畢業(yè)論文終稿-焊接機械手結構設計[購買贈送配套CAD圖紙 論文答辯優(yōu)秀]

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需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖紙預覽請見文檔前面的插圖，原稿更清晰，可編輯2016 屆畢業(yè)設計（論文）說明書焊接機械手結構設計院 、 部： 機械工程學院 學生姓名： 指導教師 1： 職稱 指導教師 2： 職稱 專 業(yè)： 班 級： 完成時間： 需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763I摘 要焊接機械手由機械手本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和焊接焊接系統(tǒng)幾部分組成，此次設計的焊接機械手實際是五自由度的關節(jié)機器人。采用步進電機驅動、微機控制，結構緊湊，工作范圍大，動作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可用于搬運和裝配作業(yè)。本次設計主要針對焊接機械手進行設計。首先，通過對焊接機械手結構及原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結構方案；接著，對主要技術參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過AutoCAD 制圖軟件繪制了焊接機械手裝配圖及主要零部件圖。通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關鍵詞 ：焊接；機械手；PLC；設計需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763II需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763III需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763IV需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763V需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763VIABSTRACTHigh lift device called weight lifting device, a top heavy machinery, lifting machine is a with relatively small force can the weight lifting, descending or shift of simple tools, can also be used to correct the deformation of the equipment installation and the deviation of the component such as. Electric lifting device is a lifting device for lifting heavy objects by screw drive. The motor is composed of a motor, a belt drive, a turbine vortex rod drive, a screw, a nut, a lifting rod, etc.This design first, based on the structure and the principle of electric lifting device of high analysis, this analysis based on put forward the overall structure scheme of 需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763VIIand then, the design and verification of main technical parameters of the main parts is discussed; then, through the three-dimensional design software Pro / E design the electric lifting device and motion simulation is carried out. Finally, draw the electric lifting device assembly and major parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words: Lifting equipment; Turbine; Spiral; Design; Simulation需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763VIII目 錄1 緒 論 ............................................................11.1 研究背景及意義 ...............................................11.2 研究及發(fā)展現(xiàn)狀 ...............................................11.3 焊接機械手的主要組成 .........................................21.4 主要內容 .....................................................32 總體結構設計 .....................................................42.1 機械手總體結構的類型 .........................................42.2 設計具體采用方案 .............................................53 主要零部件設計 ...................................................63.1 底座部分設計 .................................................63.1.1 底座的工作方式 ...........................................63.1.2 底座的電動機的選擇 .......................................63.1.3 底座上諧波齒輪傳動的設計 .................................73.1.4 底座軸的設計 .............................................93.1.5 底座傳動齒輪的設計 ......................................103.1.6 底座軸承的選擇 ..........................................123.2 大臂部分設計 ................................................133.2.1 大臂的工作方式 ..........................................133.2.2 大臂電動機的選擇 ........................................143.2.3 大臂上諧波齒輪傳動的設計 ................................143.3 小臂部分設計 ................................................153.3.1 小臂的工作方式 ..........................................153.3.2 小臂電動機的選擇 ........................................163.3.3 小臂上諧波齒輪傳動的設計 ................................163.4 手腕部分設計 ................................................173.4.1 手腕的設計要求 ..........................................173.4.2 手腕工作方式 ............................................183.4.3 手腕電動機的選擇 ........................................183.4.4 手腕軸承的選擇 ..........................................19需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763IX4 控制系統(tǒng)設計 ....................................................214.1 電氣設備概述 ................................................214.1.1 電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設計 ..............................214.1.2 電氣控制的部分設計 ......................................214.2 PLC 的應用 ...................................................234.2.1 梯形圖的設計 ............................................234.2.2 用功能表圖表示控制過程 ...................................244.2.3 I/O 分配表與配線圖 ......................................254.2.4 寫出梯形圖 ...............................................27總 結 ..............................................................34參考文獻 ...........................................................35致 謝 .............................................................36需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976311 緒 論1.1 研究背景及意義焊接機械手由機械手本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和焊接焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應靈活動作的工作要求，通常電焊機械手選用關節(jié)式工業(yè)機械手的基本設計，一般具有六個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種。其中電氣驅動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。焊接機械手按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行焊接作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。 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)機械手的出現(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量和提高焊接效率。焊接機械手在汽車裝配生產線上的大量應用大大提高了汽車裝配焊接的生產率和焊接質量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產線上對不同的車型進行裝配焊接[2]。應用焊接機械手，有如下優(yōu)點：a.容易實現(xiàn)生產過程的完全自動化；b.對生產設備的適應能力將大大加強；c.可以提高產品的生產效率及質量；d.可以明顯改善工作條件。1.2 研究及發(fā)展現(xiàn)狀我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五” 科技攻關開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；應用規(guī)模小，沒有形成機器人產業(yè)。 工業(yè)機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配生產線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復精需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397632度的控制要求比較低。