【文章內(nèi)容簡介】 了一個圓錐滾子軸承。諧波傳動減速器的剛輪和機座連接；當機座上的電機工作時，諧波傳動減速器的剛輪不動，柔輪動，柔輪帶動立柱轉動，實現(xiàn)了焊接機械手繞Z向旋轉的自由度。立柱旋轉的速度和正反向的控制，可由控制器調(diào)節(jié)電動機的轉速和轉向來實現(xiàn)。（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)和桿件構成的空間結構，一般由310個自由度組成，工業(yè)機械手一般為36個自由度。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)別于一般自動機器的特點。本設計在滿足機械手正常工作條件下，為了簡單結構，沒有設計手腕結構，直接將末端執(zhí)行器與小臂相連。（3）機械手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(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(zhì)的機械手還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。按照本設計的要求機械手末端設計為固定焊槍的夾具。在滿足工作的前提下，本設計的末端執(zhí)行器選用較簡單的機械夾持。驅動系統(tǒng)主要指驅動機械系統(tǒng)動作的驅動裝置。機械手所用的驅動機構主要四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓驅動、氣壓驅動用得最多。（1）液壓驅動式液壓驅動式機械手通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統(tǒng)，由驅動機械手執(zhí)行機構進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達幾百千克以上），其特點是結構緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。（2）氣壓驅動式其驅動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。（3）機械驅動式機械驅動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確實可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其他還有采用混合驅動，即液氣或電液混合驅動。（4）電氣驅動式其特點是電源方便，響應快，驅動力較大（關節(jié)型的持重已達400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅動電機一般采用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅動方式。由于電機速度高，通常須采用減速機構（如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構等）。有些機械手已開始采用無減速機構的大轉矩、低轉速電機進行直接驅動（DD）這既可使機構簡化，又可提高控制精度。綜合以上各驅動機構的特點，由于電氣驅動有著電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳動、處理方便等顯著優(yōu)點，所以選擇電氣驅動作為本設計的驅動方式。控制系統(tǒng)機械手的控制系統(tǒng)相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調(diào)機械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關系。機械手的工作順序、應達到的位置，如手臂的伸縮、升降、旋轉、手指的開閉動作，以及個工作段的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件按照預先調(diào)整好的程序來實現(xiàn)的。一般來說，機械手的控制方式有以下幾種：（1）點位式控制 很多機器手要求能準確地控制末端的工件位置，而路徑卻無關緊要。例如，在印刷電路板上安裝元件、點焊、裝配等工作，都屬于點位式工作方式。這種工作方式比較簡單。（2）軌跡式控制 在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度運動。如果偏離預定的軌跡和速度，就會使產(chǎn)品報廢。其控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，可稱之為軌跡伺服控制。（3）力（力矩）控制方式 在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之外，還要使用適度的力或力矩進行工作，這是就要利用力（或力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。（4）智能控制方式 機械手的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身的知識庫做出相應的決策。采用智能控制方式，使機械手具有較強的環(huán)境適應能力。智能控制技術的發(fā)展有賴于人工神經(jīng)網(wǎng)絡、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。綜上各控制方式的特點，由于本設計的焊接機械手，其功能是對工件進行點焊，運動簡單，因此，采用點位控制方式。而在點位控制方式中，應用比較廣泛的是PLC系統(tǒng)。它是以微處理器為核心，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置，它具有結構簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點，所以，在本次焊接機械手的設計中，采用基于PLC的順序控制方式。 基本技術參數(shù)設計總體方案設計階段首要確定的主要參數(shù)有如下幾相：額定負載額定負載是指在機械手規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處所能承受負載的最大允許值。其主要根據(jù)作用于機械接口處的力和力矩（包括機械手末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力，外界的作用力）來確定。根據(jù)作業(yè)要求確定工作空間，同時要考慮作業(yè)對象對機械手末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)的要求，以便為后續(xù)設計中的自由度設計提供依據(jù)。本設計末端執(zhí)行器主要夾持焊槍。經(jīng)過粗略計算。額定速度額定速度是指工業(yè)機械手在額定負載、勻速運動過程中，機械接口處中心的最大速度。應綜合考慮作業(yè)要求、作業(yè)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)要求、慣性力、驅動與控制方式、定位方式和精度要求等各相因素來確定。本設計為了保證立柱等機構轉動平穩(wěn)，設計最高轉速為30r/min。性能指標性能指標一般指位姿準確度及位姿重復性（點位控制）、軌跡準確度及軌跡重復性（軌跡控制）、最小定位時間及分辨率等。同時還可對機械結構的剛度、關節(jié)幾何運動精度等提出要求。本設計選用限位開關來保證焊接的準確性及安全性。第三章 多關節(jié)型自動焊接機械手機械結構設計 機座的設計 機座機械手機座的結構設計要求：要有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作的穩(wěn)定性。