变化,在直角坐标式结构中,机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式机身结构的驱动可采用液压缸直接驱动。机身部分和滑轨的配置型式采用立柱式单臂配置,其回转运动的驱动源来自回转液压缸。(5)滑轨滑轨是悬臂机器人的基础部分,起悬挂作用,它将机身悬挂于导轨之上。并带动机身沿轨道直线运动。2.4.2 控制系统分类在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。本设计采用电磁控制。2.5 焊接机器人的技术参数一、用途:用于焊接工件 二、设计技术参数:1、焊枪:;2、自由度数:4个自由度(腕部回转;小臂部伸缩;大臂部回转;大臂部伸缩4个运动);3、坐标型式:直角坐标系;4、最大工作半径:4730mm;5、手臂最低中心高:4040mm;6、手臂运动参数:伸缩行程:1850mm伸缩速度:1200mm/s1400mm/s升降行程:3650mm升降速度:1200mm/s1400mm/s回转范围: ;097、手腕运动参数:回转范围: 。092.6 本章小结本章从焊接机器人的实用方面入手,提出了一套总体设计方案,并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。同时,就焊接机器人的组成(执行机构和驱动机构)以及现实作业,给出了具体的手部、腕部、臂部9和基座的结构形式;并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后,给出了设计中所需的技术参数。10第 3 章 腕部结构的设计及计算3.1 腕部设计的基本要求(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。(2) 结构考虑,合理布局腕部作为焊接机器人的执行机构,又承担连接和支撑焊枪的作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。(3) 必须考虑工作条件对于本次设计,焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件,最大载荷为 8KG,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。3.2 腕部结构及选择3.2.1 典型的腕部结构 (1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转,总力矩 M,需要克服以下几种阻力:克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定(一般小于 270) 。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于 270的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。3.2.2 腕部结构和驱动结构的选择本设计要求手腕回转,综合以上的分析考虑到各种因素,腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构,采用液压驱动。113.3 腕部结构设计计算腕部设计考虑的参数:最大载荷:8KG;回转。3.3.1 腕部驱动力计算图 3-1 腕部支撑反力计算示意图腕部回转时要克服的阻力:F=F R1+FR2a. 腕部回转支撑处的摩擦力矩:Ma=0.5 Fd (3-1)f其中 为轴承摩擦系数取 =0.1fb. 克服由于工件重心偏置所需的力矩:Mb=G3e (3-2)c. 克服启动惯性所需的力矩: Mc=D 4/32 (3-3)3.3.2 腕部驱动液压缸的计算表 3-1 液压缸的内径系列 (JB826-66) Error! Reference source not found.(mm)20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110 125 130 140 160 180 200 250表 3-2 标准液压缸外径 (JB1068-67) Error! Reference source not found.(mm)液压缸外径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 20020 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 24545 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 24512设定腕部的部分尺寸:根据表 3-1 设缸体内径 R=40mm,外径根据表 3-2选择 60mm,这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为90mm;动片宽度 b=66mm,输出轴 r=22.5mm.基本尺寸示如图 3-2 所示。则回转缸工作压力: 22261.7.50.50MP MpaRr选择 8Mpa图 3-2 腕部液压缸剖截面结构示意图3.4 液压缸盖螺钉的计算图 3-3 缸盖螺钉间距示意图表 3-3 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 Error! Reference source not found.工作压力 P(Mpa) 螺钉的间距 t(mm)0.51.5 小于 1501.52.5 小于 1202.55.0 小于 1005.010.0 小于 8013缸盖螺钉的计算,如图 4-3 所示,t 为螺钉的间距,间距跟工作压强有关,见表 4-3,在这种联接中,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力:(3-0sQF4)液压缸工作压强为 P=8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 12 个螺钉,80mmmD5.23109.432所以选择螺钉数目合适 Z=12 个。螺钉材料选择 Q235, (n=1.21.5)螺钉的直径: (3-3.4Fd5) =0.005m螺钉的直径选用 M5。3.5 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见图 4-3,连接螺钉一般为偶数,对称安装,并用两个定位销定位。连接螺钉的作用:使动片和输出轴之间的配合紧密。螺钉材料选择 Q235,则(n=1.21.5)螺钉的直径:d=0.005m螺钉的直径选用 M5。3.6 本章小结本章主要内容为腕部结构的设计包括:腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。首先,根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构;然后,按照给定的技术参数进行设计计算;最后,确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以及选取各关键部位螺栓的计算。14第 4 章 臂部结构的设计及计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工具) ,并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动:伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动,手臂的回转和升降运动设置在机身处,将在下一章祥述。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位) ,则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基本要求,既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此,它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。