【導(dǎo)讀】有限公司校企合作的一個(gè)專項(xiàng)研究課題。該課題的研究宗旨是開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。精度工業(yè)焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域趕上和超過國(guó)外先進(jìn)水平具有十分重要的意義。在廣泛查閱與合理借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)工業(yè)焊接機(jī)器人資料文獻(xiàn)及其技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)課題要求設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體構(gòu)成方案和具體結(jié)構(gòu)形式。在多方比較與反復(fù)探索。后，確定該工業(yè)焊接機(jī)器人采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6自由度關(guān)節(jié)型串連機(jī)器人組成方案，其關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。為了使機(jī)器人能夠獲得優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，該機(jī)器人。構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、內(nèi)部空間利用率高、機(jī)體結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、輸出轉(zhuǎn)矩符合要求的設(shè)計(jì)目的。此外，本文還采用圖解法對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間加以分析，并繪制出了機(jī)器人實(shí)際工。作空間的軸剖圖。最后，本文用Pro/E軟件進(jìn)行了該工業(yè)焊接機(jī)器人的裝配效果仿真和工作情景仿真，并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

　　

【正文】 間軸直接是軸承蓋固定，而電機(jī)輸入軸側(cè)與關(guān)節(jié)輸出軸側(cè)軸承Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 固定，由于其軸向力不大均采用擋圈固定，并在關(guān)節(jié)軸端面打螺紋孔，用于固定臂部等。 6． 電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸經(jīng)三級(jí)齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 圖 34 底座 圖 35 軸筒 （二）軸筒 軸筒用于支撐腰關(guān)節(jié)以及保護(hù)腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸，如圖 35 所示。 該零件可由兩個(gè)部分組成：上部分為槽鋼類型結(jié)構(gòu)，并在一端加工出軸承的座孔；下部分為一法蘭，以焊接的方式組成該零件。 （三）肩部 1． 結(jié)構(gòu)方面：在肩部后端銑出一個(gè)圓形沉孔，并在其底部加工固定螺栓使用的沉孔。通過這樣的結(jié)構(gòu)可以將肩部固定在腰關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸上，并且不會(huì)妨礙關(guān)節(jié) 5 處電機(jī)的放置。前端蝸桿下方處加工平臺(tái)，在其上安裝軸承座，用于支撐蝸桿傳動(dòng)，可以加強(qiáng)整體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性；為達(dá)到便于拆裝、便 于保養(yǎng)維護(hù)的目的，在肩部另外有其它孔、槽、突臺(tái)等設(shè)計(jì)。如圖 36 所示。 2． 零部件聯(lián)接方面：電機(jī)輸出軸與蝸桿的聯(lián)接采用成形聯(lián)接，設(shè)計(jì)專用聯(lián)軸器將其聯(lián)接一起并裝上安全銷，安全銷起到過載剪斷保護(hù)作用；關(guān)節(jié)軸由于是蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，軸向力較大，在其支撐兩端加上了突臺(tái)并安裝軸承蓋；蝸輪與軸同樣是用平鍵聯(lián)接，并設(shè)計(jì)一軸套用于軸向固定。 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 36 肩部 圖 37 大臂 （四）大臂 大臂主要用于支撐小臂，如圖 37 所 示。 1． 