【正文】 1 點焊 機器人焊接手 臂 設(shè)計 一 引言 工業(yè)機器人簡介 及定義 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人 泰洛斯（ Taloas），猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。 到了近代，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一胎工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓 家 機器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機器人有操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置比構(gòu)成，之一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化生產(chǎn)設(shè)備。貼吧適用于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機械特長的一種擬人的電子機械裝置，即有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng) 和分析判斷能力，又有機械可長時間持續(xù)工作、精確 度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人，工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的及其裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。 世界機器人的發(fā)展 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： （ 1） .工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高 精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 晚美元降至 97 年的 晚美元。 （ 2） .機械結(jié)構(gòu)像模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 ； 由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)成機器人整機 ；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 （ 3） .工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的 開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （ 4） .機器人的傳感器作用日益重要，處采 用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人 還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺、等多傳感器的融合技術(shù)進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （ 5） .虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操作機器人。 （ 6） .倒帶遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)， 使智能機器人走 出實驗室進入實用化階段，美國發(fā)射到火星上的?索杰納?機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 （ 7） .機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出?虛擬軸機床?以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 2 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 有人認為，應(yīng)用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。 它不僅能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開 發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 我國的工業(yè)機器人從 80年代?七五?科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過?七五?、?八五?科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出 噴漆、 弧焊、電焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人 在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來說，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外技術(shù)比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺， 約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。醫(yī)生原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，?已客戶 ,一次重新設(shè)計?，品種規(guī)模多 、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、規(guī)模設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)進程。 我國的智能機器人和特種機器人在? 863?計 劃的支持下，也獲得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人 6000 米水下無纜機器人的成果居設(shè)計領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬臂機器人、管道機器人等機種，在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)，遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套科供實用的技術(shù)和產(chǎn)品 ，以期在?十五?后期立于世界 先進行列中。 二 緒論 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，即電焊和電弧焊。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全包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，因此，在某種意義上來說，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。 總所周知，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，諧波減速器的原理以及選擇，腕部轉(zhuǎn)動軸的校核， 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 。 三 設(shè)計 1 臂 部 的設(shè)計 臂力的確定 3 目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的臂力最小為 ，最大為 8000N。本液壓傳動機械手的臂力為 N臂 =1650（ N），安全系數(shù) K 一般可在 ~3，本機械手取安全系數(shù) K=2。定位精度為177。 1mm。 工作范圍的確定 機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求哈操作暈的的軌跡確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作 的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。 本機械手的動作范圍確定如下： 手腕 回轉(zhuǎn)角度177。 115176。 手臂伸長量 150mm 手臂回轉(zhuǎn)角度177。 115176。 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm 確定運動速度 機械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定 各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成加緊工件、手臂升降、伸 縮、回轉(zhuǎn)、平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。 機械手的總動作時間應(yīng)小于或等著工作節(jié)拍，如果兩個動作同時進行，要按時將長的計算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運動時間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間； ② 伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。 在滿足節(jié)拍要求的條件下，應(yīng)盡量選取較低的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大 關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。 ③ 在工作節(jié)拍短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。 液壓上料機械手的各動作運動速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 =40176。 /s 手臂伸縮速度 V臂伸＝ 50mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 ＝ 40176。 /s 手臂升降速度 V臂升＝ 50mm/s 立柱水平運動速度 V柱移＝ 50mm/s 手指加緊油缸的運動速度 V夾＝ 50mm/s 手臂的配置形式 機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式，機座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運和安放，機座底部也可以安裝行走機構(gòu) ，以擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標性，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍較大。 位置檢測裝置的選擇 機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關(guān)型、模擬型和數(shù)字式 。本機械手采用行程開關(guān)型。 利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機械手中，用行程開關(guān)與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應(yīng)用也是最多的。 機械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、 4 體積小、維修方便、成本低的方式。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數(shù)機械手均需進行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計。 驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。 參考《工業(yè)機器人》表 96 和表 97，按照設(shè)計 要求，本機械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為固定程序 PLC控制。 2 手部結(jié)構(gòu) 直接用于抓取和握緊工件或加緊專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)果不像人手，它的手指形狀也不像人的手指，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它們的使用場合和被加持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)以及被抓取部位不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式、七吸式、電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)形式 比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜懈杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式 ......等，這里采用滑槽杠桿式。 應(yīng)考慮的幾個問題 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮傳感或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 ②手指間有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度成為手指開閉角。手指的開閉角保證工