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產企業(yè)提供各類點焊機器人單元產品并以焊接機器人與整車生產線配套形式進入中國，在該領域占據市場主導地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165 公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008 年 9 月，機器人研究所研制完成國內首臺 165 公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009 年 9 月，經過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經達到國外同類機器人水平。工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 目前國際機變機界都在加大科研力度，進變機變機共性技術的研究。從機變機技術發(fā)展趨勢看，焊安機變機和其它工畢機變機一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。夾體而言，表現(xiàn)在如定幾個方面：機變機操動機結構：與過有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實現(xiàn)機變機操動機構的優(yōu)化畢畢。探索新的高強度輕質材料，進一步提高總載/自重比。機變機機機系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機機系統(tǒng)。向基于 PC 機的開放型機機變方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；變件集成度提高，機機機日見小巧，且采用電電化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動性和可維修性；機機系統(tǒng)的性能進一步提高，實現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機機；機機界面更加友好。機變機傳感技術：機變機中的傳感變動用日益重要，除采用傳統(tǒng)的變置、高度、加高度等傳感變機，裝配、焊安機變機還應用了激光傳感變、視覺傳感變和力傳感變，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產機變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機變機的動畢性能和對環(huán)境的適應性。網絡與光功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機變機機機變已實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總機及一些網絡的聯(lián)安，使機變機由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機變機由過去的專用畢備向標準化畢備發(fā)展。1.3 焊接機械手的主要組成（1）機械手系統(tǒng)包括：由移動式或固定式的操作機、電源、控制系統(tǒng)以及操作并監(jiān)控機械手的裝置、外部設備或傳感器的通訊接口所組成的機械手控制裝置（硬件和軟件） ；末端執(zhí)行器；機械手完成作業(yè)所需的外部設備、裝置或傳感器。所用的外部設備均由機械手的控制系統(tǒng)管理。（2）手臂和手腕是機械手操作機中的基本部件，它由旋轉運動和往復運動的機構組成。其結構形式是多種多樣的，但多數(shù)機械手的手臂和手腕是由關節(jié)和桿件構成的空間機構，一般由 3-10 個自由度組成，工業(yè)機械手一般為 3-6 個需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397633自由度。由于機械手具有多自由度手臂、手腕的機構，使操作運動具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動機的特點。（3）機器臂的控制：在電動伺服系統(tǒng)中，驅動機械臂各關節(jié)的是步進電機或直流伺服電機。步進電機從驅動器得到一系列脈沖信號，每個脈沖信號使步進電機軸產生一定的角位移。一般不需要反饋回路和位置編碼器，控制比較簡單。采用直流伺服電機的控制系統(tǒng)以測速器和角度編碼作為反饋裝置，能夠精確地控制機械臂關節(jié)軸的運動，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉速度可以連續(xù)調節(jié)，對加速和減速指令都能迅速作出反應。（4）腕部機構支承機械手手部裝置并調整其姿態(tài)，一般有 2-3 個自由度，使位于機械臂末端的手爪產生俯仰擺動和繞自身軸線的轉動，這些運動的合成，使機械手的手部相對于操作對象形成靈活的工作姿態(tài)。（5）機械手的手部裝置又稱末端執(zhí)行器。根據作業(yè)性質不同，機械臂末端的執(zhí)行器有不同形式。① 焊接機械手和噴涂機械手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械手一般采用真空吸附式末端執(zhí)行器，利用吸盤內壓力與大氣壓力之間的差值產生吸附作用力；③ 對于一般的物料搬運和裝配機械手，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 運送鐵磁物質的機械手還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。1.4 主要內容（1）本焊接機械手的簡介和發(fā)展概況，及其基本的工作原理；（2）本焊接機械手的結構分析，手臂、軸承、諧波齒輪減速器等結構方案選擇設計說明；（3）本焊接機械手傳動方案設計和傳動參數(shù)的設計計算說明；（4）本焊接機械手結構的設計與校核及其重要結構參數(shù)的設計計算說明。需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976342 總體結構設計2.1 機械手總體結構的類型工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下:（1）直角坐標機器人結構直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。（2）圓柱坐標機器人結構圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。（3）球坐標機器人結構球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。