【正文】 件的質(zhì)量及慣性力，外界的作用力 ） 來確定。同時(shí)還可對機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度、關(guān)節(jié)幾何運(yùn)動(dòng)精度等提出要求。由于片狀石墨存在，故耐磨性好。取安全系數(shù) K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： mNTT Lj . ?? (33) 若考慮繞 機(jī)械手 手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩 等， 取 Tjmax= 機(jī)座混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 選用 杭州易登科技有限公司生產(chǎn)的 110BYG3502B 型號(hào)， 其相關(guān)參數(shù)及安裝尺寸如下表、下圖所示： 表 110BYG3502B 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù) 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū) 動(dòng)電壓(V) 相電流 (A) 靜 轉(zhuǎn)矩(N178。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得嚙入、完全嚙合、嚙出、完全脫開這四種情況依次變化，循環(huán)不已。本設(shè)計(jì) 整體最高轉(zhuǎn)速要求 30r/min。 ３、 立柱 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器及 諧波傳動(dòng) 減速器。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求機(jī)械手有效工作半徑 ，擴(kuò)大到 1m,擴(kuò)大了 1/4。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 30212GB/T 297— 94 型軸承 Cr=1020xxN C0r=130000N 深溝球軸承軸承 X= Y= P=XFr+YFa= 軸承的壽命由公式計(jì)算得 ft=1。大臂上的諧波傳動(dòng)減速器采用的是柔輪不動(dòng)，剛輪動(dòng)的方式；諧波傳動(dòng)減速器的剛輪與 機(jī)械手 的大臂用螺栓相連，且卡在大臂上，帶動(dòng)大臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)?？招慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)部可以方便地安置 機(jī)械手 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 立柱軸承的選擇 對于與 諧波傳動(dòng)減速器 相聯(lián)的 立柱 ， 因存在徑向力和軸向力，有較高的使用要求，分別承擔(dān) 徑向載荷和軸向載荷，軸所受的 徑 向載荷 較小，主要受 軸 向 載荷 的影響，軸 向載荷因要支持整個(gè) 立柱 及其 以上 全部的重量和載荷， 而且有一定的沖擊載荷，但軸52 ???? bhW貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 22 頁 承的轉(zhuǎn)速較低 ， 故選用 圓錐滾子 軸承 ，主要承受一定的雙向 軸 向載荷，這類軸承結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，價(jià)格便宜，供貨方便，應(yīng)用較廣 。 立柱的材料選擇 本設(shè)計(jì)選擇 立柱 的材料為 45 鋼調(diào)質(zhì)，由 資料 [7]查得 MPaB 640?? MPab 95][ 0 ?? MPab 60][ 1 ??? 。 立柱結(jié)構(gòu)的合理性關(guān)系到整個(gè) 機(jī)械手穩(wěn)定性， 因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手 立柱 結(jié)構(gòu)時(shí) ， 有以下設(shè)計(jì)要求： １、由于 立柱 要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手 立柱 的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力，且 立柱 是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意精度與剛度。從傳動(dòng)效率考慮和實(shí)際應(yīng)用需要，常用的諧波傳動(dòng)可分以下兩種情況： （ 1）波發(fā)生器主動(dòng)，剛輪固定，柔輪從動(dòng)時(shí)，波發(fā)生器與柔輪的減速傳動(dòng) 比為 iG HR= Hnn RGRZZZ?? ? （ 34） 式中 GZ , RZ —— 分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)； Hn ， Rn —— 分別為波發(fā)生器和柔輪的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)、能源、電子工業(yè)、石油工業(yè)、軍事工業(yè)、 機(jī)械手 、假肢、機(jī)床、儀器儀表、紡織機(jī)械儀器儀表、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、醫(yī)療器械、食品加工機(jī)械等領(lǐng)域， 其剖視圖如圖 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求機(jī)械手有效工作半徑 ，擴(kuò)大到 1m,擴(kuò)大了 1/4。 如 圖 所示， 機(jī)座用 螺釘 連接并用螺釘 固定在地面上，作用是固定和支撐立柱及以上等部分 ，使其工作穩(wěn)定 。 額定速度 額定速度 是 指工業(yè) 機(jī)械手 在額定 負(fù)載、勻速運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械接口 處 中心的最大速度。 綜上各控制方式的特點(diǎn)，由于 本 設(shè)計(jì)的焊接 機(jī)械手，其功能是 對 工件 進(jìn)行點(diǎn)焊 ，運(yùn)動(dòng)簡單，因此，采用點(diǎn)位控制方式。 （ 2）軌跡式控制 在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器按照示貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 13 頁 教的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波傳動(dòng)、RV 擺線針輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和多桿機(jī)構(gòu)等）。 （ 2）氣壓驅(qū)動(dòng)式 其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便。 4）運(yùn)送鐵磁物質(zhì)的 機(jī)械手 還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機(jī)械手的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，一般由 310 個(gè)自由度組成，工業(yè)機(jī)械手一般為 36 個(gè)自由度。本設(shè)計(jì)中機(jī)身采用固定式的。