機座承受機械手全部重量和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力。，機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。為了降低成本，在滿足機械強度、剛度和承載能力的條件下，本設計機座選用灰口鑄鐵制成?；铱阼T鐵，含碳量較高（%～%），碳主要以片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰色，簡稱灰鐵。熔點低（1145～1250℃），凝固時收縮量小，抗壓強度和硬度接近碳素鋼，減震性好。由于片狀石墨存在，故耐磨性好。鑄造性能和切削加工較好。用于制造機床床身、汽缸、箱體等結構件。 機座電動機的選擇粗略估計各部分質(zhì)量m0=7kg；m1=7kg；m2=5kg；m3=；立柱半徑估計r=40mm。，擴大到1m,擴大了1/4。初始取l1（大臂）=500mm；l2（小臂）=400mm；l3（手部）=100mm。 計算折算到電機軸的轉動慣量： （31）設輸出軸速度為 所需時間；角加速度折算到電機軸的負載轉矩 （32）考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)Tjmax來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： (33)若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩等，取Tjmax=機座混合式步進電動機選用杭州易登科技有限公司生產(chǎn)的110BYG3502B型號，其相關參數(shù)及安裝尺寸如下表、下圖所示： 110BYG3502B型混合式步進電動機相關參數(shù)型號步距角相數(shù)驅動電壓(V)相電流(A)靜轉矩(NM)空載起動頻率(步/秒)空載運行頻率(千步 /秒)轉動慣量(Kgcm2)相電感(mH)重量(Kg)110BYG3502B176。22203171600≥30 110BYG3502B混合式步進電動機 110BYG3502B混合式步進電動機安裝尺寸DBd (h7)L1bD1(h7)hh1LD2d11101101440456212981079 機座諧波傳動減速器的選擇諧波傳動減速器在機械手中的應用 由于諧波減速器裝置具有傳動比大并且范圍廣、精度高、空回小、承載能力大、效率高、體積小、重量輕、傳動平穩(wěn)、噪聲小、可向密封空間傳遞運動等特點?，F(xiàn)已廣泛應用于空間技術、能源、電子工業(yè)、石油工業(yè)、軍事工業(yè)、機械手、假肢、機床、儀器儀表、紡織機械儀器儀表、印刷機械、包裝機械、起重運輸機械、醫(yī)療器械、食品加工機械等領域。本設計中分別在機身，大臂，小臂上用了三個諧波減速器。 諧波傳動減速器諧波傳動減速器工作原理 a、b、c、d所示，當剛輪固定，波發(fā)生器為主動，柔輪為從動時，柔輪在橢圓形的波發(fā)生器作用下產(chǎn)生變形，在波發(fā)生器長軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全嚙合；在波發(fā)生器短軸兩端處，柔輪輪齒與剛輪輪齒完全脫開；在橢圓長軸兩側，柔輪輪齒與剛輪輪齒處于不完全嚙合狀態(tài)。在波發(fā)生器長軸旋轉的正方向一側，稱為嚙入?yún)^(qū)；在長軸旋轉的反方向一側，稱為嚙出區(qū)。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉動，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。由于柔輪比剛輪的齒數(shù)少2個，所以當波發(fā)生器轉動一周時，柔輪向相反方向轉過兩個齒的角度，從而實現(xiàn)了大的減速比。 諧波傳動減速器工作原理諧波傳動減速器傳動比計算，波發(fā)生器有兩個觸頭，產(chǎn)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(chǎn)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= （34）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 (35)式中——剛輪的轉速，其余同式（34）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。 諧波傳動減速器傳動嚙合過程示意圖根據(jù)電動機的相關參數(shù)選擇諧波傳動減速器。并且為了保證立柱旋轉時平穩(wěn)，使立柱轉速穩(wěn)定。本設計整體最高轉速要求30r/min?；旌鲜讲竭M電機在額定轉速之下可以調(diào)節(jié)需要轉速并正常工作。所以以最高轉速計算傳動比： (36)根據(jù)立柱的這種運動要求，以及立柱以上部分運動的轉動慣量，我們選用標準的諧波傳動減速器，本設計機座上諧波傳動減速器選用河北僑星減速機制造有限公司生產(chǎn)的XB15010013/3型諧波傳動減速器，其相關參數(shù)及安裝尺寸如下表、下圖所示： XB15010013/3型諧波傳動減速器相關參數(shù)規(guī)格產(chǎn)品型號減速比u輸入轉速 3000 rpm輸入轉速 1500 rpm輸入轉速 1000 rpm輸出力矩輸出轉速n2rpm額定輸入功率p kW輸出力矩輸出轉速n2rpm額定輸入功率p kW輸出力矩輸出轉速n2rpm額定輸入功率p kW50XB15010013/3100303033153310 XB15010013/3型諧波傳動減速器 XB15010013/3型諧波傳動減速器安裝尺寸型號ＡＢＣＤＥＦＧＨＩJK50φ7050φ32φ16412φ24165LMNOPQRSTUXφ14φ24φ62M4φ4φ3M3 立柱的設計 立柱 立柱的工作方式立柱是多關節(jié)型自動焊接機械手的基礎結構，是機械手的回轉基座，它是機械手的第一個回轉關節(jié)。它不僅承擔整個機械手的重量和工作時所產(chǎn)生的所有載荷，而且內(nèi)部還安裝了軸承等重要部件。立柱結構的合理性關系到整個機械手穩(wěn)定性，因此在設計機械手立柱結構時，有以下設計要求：１、由于立柱要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手立柱的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且立柱是機械手的第一個回轉關節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意精度與剛度。２、立柱結構要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準面和調(diào)整機構。且立柱要安裝在足夠大的基面上，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。３、立柱的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及諧波傳動減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 ，立柱與機座電機的諧波減速器用螺釘相連，減速器將輸出的轉矩傳送到立柱上，驅動立柱轉動。為了增強立柱的平穩(wěn)性和機構的合理、安全性，在立柱下端我選擇了一個圓錐滾子軸承來增強結構強度，使之滿足要求。 立柱的材料選擇本設計選擇立柱的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，由資料[7]查得