5自由度焊接機器人設(shè)計

5自由度焊接機器人設(shè)計,自由度,焊接,機器人,設(shè)計 開 題 報 告 （2008屆） 5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計 學(xué)生姓名 方 君 學(xué) 號 04081205 院 系 機電系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 黃德中 填寫日期 2008-1-17  一、 本課題國內(nèi)外狀況，說明選題依據(jù)和意義 ? 焊接機器人是目前最大的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域。由于汽車制造業(yè)對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等指標(biāo)提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時的火花及煙霧等，對人體造成危害，因此，焊接過程的完全自動化已成為重要的研究課題，其中，最為重要的就是要應(yīng)用焊接機器人。 隨著近代模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，以及PC機與焊接機器人的結(jié)合應(yīng)用，有效解決了專用控制器計算負(fù)擔(dān)重、實時性差等問題.還能夠?qū)⒕咚I(lǐng)域如圖像處理、聲音識別、最優(yōu)控制、人工智能等先進的研究成果應(yīng)用到該系統(tǒng)的實時操作中。焊接過程中存在很多不確定的因素，是一個典型的時變非線性系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，采用與模型無關(guān)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊控制技術(shù)更為合適。 我國焊接機器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。“一汽”是我國最早引進焊接機器人的企業(yè)，1984起先后從KUKA公司引進了3臺點焊機器人，用于當(dāng)時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機器人車身總焊線 。 ??? 80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人。可以說90年代以來的技術(shù)引進和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)模化生產(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù)2001年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從圖1中還能看出，我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。 ? 進入21世紀(jì)由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺的數(shù)量增長。估計我國目前焊接機器人的安裝臺數(shù)在4000臺左右。汽車行業(yè)焊接機器人所占的比例會進一步提高。 ? 目前在我國應(yīng)用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產(chǎn)機器人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。 ??? 目前在我國雖然已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，有以下幾個主要原因： ??? 國內(nèi)機器人價格沒有優(yōu)勢。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7-8萬美元降低到2-3萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機、減速機等需要進口，使價格難以降低，所以機器人生產(chǎn)成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一點也間接影響了國內(nèi)機器人的發(fā)展。對于機器人的最大用戶—-汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產(chǎn)機器人幾乎找不到表演的舞臺。 ??? 我們應(yīng)該承認(rèn)國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 ??? 國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。 二、主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和參數(shù)： 自由度數(shù) 5 驅(qū)動方式 伺服或步進電機 總高 1300mm 最大持重 12kg 各軸轉(zhuǎn)角 軸 轉(zhuǎn)角o 速度o/s 1軸 300 2軸 120 3軸 110 90 4軸 210 5軸 360 180 三、研究的基本內(nèi)容，你解決的主要問題（闡述的主要觀點） ? 焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，焊接精度和速度等指標(biāo)提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時的火花及煙霧等，對人體造成危害。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： (1) 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。 ? (2) 改善了工人的勞動條件。 (3) 提高勞動生產(chǎn)率。 本論文所研究的為5自由度焊接機器人，主要解決焊接機器人腰部以及大臂的工作平穩(wěn)性和提高其工作效率，主要解決一下幾個問題： (1) 理清整個機器的工作原理，及各個部件相互關(guān)系，使之協(xié)調(diào)。 (2) 都大臂和腰部的工作原理做研究，明確其傳動路線。 (3) 明確各個部件的裝配關(guān)系，畫出裝配圖和主要零件圖。 (4) 明確各個部件的技術(shù)要求，合理選擇材料及配合關(guān)系。 四、課題研究工作進度計劃 起止日期 工作內(nèi)容 08.1.2-3.14 撰寫文獻(xiàn)綜述 外文翻譯 開題報告 08.1 -08.3.14 畢業(yè)實習(xí) 08.03.15-08.04.01 總體設(shè)計 08.04.02-08.04.27 部件設(shè)計 08.04.28-08.05.14 零件設(shè)計 08.05.15-08.05.29 編寫設(shè)計計算說明書 08.05.30-08.06.04 預(yù)答辯及修改工作 08.06.06-08.06.09 主審教師評閱 08.06.10左右 答辯及成績綜合評定 六、主要參考文獻(xiàn) [1]申永盛.