（4）關節(jié)型機器人結構關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人[19] 。本題目規(guī)格參數(shù):腰部回轉最大角度 280 度；擺動最大角度 120 度；工作范圍范圍 0-450mm；本機械手的主要動作是：首先腰部回轉機械臂和焊點處于同一平面；接著大臂回轉，調整焊槍和焊點的距離；然后小臂回轉，使焊槍接觸焊點；最后腕部回轉，使焊槍和焊點垂需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397635直，達到焊接的目的。2.2 設計具體采用方案具體到本設計，因為焊槍質量約 0.5KG，且考慮到焊接機械手的加工精度，應盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要四種運動,腰部回轉；大臂回轉；小臂回轉；腕部回轉。綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為四。因此選擇關節(jié)型機械臂。具體到本設計，要求工作區(qū)間 0-450mm，擴大到 0-60mm，為擴大 1/3 倍。因為 A2+b2≥2ab 。所以當 c 一定時，a=b 機械臂為最短。6002=2a2。A≈424.3，又因為小臂比大臂更靈活，活動更頻繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部） =100mm。整體布局如圖：圖 2.1 整體尺寸設計圖需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976363 主要零部件設計3.1 底座部分設計3.1.1 底座的工作方式機器人底座的結構設計要求：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面，要有調整軸承間隙和傳動間隙的調整機構。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；上部分是一個轉臺作用是支撐和旋轉，帶動大臂以上部分做旋轉運動，是圓弧形的。上部分也稱做腰部，腰部回轉由一級齒輪傳動和諧波齒輪組成，如底座部件圖所示在結構布置上，電機、諧波減速器和小齒輪均在腰上隨腰座一起回轉；而大齒輪固定在機座上。這樣布局對裝飾、潤滑方便，但增大了腰部回轉的轉動慣量。底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉矩，把諧波減速器傳出的轉矩傳動到小齒輪上，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，諧波減速器的剛輪和諧波減速器的外殼聯(lián)結，諧波減速器的外殼又和機器人的大臂用螺栓連接；當?shù)鬃碾姍C工作時，諧波減速器的剛輪不動，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，小齒輪又和大齒輪相嚙合，大齒輪通過齒輪座固連于下底座上，所以小齒輪帶著諧波減速器和機器人大臂以上的部件，繞著大齒輪做旋轉運動。實現(xiàn)了焊接機器人繞 Z 向旋轉的自由度。3.1.2 底座的電動機的選擇步進電機從驅動器得到一系列脈沖信號，每個脈沖信號使步進電機軸產生一定的角位移。一般不需要反饋回路和位置編碼器，控制比較簡單。采用直流伺服電機的控制系統(tǒng)以測速器和角度編碼作為反饋裝置，能夠精確地控制機械需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397637臂關節(jié)軸的運動，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉速度可以連續(xù)調節(jié)，對加速和減速指令都能迅速作出反應。在機械手的電動機設計計算過程中，采用混合式步進電動機，混合式步進電動機即是一種兼有反應式（機械設計手冊 5 版 35-84 頁）底座電機選用 90BYG5503 型號，如下表：型號 步距角 相數(shù)驅動電壓/V相電（流）/A靜轉距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉 14 動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg90BYG 55030.36/0.72 5 50 3 7 2200 ≥30 5.1 5.0 6.03.1.3 底座上諧波齒輪傳動的設計（1）諧波減速器在機器人中的應用 由于諧波減速器裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高，體積小，質量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。此次設計中分別在底座，大臂，小臂上用了三個諧波減速器。目前工業(yè)機器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設計選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動 如圖 4—18a 所示，是由三個基本構件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪 6，杯形柔輪 1 和由柔性軸承 5、橢圓盤 4 構成的波發(fā)生器，它通過端面牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連。這種沒有單獨外殼的由三大基本構件形成一個組合件的結構形式，使傳動裝置的結構更為簡化和緊湊。（2）諧波減速器工作原理需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397638諧波齒輪傳動的工作原理如圖 4—16 所示，若剛輪 G 為固定件，波發(fā)生器為主動件，柔輪 R 為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內孔時．由于波發(fā)生器兩滾子外側之間的距離略大于柔輪內孔直徑，使原為圓形的柔輪產生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉方向不同分別處于“嚙人”或“嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉時，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的剛輪沿與波發(fā)生器轉向相反的方向作低速回轉，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡諧波形，因此，這種傳動稱為諧波傳動。