因此 本設(shè)計(jì) 選擇 的焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu) 類型為關(guān)節(jié)型 機(jī)械 手 結(jié)構(gòu)。這 種 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度 一般， 主要 應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 多關(guān)節(jié)型 自動(dòng) 焊接 機(jī) 械手 總體結(jié)構(gòu)類型 工業(yè) 機(jī)械手 的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 、 圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 、 球坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 和 關(guān)節(jié)型貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁 結(jié)構(gòu)四種。采用 機(jī)械手 焊接，工人只需裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、炯霧和飛濺等。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。 最后，分別畫出 焊接 機(jī)械手的裝配圖、 PLC 外部 接線圖 、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、步進(jìn)梯形圖 以及 焊接 機(jī)械手自動(dòng) 或手動(dòng) 運(yùn)行流程圖。 ， 以 便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直 接減少人力的一個(gè) 方 面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè) 方 面。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采 用步進(jìn)電機(jī) 或 直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)方式。 以電焊為例 , 高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線和紅外線 可 對 眼睛及皮膚 造成嚴(yán)重 損傷 ； 電弧焊接時(shí)，焊條中的焊芯、藥皮和金屬母材在電弧高溫下熔化、蒸發(fā)、氧化、凝集，產(chǎn)生大量金屬氧化物及其他物質(zhì)的煙塵，長期吸入可引起焊工塵肺 ；各種焊件和焊條中均含有數(shù)量不等的錳，在通風(fēng)不 好的 場所如船艙、鍋爐或密閉 容器內(nèi)焊 接 ， 會(huì)產(chǎn)生 含 有 錳的煙塵 ，人體 長期吸入可發(fā)生錳中毒。 （ 4） 智能化的傳感器多有應(yīng)用 在上述 167 種機(jī)型中，裝有視覺傳感器的有 94 種，占 ％，不少 機(jī)械手 裝有兩種傳感器，有些 機(jī)械手 留下了多種傳感器接口。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè) 機(jī)械手 技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面： （ 1） 機(jī)械結(jié)構(gòu) 以關(guān)節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型 機(jī)械手 約占總量的 l／ 3(目前世界工業(yè) 機(jī)械手 總數(shù)約為 750000 臺(tái) )， 90 年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、 360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型 機(jī)械手 大量用于焊接和上、下料。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。 國外 機(jī)械手 在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。從第七個(gè)五年計(jì)劃（ 19861990）開始，我國政 府將工業(yè) 機(jī)械手 的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè) 機(jī)械手 ，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂 機(jī)械手 ，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊 機(jī)械手 ，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊 機(jī)械手 ，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載 機(jī)械手 等等。截止 20xx 年，全世界在役工業(yè) 機(jī)械手 約為 萬臺(tái)，其中日本裝備的工業(yè) 機(jī)械手 總量達(dá)到了 60 萬臺(tái)以上，成為“ 機(jī)械手 王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè) 機(jī)械手 數(shù)量居世界前三位。 按用途分： (1) 專用機(jī)械手 附屬于主機(jī)的，具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置，這種工業(yè)機(jī)械工作對象不變，手動(dòng)比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，施用于大批量生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上、下料用。只使用在程序較簡單的點(diǎn)位控制，但作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)作業(yè)已足夠。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和 性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷找鏀U(kuò)大。 驅(qū)動(dòng)部分主要對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行選擇。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。 本設(shè)計(jì)主要對 焊接 機(jī)械手的 執(zhí)行系統(tǒng)即 機(jī)械結(jié)構(gòu)、 驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng) 三大部分 進(jìn)行設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦的功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中的工作，替代人完成繁重、單調(diào)、重復(fù)的勞動(dòng)，從而提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。 按功能分類： (1) 簡易型工業(yè)機(jī)械手 有固定程序 和可變程序兩種。 (3) 計(jì)算 機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)械手 可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)作，還可以進(jìn)行多種控制（ DNC）。我們所說的焊接 機(jī)械手 其實(shí)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(jī)械 手 。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接 機(jī)械手 的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著 機(jī)械手 應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。同時(shí)也要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮 機(jī)械手 的作用。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有向著高精化、高速化、多軸化、輕量化的發(fā)展趨勢發(fā)展。 同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 （ 3） 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 上世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè) 機(jī)械手 中。 （ 6） 集成化與系統(tǒng)化 1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小 機(jī)械手 ，其循環(huán)時(shí)間只有 ，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一 柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用 電氣驅(qū)動(dòng)式電力驅(qū)動(dòng) 。 設(shè)計(jì) 意義 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及 機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度， 進(jìn) 而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。闡述機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)要求、工作方式 ，步進(jìn)電機(jī)的工作原理及計(jì)算與選擇、諧波傳動(dòng)減速器的選擇、軸承的選 擇及校核 。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁 第 二 章 多關(guān)節(jié) 型自動(dòng) 焊接機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 概述 焊接是制造工業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一。采用 機(jī)械手 焊接時(shí)，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響 比 較小，對工人操作技術(shù)的要求 不高 ，因此焊接質(zhì)量穩(wěn)定。 機(jī)械手 的生產(chǎn)節(jié)奏 是 固 定的，因 而 安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。 圓柱坐標(biāo) 機(jī)械手 結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo) 機(jī)械手 的 運(yùn)動(dòng) 空間是 通過 一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 這類機(jī)械手 在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn) 和 裝配等都廣泛采用 此 類型的 機(jī)械手 。一般情況下，實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。 諧波傳動(dòng)減速器的剛輪和機(jī)座連接；當(dāng)機(jī)座上的電機(jī)工作時(shí)，諧波傳動(dòng)減速器的 剛輪不動(dòng)，柔輪動(dòng)，柔輪帶動(dòng)立柱轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)械手繞 Z 向旋轉(zhuǎn)的自由度。 1）焊接 機(jī)械手 和噴涂 機(jī)械手 的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具。其中以液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)用得最多。其他還有采用混合驅(qū)動(dòng)，即液氣或電 液混合驅(qū)動(dòng)。一般來說，機(jī)械手的控制方式有以下幾種： （ 1）點(diǎn)位式控制 很多機(jī)器手要求能準(zhǔn)確地控制末端的工件位置，而路徑卻無關(guān)緊要。 （ 4）智能控制方式 機(jī)械手的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí)，并根據(jù)自身的知識(shí)庫做出相應(yīng)的決策。 根據(jù) 作業(yè)要求確定工作空間，同時(shí)要考慮作業(yè)對象對 機(jī)械手 末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài) 的 要求，以便為后續(xù)設(shè)計(jì)中的自由度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 本設(shè)計(jì)選用限位開關(guān)來保證焊接的準(zhǔn)確性及安全性。鑄造性能和切削加工較好。 M) 空載起動(dòng)頻率( 步 /秒 ) 空載運(yùn)行頻率(千步 /秒 ) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg178。由于柔輪比剛輪的齒數(shù)少 2個(gè) ，所以當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒的角度，從而實(shí)現(xiàn)了大的減速比。 混合式步進(jìn) 電機(jī)在額 定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制 動(dòng)器。 初始取 l1（大臂） =500mm；l2（小臂） =400mm； l3（腕部） =100mm。fp= 310 )(16670 Pf CfnLprth ? =? 108 （ 311） 壽命足夠。柔輪通過一定軸與立柱連接。工作空間的形狀和大小與手臂的長度、手臂 關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān) 根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)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(zhuǎn)剛度，減輕自身的重量。 由于立柱與諧波傳動(dòng)減速器直接相連，本設(shè)計(jì)機(jī)身電機(jī)我選擇輸入轉(zhuǎn)速為 3000 rpm，故諧波減速器輸入轉(zhuǎn)速為 3000 rpm，從而得立柱的輸入功率 P= Kw 輸入轉(zhuǎn)速 n=30 rpm 所受諧波傳動(dòng)減速器輸出 力矩 M1=