機械原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.260～264 [2]　 徐德，涂志國，趙曉光，等.弧焊機器人的視覺控制[J].焊接學(xué)報，2004，25（4）：10-14. [3成大先.機械設(shè)計手冊，減(變)速器.電機與電器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版 社2004.1 [4] 周炳森,《新編焊接設(shè)備選型與焊接材料選用實用手冊》.出版時間:2006年7月 [5] 朱浩翔.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].MC現(xiàn)代零部件，2007.1 [6]羅誠,《最新壓力容器焊接和切割新技術(shù)、新工藝與應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實用手冊》，中國科技文化出版社，2005年 [7] 陳善本，《智能化焊接機器人技術(shù)》。機械工業(yè)出版社。2006-1-1，5-2 [8]王伯平.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004．15～25 六、指導(dǎo)教師審核意見 指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日 七、院（系）畢業(yè)設(shè)計（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組審核意見 1．通過 2．完善后通過 3. 未通過 負(fù)責(zé)人（簽名） 年 月 日 6 畢業(yè)設(shè)計說明書 2008屆 5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計 學(xué)生姓名 方 君 學(xué) 號 04081205 院 系 工學(xué)院機電系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 黃德中 III 5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計 摘要 據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機器人其實就是通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，因此，從某種意義上來說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。 本次我所設(shè)計的機器人為五自由度弧焊機器人。本說明書對本次設(shè)計的主要考慮內(nèi)容進行了敘述和講解，包括機器人的總體設(shè)計以及傳動系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計，電動機的選擇，圓錐齒輪的設(shè)計與校核，諧波減速器的原理以及選擇，腕部轉(zhuǎn)動軸的校核，齒形帶規(guī)格的選擇以及滾動軸承的選擇與校核等。 由于設(shè)計經(jīng)驗不足以及理論知識的匱乏，本次設(shè)計肯定存在許多不足之處，望答辯老師諒解并不吝賜教。 關(guān)鍵詞 焊接機器人；齒形帶傳動；諧波減速器；五自由度 design 5 degree-of-freedom welding robot overall and big arm and waist ABSTRCT According to incomplete statistics, nearly half of the world's industrial robots in service are used for welding. The most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi-task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. The robot I designed is a DOF arc welding robot. The design statement mainly include design of robot's drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on. KEY WORDS welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 5-DOF 目錄 中文摘要 ……………………………………………………………………Ⅱ 英文摘要 ……………………………………………………………………Ⅲ 目錄 …………………………………………………………………………Ⅳ 前言 ……………………………………………………………………………1 1 緒論 ……………………………………………………………………3 2 畢業(yè)設(shè)計基本思路 …………………………………………………………4 2.1總體所涉及思路及內(nèi)容 ……………………………………………5 2.2設(shè)計傳動方案 ………………………………………………………5 3 焊接機器人腰部與大部設(shè)計 ………………………………………………7 3.1 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………7 3.1.1 電動機的選擇 …………………………………………………7 3.1.2 諧波減速器介紹及選擇 ……………………………………8 3.1.3 軸的設(shè)計與校核 ……………………………………………10 3.1.4 軸承的設(shè)計計算與核 …………………………………………11 3.1.5 齒輪設(shè)計計算與校核 …………………………………………12 3.2 大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………15 3.2.1 電動機的選擇 …………………………………………………15 3.2.2 諧波減速器的選擇 ……………………………………………15 3.2.3 軸的設(shè)計與校核 ………………………………………………16 4總 ……………………………………………………………………………18 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………19 致謝 ……………………………………………………………………………20 前言 焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，與焊接這個特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： ??? （1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小,降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。 ??? （2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。 ??? （3）提高勞動生產(chǎn)率。機器人沒有疲勞，一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。 ??? （4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。 ??? （5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪崿F(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于20世紀(jì)70年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時的國內(nèi)外形勢，國家“七五”攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人的開發(fā)列入了計劃，對工業(yè)機器人進行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實用化的方向。與此同時于1986年將發(fā)展機器人列入國家“863”高科技計劃。在國家“863”計劃實施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標(biāo)。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動下，以及對機器人技術(shù)研究的技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時對主攻方向進行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點之一，提出了以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家“八五”和“九五”中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 我國焊接機器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接?！耙黄笔俏覈钤缫M焊接機器人的企業(yè)，1984起先后從KUKA公司引進了3臺點焊機器人，用于當(dāng)時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機器人車身總焊線 。 ??? 80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人。可以說90年代以來的技術(shù)引進和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)?；a(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù)2001年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從圖1中還能看出，我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。 ? 進入21世紀(jì)由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺的數(shù)量增長。估計我國目前焊接機器人的安裝臺數(shù)在4000臺左右。汽車行業(yè)焊接機器人所占的比例會進一步提高。 ? 目前在我國應(yīng)用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產(chǎn)機器人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。 ??? 目前在我國雖然已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，有以下幾個主要原因： ??? 國內(nèi)機器人價格沒有優(yōu)勢。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7-8萬美元降低到2-3萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機、減速機等需要進口，使價格難以降低，所以機器人生產(chǎn)成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一點也間接影響了國內(nèi)機器人的發(fā)展。對于機器人的最大用戶—-汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產(chǎn)機器人幾乎找不到表演的舞臺。 ??? 我們應(yīng)該承認(rèn)國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 ??? 國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。 在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點研究內(nèi)容之一，其中包括焊接機器人。把弧焊與點焊機器人作為負(fù)載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、列化設(shè)計?；『笝C器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)、激光發(fā)射器的選用、成像系統(tǒng)、視覺圖像處理技術(shù)、視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制、焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。 在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備。另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術(shù)!盡快縮短和別人的差距，并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際舞臺上的地位。 1. 緒論 些圖是整個焊接系統(tǒng)的示意圖: 5自由度焊接機器人系統(tǒng)由弧焊機器人，焊接電源，焊槍送絲機構(gòu)，回轉(zhuǎn)雙工位變位機，工件夾具和控制系統(tǒng)組成。 2我的畢業(yè)設(shè)計基本思路 2.1總體設(shè)計思路及內(nèi)容 本次設(shè)計的機器人是五自由度、關(guān)節(jié)型焊接機器人。自由度高，采用直流伺服電機驅(qū)動、微機控制，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，動作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可以用于搬運和裝配作業(yè)。腰部和大、小臂的傳動采用諧波傳動，腕擺和腕轉(zhuǎn)除采用諧波齒輪外還均采用齒形帶傳動和錐齒輪傳動，傳動比準(zhǔn)確，精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油、耐磨性好。大臂上裝有氣動平衡機構(gòu)，使大臂驅(qū)動力矩減小，且使示教操作輕便。 