若柔輪固定，剛輪從動，其工作過程完全相同，只是剛輪的轉向與波發(fā)生相反。（3）傳動比計算如圖 4—16 所示，波發(fā)生器有兩個觸頭，產生兩個嚙合區(qū)，故稱雙波發(fā)生器，若波發(fā)生器有三個觸頭，則可產生三個嚙合區(qū)，此時稱三波發(fā)生器。對雙波傳動，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應為 2，三個波傳動其齒數(shù)差應為 3，由于結構上的原因，單波或三波以上的傳動很少用，常用的是雙波傳動。從傳動效率考慮和實際應用需要，常用的諧波傳動可分以下兩種情況：1） 、波發(fā)生器主動，剛輪固定，柔輪從動時，波發(fā)生器與柔輪的減速傳動比為 i = 　　　　 （４－５２）G HR nRGZ??式中 , ——分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)； ， ——分別為波發(fā)生ZHnR器和柔輪的轉速。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 RGHGRZNi??需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397639式中 ——剛輪的轉速，其余同式（４－５２）Gn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１，反之，柔輪主動而剛輪從動，其傳動比略小于１。根據底座的這種運動要求，以及底座運動的轉動慣量，我們選用標準的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格 產品型號 模數(shù) m 減速比 i 額定輸入轉速 r/min 額定輸出力矩 N·m８０ ＸＢ－８０－ ２０２Ｂ ０．２ ２０２ ≤３０００ １２０其外形及安裝尺寸如下表：機型 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ115 77 81．6 15 80 3 4 6.5 105Ｊ Ｋ Ｌ Ｏ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ８０14 5 16．3 26 5 6 5．5 36 453.1.4 底座軸的設計底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉矩，把諧波減速器傳出的轉矩傳動到小齒輪上，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，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= = =160.3NRAVFLdra2?Ⅱ 147.02.98365??= + =982+160.3=1142.3NBrRAV需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976310計算彎矩截面 c 右側彎矩 = =1142.3 =80.06N.mcvMRBVF2L2147.0?截面 c 左側彎矩 = =160.3 =11.88N.m'cvRAV.3、繪制水平彎矩圖(圖 c)軸支承反力 = = = =1309NRAHFB2t618截面 c 處彎矩 = =1309 =96.2N.mCMRAL247.0?4、繪制合成彎矩圖(圖 d)= = =125.4N.mC22CHV?280.69.?= = =95.06N.m' 2')( 21..5、繪制轉矩圖(圖 e)T=9.55 =9.55 =260N.mnp310?403?6、繪制當量彎矩圖(圖 f)轉矩產生的扭剪應力按脈動循環(huán)變化，取 =0.6,截面 c 處的當量彎矩為?= = =202N.mecM22)Tc??2215.(.6)??7、校核危險截面的強度= = =2.77Mpa<55Mpae?31.0dc390.需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763113.1.5 底座傳動齒輪的設計（1）齒輪齒數(shù)的計算根據各傳動副的傳動比，由《機械制造裝備設計》表 3-6 確定各齒輪齒數(shù)取 =30 =72 則 =421zzs'1z=32 =72 則 =402'2各齒輪的設計計算：（2）齒輪接觸疲勞強度計算=33, =471z2td1?321][4)(Htuzk??1)確定公式內的各計算數(shù)值1、 =1.32 tk2、計算小齒輪名義轉速T =9.55 10 =9.55 10 N·mm= N·mm1?61pn?67.5051.2790?3、查表 =0.8（齒寬系數(shù)）d?4、節(jié)點區(qū)域系數(shù) =2.5Hz5、由表 12-12 查取彈性系數(shù) =189.8EzMpa6、由圖 12-20 和圖 12-21 查得=590mpa, =480mpa,1Hjim?lim2H?需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976312=450mpa, =390mpalim1F?lim2F?7、計算應力循環(huán)次數(shù)=60 kth=60 560 1 (2 8 300 10)=1.61 101Nn???9= = =1.288 1021u9.60598、由圖 12-22 查取接觸疲勞強度壽命系數(shù)=1, =11Nz29、計算許用應力。取失效概率為 1%，接觸疲勞強度最小安全系數(shù) =1Hs= = =590mpa1][H?lim1hNzS590?= = =480mpa2][li2Hzs4812)設計計算1、計算小齒輪分度圓直徑 d t1d mm=90mmt?5 2221.3790(.)(.5189.).84XX?2、圓周速度v = = =2.6376m/st160tn?π 3.90561?3、確定載荷系數(shù)=1Ak= =1H?F=1.14, =0.17 ( =46.06)s?m?tb所以 = = + =1.14+0.17=1.31ksmk?=39.07, =0.019312所以 =1+（ ）=1.53v239.0724.6371.5.19)01462???k= =1 1.53 1.31 1=2.0043AkH?V??4、按實際載荷系數(shù)校正小齒輪分度圓直徑計算值需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976313= =98 =133.97mm1dt3tk?32.041（3）確定主要幾何參數(shù)和尺寸1)模數(shù) m= = =3.67 取整標準值為 m=41dz3.972)分度圓直徑 = =4 33=1321?=m =4 47=18813)中心矩 a=0.5m( + )=0.5 4 (33+47)=1601z24)齒寬 取 = =401b23.1.6 底座軸承的選擇1.