4.1 臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动,为此,需要满足下列各项基本要求:一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力,通常取决于其刚度。以臂部为例,一般结构上较多采用悬臂梁形式(水平或垂直悬伸) 。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大,则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提高刚度,除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外,尚应注意以下几方面:(1) 根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸;(2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离;(3) 合理布置作用力的位置和方向;(4) 注意简化结构;(5) 提高配合精度。二、臂部运动速度要高,惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手,其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内,大部分平均移动速度为,平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效,最直接的办法,因此,机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有 4 个途径 Error! Reference source not found.:(1) 减少手臂运动件的重量,采用铝合金材料;(2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸;(3) 减少回转半径 ,再安排机械手动作顺序时,先缩后回转(或先回转15后伸缩) ,尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作;(4) 在驱动系统中设缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手,其传动件、导向件和定位件布置合理,使手臂运动尽可能平衡,以减少对升降支撑轴线的偏心力矩,特别要防止发生机构卡死(自锁现象) 。为此,必须计算使之满足不自锁的条件 Error! Reference source not found.。四、位置精度要求高一般来说,直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高;关节式机械手的位置精度最难控制,故精度差;在手臂上加设定位装置和检测结构,能较好地控制位置精度,检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。总结:除此之外,要求机械手的通用性要好,能适合多种作业的要求;工艺性好,便于加工和安装;用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。以上要求是相互制约的,应该综合考虑这些问题,只有这样,才能设计出完美的、性能良好的机械手。4.2 手臂的典型机构以及结构的选择4.2.1 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种:(1) 双导杆手臂伸缩机构;(2)手臂的典型运动形式有:直线运动,如手臂的伸缩,升降和横向移动;回转运动,如手臂的左右摆动,上下摆动;符合运动,如直线运动和回转运动组合,两直线运动的双层液压缸空心结构;(1)双活塞杆液压缸结构;(2)活塞杆和齿轮齿条机构。4.2.2 手臂运动机构的选择通过以上,综合考虑,本次设计选择液压缸伸缩机构,使用液压驱动,水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸;竖直伸缩液压缸选用双作用活塞缸。164.3 手臂直线运动的驱动力计算首先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸,再进行校核计算,修正设计。如此反复,绘出最终的结构图。作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力,应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力和惯性力等几个方面的阻力进行确定。液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为:F=(A1p1-A2p2)m (4-1)4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状,其摩擦阻力是不同的,要根据具体情况进行估算。图 4-1 机械手臂部受力示意图计算如下: 0AMbGLaF总得 Yba总得 abF摩 摩摩(4-2)2LG总摩式中 -参与运动的零部件所受的总重力(含工件) (N) ;L-手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离(m ),参考上一节的计算;a-导向支撑的长度(m) ;17-当量摩擦系数,其值与导向支撑的截面有关;对于圆柱面:-摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时:钢对青铜:取 =0.10.15钢对铸铁:取 =0.180.3选取:,G=500N,L=1.49-0.028=1.21m, 导向支撑 a 设计为 0.016m。将有关数据代入进行计算: .3N986.1042.350a2F 、摩 4.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是 V=1200mm/s;假定:在计算惯性力的时候 ,设置启动时间,启动速度;(4-3)GvFgt总惯 t总惯 NsKgNm5.602./8.9/174.3.3 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中,采用 O 型密封,当液压缸工作压力小于 10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为:F 摩 =65N。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:F=1243.8N4.4 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算,确定了液压缸的驱动力 F=1243.8N,根据表 3-1 选择液压缸的工作压力 P=2MPa。确定液压缸的结构尺寸:液压缸内径的计算,如图 4-2 所示18图 4-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔:F1=(A1p1-A2p2)m (4-4)当油进入有杆腔中:F2=(A2p1-A1p2)m (4-5)其中: m 为机械效率。液压缸的有效面积:A故有: A1=D2/4 (无杆腔) (4-6)A2= D2/4-d2/4 (有杆腔) Error! Reference source not found. (4-7)F=6210N, ,选择机械效率。将有关数据代入: 0425.1295.061346pFD根据表 3-1(JB826-66) ,选择标准液压缸内径系列,选择 D=42mm。