焊接機器人設(shè)計

1、摘 要隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來越大，而且焊接技術(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。國內(nèi)焊接機器人應(yīng)用雖已具有一定規(guī)模，但與我國焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠。因此，大力研究并推廣焊接機器人技術(shù)勢在必行。本設(shè)計的重點是運用機械原理和機械制造裝備設(shè)計方法設(shè)計焊接機器人的實踐和方法。本次設(shè)計，是在了解焊接機器人在國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進而掌握焊接機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對手臂和腕部進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。合理布置了各個組件。同時了解機器人機械系統(tǒng)運動學(xué)及運動控制學(xué)。為工業(yè)上焊接機器人的設(shè)計提供理論參考、設(shè)計參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計者提供設(shè)計理論和設(shè)計實踐的參考。該

2、機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。關(guān)鍵字：焊接機器人傳動系統(tǒng)機械機構(gòu)設(shè)計AbstractWith 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 do

3、mestic 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 desi

4、gn 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

5、 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 ha

6、s a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Keyword：Welding robot：；Transmission system；Mechanicalstructuredesign；目錄緒 論1第1章 焊接機械手的總體方案設(shè)計21.1 概述21.2 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計31.3 焊接機器人的主要組成3第2章 焊接機器人底座的設(shè)計52.1 底座的工作方式52.2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計62.2.1 底座總體設(shè)計62.2.2底座電機的選擇62.2.3 底座上諧波齒輪傳動的設(shè)計72.3 底座軸的設(shè)計92.4 底座傳動齒輪的

7、設(shè)計102.4.1齒輪齒數(shù)的計算102.4.2齒輪接觸疲勞強度計算102.4.3設(shè)計計算112.5 底座軸承的選擇12第3章焊接機器人腰部的設(shè)計143.1 腰部的工作方式143.2 腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計14第4章 焊接機器人大臂的設(shè)計164.1 焊接機器人大臂設(shè)計總體方案164.2 焊接機器人大臂絲杠的支承機構(gòu)選擇164.3 焊接機器人滾珠絲杠設(shè)計選型與計算194.3.1滾珠絲杠導(dǎo)程的確定194.3.2滾珠絲杠最大載荷194.3.3滾珠絲杠螺母副的選型20第5章 焊接機器人手腕的設(shè)計215.1 機器人手腕的設(shè)計要求215.2 手腕工作方式215.3 手腕電動機的選擇225.4 手腕軸承的選擇22第6

8、章 聯(lián)軸器的選擇25結(jié) 論27謝 辭28參考文獻與附錄2925緒 論QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取。第1章 焊接機械手的總體方案設(shè)計1.1 概述焊接是制造工業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一.它在機械制造,核工業(yè),航空航天能源交通,石油化工及建筑和電子等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,焊接已從簡單的構(gòu)件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成為制造行業(yè)中一項基礎(chǔ)工藝和生產(chǎn)尺寸精確的制成品的生產(chǎn)手段.傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品制造的質(zhì)量,數(shù)量要求.因此保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,提高生產(chǎn)率和改善勞動條件已成為現(xiàn)代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問題.從2

9、1世紀(jì)先進制造技術(shù)的發(fā)展要求看,焊接自動化生產(chǎn)已是必然趨勢.焊接機器人主要優(yōu)點如下:1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均勻性;2)提高勞動生產(chǎn)率,一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)3)改善工人勞動條件,可在有害環(huán)境下工作;4)降低對工人操作技術(shù)的要求;5)縮短產(chǎn)品改形換代的準(zhǔn)備周期,減少相應(yīng)的設(shè)備投資;6)可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化;7)能在空間站建設(shè),核能設(shè)備維修,深水焊接等極限條件下完成人工難以進行的焊接作業(yè).8)為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ).焊接作為機械制造業(yè)中僅次與裝備加工和切削加工的第三大加工作業(yè),對其進行機器人柔性加工技術(shù)及其相關(guān)的控制器PC化,網(wǎng)絡(luò)化和智能化的應(yīng)用研究已成為焊接自動化發(fā)展的必然