本次設(shè)計的焊接機器人的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 1— 機座 2—轉(zhuǎn)臺 3—腰座 4—腕部 5—小臂 6—大臂 圖1-1焊接機器人結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計內(nèi)容主要是5自由度焊接機器人的工作原理設(shè)計，腰部與大臂主要機構(gòu)的設(shè)計與計算,主要零部件的設(shè)計與校核，裝配圖的繪制以及主要零部件圖紙繪制等。 2.2設(shè)計傳動方案 腰部傳動由伺服電機傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到軸，軸通過軸承固定，再通過齒輪機構(gòu)帶動整個腰部機構(gòu)運動。 大臂傳動由伺服電機傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到大臂軸，軸通過軸承固定，通過大臂軸帶動平衡汽缸運動實現(xiàn)整個大臂機構(gòu)運動。 3焊接機器人大臂與腰部設(shè)計 3.1腰部的設(shè)計 3.1.1電動機選擇： 由查表得，以及考慮到安全系數(shù)S,一般取S=1.5， 大致確定P至少大于1KW 有下表可選取合適的電動機。 綜合以上數(shù)據(jù)130SYX-01型號伺服電機，其參數(shù)如下： 額定功率=1.2KW 額定轉(zhuǎn)矩=4N/M 額定轉(zhuǎn)速=3000r/min 額定電壓=160V 額定電流=9.4A 峰值轉(zhuǎn)矩=32N/M 電樞電阻=0.2 電框電感=3.2MH 3.1.2諧波齒輪減速器的選擇 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 （1） 傳動原理 它主要由三個基本構(gòu)件組成： （1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當(dāng)于行星齒輪； （3）波發(fā)生器H，它相當(dāng)于行星架。 當(dāng)波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當(dāng)波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。 波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。 （二）特點 1．承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2．傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達(dá) i=70～500。 3．體積小、重量輕。 4．傳動效率高、壽命長。 5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。 6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。 諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機器人等行業(yè)，由于它的獨特優(yōu)點，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。 （三）減速器的選擇 根據(jù)電動機的參數(shù)，有《機械設(shè)計手冊》表15-2-129查表選出諧波減速器型號為： XB1-120-150。 XB1為產(chǎn)品代號，120機型，150表示減速比。 其參數(shù)為： 輸入功率=1.25KW 輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min 輸出轉(zhuǎn)矩=450N/M 輸出轉(zhuǎn)速=20r/min 3.1.3軸的計算 （一）軸材料選擇 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa。 （二）軸的校核 軸因為是豎直的，本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。 故只對軸扭矩進行校核。 對軸進行簡化計算： 從齒輪計算中得到轉(zhuǎn)矩T=3820N.mm， 得到的扭矩圖： 有圖可知，危險截面在C面。 在C面： 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： ==53*53*53*3.14/16=29217 m =T/=3820 /29217=0.13 MPa 在C無須進行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強度理論進行強度校核。 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力， 故合適。 3.1.4 軸承選擇并校核 機構(gòu)中有多個軸承，現(xiàn)在選取一圓錐滾子軸承校核。簡圖如下： (1) 驗算軸承平均壓力p(單位為MPa) =247N =0.24MPa 式中：B——軸承寬度，mm(根據(jù)寬徑比B/d確定) [p]——軸瓦材料的許用壓力，單位為MPa (2) 驗算軸承的[pv]值(單位為MPa·m/s) pv=0.24×0.17=0.0408MPa·m/s v——軸徑圓周速度，即滑動速度，m/s [pv]——軸承材料的pv許用值，MPa·m/s 3.驗算滑動速度v(單位為m/s) v=0.17m/s [v]為許用滑動速度，單位為m/s 根據(jù)這些數(shù)據(jù)查機械設(shè)計第七版表12-2選擇軸承為耐磨鑄鐵HT300。 滑動軸承和軸承座的配合為過渡配合，定為，IT6=13,IT7=21 基準(zhǔn)孔H7的下偏差EI=0,上偏差為 ES=EI+IT7=+0.021 軸瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+IT6=0.021 由此得，。 滑動軸承和軸的配合為間隙配合，定為，IT6=13,IT7=21 基準(zhǔn)軸h6的上偏差es=0,下偏差為 ei=es－IT6=(0－13)=－13 孔H7的下偏差EI=0 孔H7的上偏差ES=EI+IT7=21 由此得，。， 3.1.5 齒輪的設(shè)計與校核 齒輪參數(shù)計算及其校核： ①材料：高速級小齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為250HBS。高速級大齒輪選用鋼正火，齒面硬度為220HBS。 ②齒輪計算，查課本表得: 。 材料彈性系數(shù)Z Z=189.8(N/mm)（表15-17） 重合度系數(shù)Z=（（4-）/3）=0.9（表15-18） 節(jié)點區(qū)域系數(shù)Z Z=2.5(圖15-22) 螺旋角系數(shù)Z Z=1 (式15-34) 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N： N=60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×108 N= N/i=6.6×10/4.2=1.571×108 表10-4得： 。 故 。 查課本表10-21圖得： 。 故 。 