對于與電機軸相聯(lián)的軸為主動軸，軸所受的載荷較小，且為高速軸，根據已知條件 ?60，轉速較高，主要受徑向力的影響，故選用深溝球軸承，主要承受一定的雙向軸向載荷，極限轉速較高，這類軸承結構緊湊，重量輕，價格便宜，供貨方便，應用較廣。2.對于主軸（即腰部支承軸承）上因存在徑向力和軸向力，有較高的使用要求，分別承擔徑向載荷和軸向載荷，而且有一定的沖擊載荷，但軸承的轉速較低，故選用環(huán)形軸承。環(huán)形軸承精度高，剛度大，負荷力大，裝配方便，可以承受徑向力，軸向力及傾覆力矩，許多機械手都采用這種軸承作為腰部支撐元件。環(huán)形軸承種類很多，有用滾球的，也有用滾柱的。查手冊 高速軸選用深溝球軸承 6209腰部軸承選用環(huán)性交叉滾子軸承 CRB120253.軸承的校核計算兩個 6012 型軸承轉速 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?C,預壽命 10000h.解：軸承 1 承受的負載較重，經驗算軸承 1 的當量載荷為 P=xFr+yFa查機械設計手冊 6012 形軸承 Cr=31500N C0r=24200N深溝球軸承 X0=0.6 Y0=0.5P1= xFr1+yFa1=376N軸承的壽命由公式計算得 16667/n(ftC/fpP)3=16667/1460(1x31500/1.2x376)3 壽命足夠。3.2 大臂部分設計3.2.1 大臂的工作方式需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976314手臂結構設計要求1)手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長度、手臂關節(jié)的轉角范圍密切相關2)根據手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料，如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其抗彎剛度和扭轉剛度，減輕自身的重量。空心結構內部可以方便地安置機器人的驅動系統(tǒng)。3)盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅動裝置的負荷；減少運轉的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。4)要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度，采用緩沖和限位裝置提高定位精度。焊接機器人的大臂采用電機、諧波減速器和關節(jié)軸線同軸的傳動方式，結構簡單，傳動路線最短。大臂上的諧波減速器采用的是柔輪不動，剛輪動的方式；諧波減速器的剛輪與機器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過支撐法蘭固定在臂座上，驅動電機的輸出軸用鍵與驅動軸相連，軸與套筒用鍵連接，并一同轉動。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛性連接，套筒通過鍵與固定 在支撐法蘭盤上的電磁制動器相聯(lián)。帶內圈的從動剛輪與大臂殼體相固聯(lián)。因此大臂殼體與剛輪一起在軸承上轉動。這種伺服電機經諧波減速器減速后驅動的手臂關節(jié)結構緊湊，手臂的轉角范圍大。電動機驅動的關節(jié)型機器人的大臂是用高強度鋁合金材料制成的薄壁框形結構，其運動都是采用齒輪傳動，傳動剛性較大。 3.2.2 大臂電動機的選擇大臂電動機是驅動大臂做擺動，選用 75BYG4501 型號，如下表：型號 步距角 相數(shù)驅動電壓/V相電（流）/A靜轉距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg75BYG 4501 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 ≥15 0.9 2.5 1.53.2.3 大臂上諧波齒輪傳動的設計（1）諧波減速器在機器人中的應用 由于諧波減速器裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高，體積小，量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。此次設計中分別在，大臂上用了一個諧波減速器。目前工業(yè)機器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設計選用的是帶杯需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976315形柔輪的諧波傳動 如圖 4—18a 所示，是由三個基本構件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪 6，杯形柔輪 1 和由柔性軸承 5、橢圓盤 4 構成的波發(fā)生器，它通過端面牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連。這種沒有單獨外殼的由三大基本構件形成一個組合件的結構形式，使傳動裝置的結構更為簡化和緊湊。（2）諧波減速器工作原理諧波齒輪傳動的工作原理如圖 4—16 所示，若剛輪 G 為固定件，波發(fā)生器為主動件，柔輪 R 為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內孔時．由于波發(fā)生器兩滾子外側之間的距離略大于柔輪內孔直徑，使原為圓形的柔輪產生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉方向不同分別處于“嚙人”或“嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉時，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的剛輪沿與波發(fā)生器轉向相反的方向作低速回轉，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡諧波形，因此，這種傳動稱為諧波傳動。 根據大臂的這種運動要求，以及大臂運動的轉動慣量，我們選用標準的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格 產品型號 模數(shù) m 減速比 i 額定輸入轉速r/min額定輸出力矩N·m８０ ＸＢ－８０－２０２Ｂ０．２ ２０２ ≤３０００ １２０其外形及安裝尺寸如下表：需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976316機型 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ115 77 81．