10、趨勢.實現(xiàn)焊接自動化生產(chǎn)的意義和必要性:隨著我國一步一步地走向國際市場大舞臺和加入國際貿(mào)易組織,國內(nèi)競爭和國際競爭的界限將越來越模糊,我國的經(jīng)濟發(fā)展和國際接軌是大勢所趨,改變過去的生產(chǎn)方式和管理模式已迫在眉睫.這種改變不僅僅對大小型企業(yè)而言,對中型企業(yè)也將更加重要.1.2 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計根據(jù)任務(wù)的來源不同，按制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃或用戶訂貨要求來確定。在總體方案設(shè)計階段先要確定的主要參數(shù)有如下幾種：（1）額定負載。額定負載是指在機器人規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處所能承受負載的允許值。它主要根據(jù)作用于機械接口處的力和力矩，包括機器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力（矩），外界的作用力（矩）（

11、如切削機器人的切削力）來確定。本次課題設(shè)計要求的額定負載QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲?。?）機器人的手部裝置又稱末端執(zhí)行器。根據(jù)作業(yè)性質(zhì)不同，機械臂末端的執(zhí)行器有不同形式。1） 焊接機器人和噴涂機器人的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具。2） 搬運大件光整平板的機器人一般采用真空吸附式末端執(zhí)行器，利用吸盤 內(nèi)壓力與大氣壓力之間的差值產(chǎn)生吸附作用力。3） 對于一般的物料搬運和裝配機器人，末端執(zhí)行器為種類繁多的機械夾持器，用機械手指的閉合和張開來夾緊和釋放工件。4） 運送鐵磁物質(zhì)的機器人還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。第2章 焊接機器人底座的設(shè)計2.1

12、 底座的工作方式機器人底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：1)要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性。2)機座承受機器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強度、剛度和承載能力。3)機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此機座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動間隙的調(diào)整機構(gòu)。機器人的底座是由兩部分組成的，分為上下兩部分，下部分的作用是固定和支撐，屬于不動體，用螺絲固于與地上；上部分是一個轉(zhuǎn)臺作用是支撐和旋轉(zhuǎn)，帶動大臂以上部分做旋轉(zhuǎn)運動。上部分也稱做腰部，腰部回轉(zhuǎn)由一級齒輪傳動組成，如圖2-1所示底座部件裝配圖，在結(jié)構(gòu)布置上電機、減速器和小齒輪均在腰上隨腰座一

13、起回轉(zhuǎn)；而大齒輪固定在機座上。這樣布局對裝飾、潤滑方便，但增大了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。圖2-1 底座部件簡圖2.2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1 底座總體設(shè)計焊接機器人底座由下底座和上底座組成，如圖2-2所示，底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉(zhuǎn)矩，把減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動到小齒輪上，軸的上端和減速器的柔輪相連，下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié)，減速器的和外殼聯(lián)結(jié)，外殼又和機器人的大臂用螺栓連接；當(dāng)?shù)鬃碾姍C工作時，減速器的剛輪不動，柔輪動，柔輪又通過階梯軸和小齒輪由鍵連接，所以帶動小齒輪動，小齒輪QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取下兩種情況：1）、波發(fā)生器主動，剛輪固

14、定，柔輪從動時，波發(fā)生器與柔輪的減速傳動比為 i=式中 ,分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)；，分別為波發(fā)生器和柔輪的轉(zhuǎn)速。2)波發(fā)生器主動，柔輪固定，剛輪從動時，波發(fā)生器和剛輪的減速傳動比為式中剛輪的轉(zhuǎn)速。波發(fā)生器固定時，若剛輪主動而柔輪從動，其傳動比略大于，反之，柔輪主動而剛輪從動，其傳動比略小于。根據(jù)底座的這種運動要求，以及底座運動的轉(zhuǎn)動慣量，我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格產(chǎn)品型號模數(shù)m減速比i額定輸入轉(zhuǎn)速r/min額定輸出力矩Nm其外形及安裝尺寸如下表：機型115778161580346.510514516326565536452.3 底座軸的設(shè)計底座上使用的是階梯軸，作用是