由設(shè)計計算公式（10-9a）進行試算 即 轉(zhuǎn)矩 載荷系數(shù)K: K= KKKK 7級精度制造，查課本表10-3得： 載荷系數(shù)，取齒寬系數(shù) 計算中心距： 考慮計算原因取 則取 傳動比：i= 齒寬：取 大齒輪： ,小齒輪： 大端分度圓直徑 d=m=4×36=144㎜，d=m=4×71=284㎜ 齒頂圓直徑 d= d+2mcosδ=144+6cos13.3924=236.87㎜， d= d+2mcosδ=284+6cos76.6076=295.900㎜ 齒根圓直徑d= d-2.4mcosδ=63-2.4cos13.3924 =55.966㎜ d= d-2.4mcosδ2=276-2.4×cos76.6076=86.532㎜ 齒輪錐距? R=1/2=135.998 大端圓周速度 v=πdn/60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s， 齒寬b= 0.4×135.998=64.14 選齒輪精度為7級 Δ=（0.1～0.2）R =（0.1～0.2）305.500=30.05～60.1㎜ 取Δ=10㎜，Δ=14㎜,c=10㎜ 輪寬 L=（0.1～0.2）d=（0.1～0.2）93=12.4㎜ L=（0.1～0.2）d=（0.1～0.2）×291=39㎜ ③按齒面接觸強度設(shè)計： 所以安全。 ④驗算輪齒彎曲強度： 查課本表10-5得： 最小齒寬計算： 所以安全。 查課本第162頁表11-2知選用7級的的精度是合適的。 以上課本為《 機械設(shè)計》（第七版）。 3.2大臂的設(shè)計 3.2.1電動機選擇： 電動機功率計算： 以上是大致受理圖，得出電機需帶動的扭矩。 T=cosΘ*F*S=cosΘ*12*10*/1000=78N/M T=9550*P/n N=60r/min 所以輸出功率P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。 因為功率經(jīng)過整個傳動系統(tǒng)后不變，所以電機至少需要也為490W,即0.49KW。 考慮到安全系數(shù)S,一般取S=1.5， 所以P至少大于1.5*0.49=0.735kw 有下表可選取合適的電動機。 3.2.2諧波齒輪減速器的選擇 根據(jù)電動機的參數(shù)，有《機械設(shè)計手冊》表15-2-129查表選出諧波減速器型號為： XB1-100-125。 XB1為產(chǎn)品代號，120機型，150表示減速比。 其參數(shù)為： 輸入功率=0.777KW 輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min 輸出轉(zhuǎn)矩=240/M 輸出轉(zhuǎn)速=24r/min 3.2.3軸的計算 一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸承的要求和機構(gòu)本身的性能要求，等到軸的尺寸如附圖： 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa。 二、軸的校核 軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用, 故只對軸扭矩進行校核。A,B處為相同兩個槽，受扭矩相同，C處也是受扭矩影響大之處。故腰對B,C兩處進行校核。 對軸進行簡化計算： 從電動機計算中得到轉(zhuǎn)矩T=2387.5N.mm，計算A,B處扭矩為3119N.mm 得到的扭矩圖： 有圖可知，其受理情況一直，每處受到扭矩一樣，故可隨機選取一點。 在B面： ==17×17×17×3.14/16=964mm。 =T/=6238/964=6.47MPa 在C面： 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： ==72*72*72*3.14/16=73249.92 m =T/=2387.5 /73249=0.03 MPa 在C無須進行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強度理論進行強度校核。 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力， 故合適。 4．總結(jié) 經(jīng)過六個月的不懈努力，我的畢業(yè)設(shè)計終于接近尾聲了。在做畢業(yè)設(shè)計之前，我就深知其重要性。他是大學(xué)教學(xué)的最后一個環(huán)節(jié)，對畢業(yè)生在大學(xué)所學(xué)知識的一次綜合運用，是保證畢業(yè)生質(zhì)量的必然要求。所以我認(rèn)真地去完成其中的每一個細(xì)節(jié)，包括設(shè)計中的設(shè)計原理、計算、圖紙及撰寫設(shè)計說明書等。不懂就去查質(zhì)料，去請教老師和同學(xué)。不放過其中不懂的知識點。經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計之后，我更加深刻地體會到了畢業(yè)設(shè)計的重要意義。通過畢業(yè)設(shè)計，我對大學(xué)四年所學(xué)的理論知識和基本技能作了一次綜合運用。對許多以前所學(xué)的專業(yè)知識進行了系統(tǒng)復(fù)習(xí)。包括：理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、機械零件、機械設(shè)計、機械制造、互換性與測量技術(shù)、機械制圖、AUTOCAD計算機繪圖、SOLIDWORKS三維實體建模、機電傳動控制、微機控制原理、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等課程。鞏固了專業(yè)知識，提高了我獨立分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)了我的創(chuàng)新意識。增強了我對機電一體化行業(yè)的興趣。我在以下幾方面得到了鍛煉與專業(yè)認(rèn)識： 1、鞏固和豐富所學(xué)的專業(yè)理論知識。本次設(shè)計所要求的專業(yè)知識面是廣泛的。題目是5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計。從控制到傳動都是機械，是純機械的設(shè)計。我意識到，作為一名設(shè)計員，首先必須掌握各種各樣的較為全面的理論知識，并且要將這些知識靈活應(yīng)運于設(shè)計之中。 2、本次設(shè)計中我所學(xué)到的是一個系統(tǒng)的。學(xué)會調(diào)查、研究，初步掌握收集資料，獲取技術(shù)信息的方法和手段。在設(shè)計過程中不可死板套用，要注意創(chuàng)新。從多方面來考慮問題，從多種方案中挑選最佳方案。設(shè)計必須仔細(xì)，用系統(tǒng)與科學(xué)的態(tài)度處理每個問題。 3、設(shè)計能夠解決生產(chǎn)的實際問題。所以在設(shè)計中體現(xiàn)出來的問題是相當(dāng)?shù)目陀^的。通過本次設(shè)計，增強了自身知識的應(yīng)用能力和綜合能力；增強了分析和解決生產(chǎn)實際問題的能力。 參考文獻(xiàn) [1]申永盛.機械原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.260～264 [2]　 徐德，涂志國，趙曉光，等.弧焊機器人的視覺控制[J].焊接學(xué)報，2004，25（4）：10-14. 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