液压缸外径的设计:根据装配等因素,考虑到液压缸的臂厚在 7mm,所以该液压缸的外径为60mm。4.5 活塞杆的计算校核一、活塞杆强度校核活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度要求。对于杆长L 大于直径 d 的 15 倍以上,按拉、压强度计算: = F/A (4-8)设计中活塞杆取材料为碳钢,故,活塞直径 d=20mm,L=1360mm,现在进行校核:19 = F/A 结论:活塞杆满足强度要求。2、活塞杆刚度校核图 4-3 刚度校核示意图现按照伸出液压缸的最小直径进行校核,为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂梁。取:载荷 F=400N,悬臂 L=1730mm。梁转角: = (4-9)EIFl2梁挠度: = (4-10)l3其中:E 为材料的弹性模量:E=210GpaI 为转动惯量:取 I=1.110-10EI=24 =-0.00249rad =-0.0288mm结论:悬臂活塞杆满足刚度要求。4.6 本章小结本章设计了搬运机器人的手臂结构,手臂采用液压驱动伸缩机构,对驱动的液压缸的驱动力进行了计算。并对液压缸的基本尺寸进行了设计,同时对液压缸活塞杆的强度和刚度进行了校核,校核结果均满足要求。20第 5 章 机身结构的设计及计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动,这些运动的传动机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动越多,机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道运动。5.1 机身的整体设计按照设计要求,机械手要实现手臂 1800 的回转运动,实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑分析。机身承载着手臂,做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种:(1) 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长,花键轴的变形对回转精度的影响较大。(2) 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆,内部导向,结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降,运动部件较大。(3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现:齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转,从而使手臂左右摆动。分析:经过综合考虑,本设计选用回转缸置于伸缩缸之上的结构。本设计机身包括两个运动,机身的回转和伸缩。回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接,回转缸的动片与缸体连接,由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与伸缩缸的活塞杆是一体的。具体结构见图 5-1。驱动机构是液压驱动,回转缸通过两个油孔,一个进油孔,一个排油孔,分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定,对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度,为满足设计要求,设计中动片和静片之间可以回转 1800。21图 5-1 回转缸位于伸缩缸之上的机身结构示意图5.2 机身回转机构的设计计算(1) 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩,应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡: Ma=0.5 Fd (5-1)f惯性力矩的计算:Mc=D 4/32 (5-2)回转部件可以等效为一个长 1200mm,直径为 60mm 的圆柱体,质量为159.2Kg 设置起动角度 =180,则起动角速度 =0.314,起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下,由于回油背差一般非常的小,故在这里忽略不计。22(2) 回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽 b=60mm,选择液压缸的工作压强为 8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径,设 d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算:D=80mm即设计液压缸的内径为 80mm,根据表 4-2 选择液压缸的基本外径尺寸100mm(不是最终尺寸),再经过配合等条件的考虑。最终确定的液压缸的截面尺寸如图 6-2 所示,内径为 150mm,外径为230mm,输出轴径为 50mm。图 5-2 回转缸的截面图5.3 机身升降机构的计算5.3.1 手臂偏重力矩的计算23图 5-3 手臂各部件重心位置图(1)零件重量等现在对机械手手臂做粗略估算:总共约为 33Kg(2)计算零件的重心位置,求出重心到回转轴线的距离 。=1720mm工 件=6mm手 和 腕=0.88mm臂(5-3)GG手 腕 手 腕工 件 工 件 臂 臂 总 手 腕 手 腕工 件 工 件 臂 臂 总=1500mm所以,回转半径。(2)计算偏重力矩(5-4)MG总偏5.3.2 升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势,而立柱导套有防止这种趋势;所谓的不自锁条件为:倾角小于或等于摩擦角因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于 480mm。5.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算(5-5)2LaFG总摩式中: -摩擦阻力,参考图 6-3(5-6)vgt总惯G-零件及工件所受的总重。(1) 摩擦驱动力的计算设定速度为 V=4;起动或制动的时间差 t=0.02s;近似估算为286.1Kg;将数据带入上面公式有:F 摩 = 5000N F 惯 =6600N24(2) 液压缸在这里选择 O 型密封,所以密封摩擦力可以通过近似估算;最后通过以上计算:当液压缸向上驱动时:F=5000N当液压缸向下驱动时:F=6600N5.4 轴承的选择分析对于伸缩缸的运动,机身回转受轴承的影响。因此,这里要充分考虑这个问题。对于本设计,采用一支点,双向固定,另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承,应能承受双向轴向载荷,故内外圈在轴向全要固定。本设计采用两个球轴承 Error! Reference source not found.的组合结构。5.5 本章小结本章对机械手的机身进行了设计,分别对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时,也计算了伸缩立柱不自锁的条件(这是机身设计中不可缺少的部分)。最后,根据计算结果选用合适的轴承。25总 结经过一段时间的努力,达到了本课题研究的预期
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2793 焊接机器人设计,焊接,机器人,设计
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