15、傳動轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連，下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié)，按彎扭合成強度校核軸的強度1、繪制軸受力簡圖(圖a)2、繪制垂直面彎矩圖(圖b)軸承支承反力=160.3N=+=982+160.3=1142.3N計算彎矩截面c右側(cè)彎矩 =1142.3=80.06N.m截面c左側(cè)彎矩 =160.3=11.88N.m3、繪制水平彎矩圖(圖c)軸支承反力=1309N截面c處彎矩=1309=96.2N.m4、繪制合成QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取取失效概率為1%，接觸疲勞強度最小安全系數(shù)=1=590mpa =480m

16、pa2.4.3設(shè)計計算1、計算小齒輪分度圓直徑d dmm=90mm2、圓周速度v=2.6376m/s3、確定載荷系數(shù)=1=1=1.14, =0.17 (=46.06QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲?。?1.53k=11.531.311=2.00434、按實際載荷系數(shù)校正小齒輪分度圓直徑計算值=98=133.97mm2.1.2 確定主要幾何參數(shù)和尺寸(1)模數(shù) m=3.67 取整標(biāo)準(zhǔn)值為m=4(2)分度圓直徑=433=132QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取P=xFr+yFa 查機械設(shè)計手冊6012形軸承

17、Cr=31500N C0r=24200N深溝球軸承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N軸承的壽命由公式計算得 16667/n(ftC/fpP)=16667/1460(1x31500/1.2x376) 壽命足夠。第3章焊接機器人腰部的設(shè)計3.1 腰部的工作方式腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求1) 腰部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與腰部的長度、腰部關(guān)節(jié)的QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取的回轉(zhuǎn)基座、大臂、小臂進行詳細設(shè)計計算。4.1 焊接機器人大臂設(shè)計總體方案大臂與腰部是用螺栓連接起來的；柔

18、輪通過支撐法蘭固定在選擇底座上，大臂的運動需要良好的精度，且受力比較簡單，除了自身的重量以外，能承受100N外力即可，采用步進電機控制，并且把軸設(shè)計成階梯軸，由深溝球軸承支撐，同時用絲杠實現(xiàn)小臂的往復(fù)運動。步進電機具有運動精度高、性能可靠、操作簡便等優(yōu)點,故而具有非常廣泛的應(yīng)用。尤其隨著步進電機的不斷跟新與發(fā)展,在售價逐漸下降的情況下，其輸出功率和力矩卻大大增加,這為步進電機的使用情景奠定了堅實的基礎(chǔ)。小臂運動采用步進電機驅(qū)動、滾珠絲桿傳動的總體機構(gòu)方案。設(shè)計以大臂實現(xiàn)小臂水平方向運動位移為主要目標(biāo)，而設(shè)計內(nèi)容主要包括滾珠絲桿及步進電機的選用，同時考慮運動相關(guān)精度問題。如圖4-1所示大臂設(shè)計結(jié)

19、構(gòu)圖圖4-1所示大臂設(shè)計結(jié)構(gòu)圖4.2 焊接機器人大臂絲杠的支承機構(gòu)選擇要保證絲杠的傳動精度，應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)闹С薪Y(jié)構(gòu)并保證安裝方法的正確。絲杠主要承受軸向載荷，由于所受徑向載荷并不是很大，所以在設(shè)計中主要考慮絲杠的軸向精度和剛度。絲杠的支承結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）F0支承結(jié)構(gòu)：一端固定（F），一端自由（0），如圖4-2a所示： F0結(jié)構(gòu)較為簡單，承載能力不大，并且軸向剛度較低。除此之外，由于壓桿的穩(wěn)定性不高并且最大轉(zhuǎn)速較低，在設(shè)計中要保證讓絲杠受到拉伸力。這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在短絲杠、垂直絲杠上。（2）FS支承結(jié)構(gòu)：一端固定（F），一端浮動（S），如圖4-2b所示，F(xiàn)S結(jié)構(gòu)的軸向剛度和第一種結(jié)構(gòu)相同，