6 15 80 3 4 6.5 105Ｊ Ｋ Ｌ Ｏ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ８０14 5 16．3 26 5 6 5．5 36 453.3 小臂部分設計3.3.1 小臂的工作方式小臂采用電動機、諧波減速器和關節(jié)軸線同軸的傳動方式，結構簡單，傳動路線最短。小臂上的諧波減速器也采用的是柔輪不動，剛輪動的方式；諧波減速器的剛輪與機器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過支撐法蘭固定在臂座上，驅動電機的輸出軸用鍵與驅動軸相連，軸與套筒用鍵連接，并一同轉動。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛性連接，套筒通過鍵與固定在支撐法蘭盤上的電磁制動器相聯(lián)。帶內圈的從動剛輪與小臂殼體相固聯(lián)。因此小臂殼體與剛輪一起在軸承上轉動。這種伺服電機經諧波減速器減速后驅動的手臂關節(jié)結構緊湊，手臂的轉角范圍大。電動機驅動的關節(jié)型機器人的小臂是用高強度鋁合金材料制成的薄壁框形結構，其運動都是采用齒輪傳動，傳動剛性較大3.3.2 小臂電動機的選擇小臂電動機是驅動小臂做上下運動，選用 75BYG4502 型號，如下表：型號 步距角 相數(shù)驅動電壓/V相電（流）/A靜轉距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg75BYG 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 ≥15 0.9 2.5 1.5需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397631745013.3.3 小臂上諧波齒輪傳動的設計諧波減速器在機器人中的應用 由于諧波減速器裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高，體積小，質量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。此次設計中在小臂上用了一個諧波減速器。目前工業(yè)機器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設計選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動 如圖 4—18a 所示，是由三個基本構件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪 6，杯形柔輪 1 和由柔性軸承 5、橢圓盤 4 構成的波發(fā)生器，它通過端面牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連。這種沒有單獨外殼的由三大基本構件形成一個組合件的結構形式，使傳動裝置的結構更為簡化和緊湊。由于小臂的轉動慣量相對比較小，而且結構比較緊湊，因此在設計中采用諧波減速器直接驅動小臂運動的方式。步進電機驅動諧波減速器的波發(fā)生器，將運動傳遞給柔輪，由于剛輪不動柔輪動，電機的運動得到一定比例的減速！傳動比為１：２００。諧波減速器的柔輪與一驅動短軸相聯(lián)系，而短軸的另一端則與小臂體上的聯(lián)接體相連，聯(lián)接體是與小臂鑄成一體的，這樣就實現(xiàn)了步進電機驅動小臂作Ｘ軸的旋轉運動。根據小臂的這種運動要求，以及小臂運動的轉動慣量，我們選用標準的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格 產品型號 模數(shù) m 減速比 i 額定輸入轉速r/min額定輸出力矩N·m４０ ＸＢ－４０－２００Ｂ０．１ ２００ ≤３０００ １６其外形及安裝尺寸如下表：需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976318機型 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ64 40 40.6 8 40 2 4 4.5 57Ｊ Ｋ Ｌ Ｏ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ４０8 2 9 12 4．5 6 3．5 20 283.4 手腕部分設計3.4.1 手腕的設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)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標（自由度）的基礎上，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，即實現(xiàn)三個旋轉自由度。通過機械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。手腕能實現(xiàn)繞空間三個坐標軸的轉動，即回轉運動、左右偏擺運動和俯仰運動。當有特殊需要時，還可以實現(xiàn)小距離的橫移運動。手腕的自由度愈多，結構和控制愈復雜。因此，應根據機器人的作業(yè)要求來決定其應具有的自由度數(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）設計要求對工業(yè)機器人手腕設計的要求有：1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結構緊湊，減少其質量和體積。為此腕部機構的驅動裝置多采用分離傳動，將驅動器安置在手臂的后端。2）手腕部件的自由度愈多，各關節(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)的適應能力也愈強。但增加手腕自由度，會使手腕結構復雜，運動控制難度加大。因此，在設計時，不應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，根據作業(yè)實際需要，可減少其自由度數(shù)，甚至可以不設置手腕以簡化結構。3）為提高手腕動作的精確性，應提高傳動的剛度，應盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產生的反轉回差。如齒輪傳動中的齒側間隙，絲杠螺母中的傳動間隙；聯(lián)軸器的扭轉間隙等。對分離傳動采用鏈、同步齒帶或傳動軸傳動。4）對手腕回轉各關節(jié)軸上要設置限位開關和機械擋塊，以防止關節(jié)超限造成事故。3.4.2 手腕工作方式具有兩個自由度的機械傳動手腕結構如下圖所示之手腕結構，手腕的驅動電動機安裝在大臂關節(jié)上，經諧波減速器用兩級鏈傳動將運動通過小臂關節(jié)傳遞到手腕軸 10 上的鏈輪 4、5。