20、但壓桿的穩(wěn)定性及最大轉(zhuǎn)速卻大于相同的的F0結(jié)構(gòu)。FS結(jié)構(gòu)可以絲杠額的熱膨脹提供空余QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取4-3所示，圖4-3 絲杠支撐結(jié)構(gòu)位置圖 其左端支撐詳細結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。圖4-4 支撐詳細結(jié)構(gòu)圖確定滾珠絲杠支承機構(gòu)確定后，就可以選擇滾珠絲杠所用軸承，表4-1是不同絲杠支承滾動軸承的比較：表4-1 絲杠支承滾動軸承特點比較滾動軸承類型軸向剛度軸承安裝預(yù)緊調(diào)整摩擦力矩60度接觸角推力軸承大簡單不需要小雙向推力角接觸軸承中簡單不需要小圓錐滾子軸承小簡單若內(nèi)圈之間有隔圈則不需要調(diào)整大滾針和推力滾子組合特大簡單不需要特大深溝球軸承大中等

21、麻煩小根據(jù)表4-1所示，綜上所述，由于滾珠絲杠為豎直方向工作，為保證軸向剛度并且減小摩擦力矩，選用深溝球軸承較為合適。4.3 焊接機器人滾珠絲杠設(shè)計選型與計算4.3.1滾珠絲杠導(dǎo)程的確定根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速和垂直方向小臂的最大速度，確定絲杠導(dǎo)程。小臂的受力比較簡單，除了自身的重量以外，能承受100N外力即可，故而初選28BYGH56095型步進電機，其最高轉(zhuǎn)速為4500rad/min。步進電機QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取第5章 焊接機器人手腕的設(shè)計5.1 機器人手腕的設(shè)計要求手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在手臂和機座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在

22、作業(yè)空間的三個位置坐標(biāo)（自由度）的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)（方位）坐標(biāo)，即實現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。通過機械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。手腕能實現(xiàn)繞空間三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動，即回轉(zhuǎn)運動、左右偏擺運動和俯仰運動。當(dāng)有特殊需要時，還可以實現(xiàn)小距離的橫移運動。手腕的自由度愈多，結(jié)構(gòu)和控制愈復(fù)雜。因此，應(yīng)根據(jù)機器人的作業(yè)要求來決定其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。在多數(shù)情況下，手腕具有1-2個自由度即可滿足作業(yè)要求。（1）設(shè)計要求對工業(yè)機器人手腕設(shè)計的要求有：1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其質(zhì)量和體積。為此腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置多采用分離傳動，將驅(qū)動器安置

23、在手臂的后端。2）手腕部件的自由度愈多，各關(guān)節(jié)角的運動范圍愈大，其動作的靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但增加手腕自由度，會使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動控制難度加大。因此，在設(shè)計時，不應(yīng)盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機器人手腕多配置3個自由度，某些動作簡單的專用工業(yè)機器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實際需要，可減少其自由度數(shù)，甚至可以不設(shè)置手腕以簡化結(jié)構(gòu)。3）為提高手腕動作的精確性，應(yīng)提高傳動的剛度，應(yīng)盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動中的QQ:123536215 、870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取量輕，價格便宜，供貨方便，應(yīng)用較廣。查手冊 高速軸選用深溝球軸

24、承62007 （2）軸承的校核計算兩個6012型軸承轉(zhuǎn)速1460r/min,徑向載荷Fr1=672N Fr2=356N軸向載荷Fa=0,工作時無沖擊，溫度低于100,預(yù)壽命10000h.解：軸承1承受的負載較重，經(jīng)驗算軸承1的當(dāng)量載荷為P=xFr+yFa 查機械設(shè)計手冊6012形軸承Cr=31500N C0r=24200N深溝球軸承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N軸承的壽命由公式計算得 16667/n(ftC/fpP)=16667/1460(1x31500/1.2x376) 壽命足夠。（3）按彎扭合成強度校核軸的強度1繪制軸受力簡圖(圖a)2繪制垂直面彎矩圖(圖b)軸承支承反力=160.3N=+=982+160.3=1142.3N計算彎矩截面c右側(cè)彎矩 =1142.3=80.06N.m截面c左側(cè)彎矩 =160.3=11.88N.m3繪制水平彎矩圖(圖c)軸支承反力=130