帶傳動 6 將運動經帶輪 4、軸 10 和圓錐齒輪9、11 帶動軸 14(其上裝有機械接口法蘭盤 15)作回轉運動，帶傳動 7 將運動經需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976319帶輪 5 直接帶動手腕殼體 8 實現(xiàn)上下俯仰擺動。當帶傳動 6 和帶輪 4 不動，使帶傳動 7 和帶輪 5 單獨轉動時，由于軸 10 不動，轉動的殼體 8 將迫使圓錐齒輪11 作行星運動，即齒輪 11 隨殼體 8 作公轉(上下俯仰夕)，同時還繞軸 14 作附加的自轉運動。手腕的驅動電機放置于小臂的末端，靠梯形齒同步帶將動力源傳送到手腕的驅動軸上，實現(xiàn)手腕關節(jié)的運動。同步帶傳動效率高，可達 98%～99.5%,節(jié)能效果大.與 V 帶和平帶傳動相比,傳動比準確,無彈性滑動 ,傳動比可大到 10,速度大到 40m/s,負載能力強、結構緊湊，帶的伸縮率小。此外，帶傳動傳動平穩(wěn)、噪聲小，不需要潤滑。因此同步帶傳動在機器人中也得到了廣泛的應用。本次設計參考了這方面的優(yōu)勢，通過查閱書籍確定采用此種結構。3.4.3 手腕電動機的選擇手腕電動機設計為兩個，第一個主要作用是使手腕實現(xiàn)轉動，第二個主要作用是使手腕實現(xiàn)上下擺動作用。兩個電機都選用 75BYG4503 型號，如下表：型號 步距角 相數(shù)驅動電壓/V相電（流）/A靜轉距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg75BYG 45010.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 ≥15 0.9 2.5 1.5需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763203.4.4 手腕軸承的選擇（1） ．對于與電機軸相聯(lián)的軸為主動軸，軸所受的載荷較小，且為高速軸，根據已知條件 ?20，轉速較低，主要受徑向力的影響，故選用深溝球軸承，主要承受一定的雙向軸向載荷，極限轉速較高，這類軸承結構緊湊，重量輕，價格便宜，供貨方便，應用較廣。查手冊 高速軸選用深溝球軸承 62007 （2）軸承的校核計算兩個 6012 型軸承轉速 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℃,預壽命 10000h.解：軸承 1 承受的負載較重，經驗算軸承 1 的當量載荷為 P=xFr+yFa查機械設計手冊 6012 形軸承 Cr=31500N C0r=24200N深溝球軸承 X0=0.6 Y0=0.5P1= xFr1+yFa1=376N軸承的壽命由公式計算得 16667/n(ftC/fpP)3=16667/1460(1x31500/1.2x376)3 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= = =160.3NRAVFLdra2?Ⅱ 147.02.98365??= + =982+160.3=1142.3NBrRAV計算彎矩截 面 c 右 側 彎 矩 = =1142.3 =80.06N.mcvMRBVFL7?截 面 c 左 側 彎 矩 = =160.3 =11.88N.m'A3 繪制水平彎矩圖(圖 c)軸 支 承 反 力 = = = =1309NRAHFB2t8截 面 c 處 彎 矩 = =1309 =96.2N.mCMRAL47.?4 繪制合成彎矩圖(圖 d)需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976321= = =125.4N.mCM22CHV?280.69.?= = =95.06N.m' ')(5 繪制轉矩圖(圖 e)T=9.55 =9.55 =260N.mnp310?4103?6 繪制當量彎矩圖(圖 f)轉矩產生的扭剪應力按脈動循環(huán)變化，取 =0.6,截面 c 處的當量彎矩為?= = =202N.mecM22)c??22.(.)?7 校核危險截面的強度= = =2.77Mpa<55Mpae?31.0dc390.?4 控制系統(tǒng)設計4.1 電氣設備概述本焊接機械手可實現(xiàn)五個自由度的運動，即 PLC 和光電編碼器相協(xié)調控制，程序的選擇可在電氣操作的轉換由要安裝在機器的傳感器進行控制。4.1.1 電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設計根據 PLC 輸出端的特點，本系統(tǒng)共需以下四種電壓：（1）作為 PLC 電源的交流 220 伏需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976322（2）線圈所需電源交流 100 伏（3）電磁鐵所需電源直流 24 伏（4）原點指示燈所需電源交流 6.3 伏變壓系統(tǒng)的左右兩端均采用空氣斷路器作為短路保護及長期過載保護，其中直流 110 伏需要安裝整流器。4.1.2 電氣控制的部分設計（1）PLC 應用概述可編程序控制器（Programmable Controller）簡稱 PC，早期也稱為PLC(Programmaboe Logic Controller)，區(qū)別于個人計算機的 “PC”（Personal Computer） 。 PLC 是從 60 年代末發(fā)展起來的一種新型的電氣控制裝置，它將傳統(tǒng)的控制技術和計算機控制技術、通信技術融為一體，以其顯著的優(yōu)點正被廣泛地應用于各種生產機械和生產過程的自動控制中。傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制雖具有其自身的特點，但其控制裝置體積大，動作速度較慢，耗電較大，功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有的接線和控制盤就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。PLC 的應用領域非常廣，并正在迅速擴大。對早期的 PLC，凡是有繼電器的地方，都可采用。而對當今的 PLC，幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC。尤其是近幾年來，PLC 的成本下降，功能又不斷增強，所以，目前 PLC 在國內外已被廣泛應用于冶金、機械、石油、化工、輕工、電力、建筑、交通運輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)。一般來說，小型 PLC 主要用于單機自動化，而大、中型 PLC 則是自動生產線上不可缺少的控制部件。PLC 主要有以下幾種控