結(jié)構(gòu)方面：采用了先進(jìn)的類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，減輕了重量，提高了強(qiáng)度，大臂對(duì)小臂采用內(nèi)支撐的支撐方式；為了裝配方便，關(guān)節(jié) 4 處開有裝配槽，小臂可以從上方直接安裝至大臂上，為防止裝配槽造成軸承的暴露，另外設(shè)計(jì)了一個(gè)弧形擋塊用于密封；為達(dá)到便于拆裝、便于維護(hù)保養(yǎng)的目的，在大臂部分另外有其它孔、槽、突臺(tái)等設(shè)計(jì)。 2． 聯(lián)接方面：大臂與關(guān)節(jié) 5 的旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)接，由它們之間的相互作用力，故選用了平鍵聯(lián)接；弧形擋塊與大臂的鑲嵌配合后再用螺栓與軸承蓋共同固定。 （五）小臂 小臂結(jié)構(gòu)如圖 38 所示。 1． 結(jié)構(gòu)方面：由于要安裝兩個(gè)電機(jī)與一套蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，考慮到安裝空間與安裝方式，將關(guān)節(jié) 4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外置，其余部分封閉在小臂內(nèi)部；上面設(shè)計(jì)的螺紋孔用于電機(jī)固定；為了裝配方便，將小臂側(cè)蓋設(shè)計(jì)成兩部；另外的孔、突臺(tái)、槽的設(shè)計(jì)起到便于安裝零部件或聯(lián)接支撐固定作用等。 2． 聯(lián)接方面：電機(jī)與蝸桿的聯(lián)接同樣采用專門設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器與安全銷組合的聯(lián)接方式；而軸承支撐的蝸桿上開了溝槽，用于安裝擋圈來(lái)限制軸承的軸向運(yùn)動(dòng)；由于殼體與蝸輪軸之間的相互作用力，故其聯(lián)接固定采用平鍵聯(lián)接；由于蝸輪傳動(dòng)存在較大的軸向力，軸與圖 38 小臂 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 蝸輪的聯(lián)接采用了楔鍵聯(lián)接；腕部與關(guān)節(jié) 3 電機(jī)采 用緊定螺釘進(jìn)行聯(lián)接。 （六）腕部 1． 結(jié)構(gòu)方面：由于關(guān)節(jié) 2 的電機(jī)與匹配的減速器安裝在該關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸中，而電機(jī)匹配減速器后長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故該關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)采用了組合的方式，以便于安裝下一關(guān)節(jié)的零部件；其它螺紋孔、槽的設(shè)計(jì)用于聯(lián)接緊固其他的零部件等。 2． 聯(lián)接方面：該關(guān)節(jié)與小臂的聯(lián)接采用了緊定螺釘（上一關(guān)節(jié)提到了）；組合方式結(jié)構(gòu)用螺栓聯(lián)接等。如圖 39 所示。 （七）掌部 掌部結(jié)構(gòu)如圖 310 所示。 結(jié)構(gòu)方面：該部分固定聯(lián)接在腕部上（內(nèi)支撐方式）；電機(jī)與減速器匹配后，電機(jī)殼體固定在旋轉(zhuǎn)軸中。 聯(lián)接方面：關(guān)節(jié) 2 電 機(jī)殼體固定在旋轉(zhuǎn)軸上，減速器輸出軸固定在腕部外殼上，依靠輸出軸固定，電機(jī)殼體繞軸旋轉(zhuǎn)；掌部與電機(jī)殼體固接并在軸承的支撐下旋轉(zhuǎn)，軸承由掌部的殼體軸向固定；關(guān)節(jié) 1 的電機(jī)連同減速器固定在掌部殼體上，輸出軸帶動(dòng)末端執(zhí)行器等。 主要傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 齒輪軸與底座電機(jī)固聯(lián)，作為減速裝置的第一級(jí)傳動(dòng)，如圖 311 所示。軸肩與擋圈的溝槽是為了軸承的軸向固定，一盲孔與一螺紋孔是為了固定電機(jī)輸出軸。 圖 310 掌部 圖 39 腕部 圖 311 底座傳動(dòng)軸 1 圖 312 底座傳動(dòng)軸 2 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 減速裝置的第二、三級(jí)傳動(dòng)主動(dòng)軸，如圖 31圖 313 所示，兩者結(jié)構(gòu)類似。兩末 端的軸肩是為了固定軸承，而另 一軸肩則是為了固定齒輪；鍵槽和軸套分別對(duì)齒輪起到徑向固定與軸向固定的作用。 腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸如圖 314 所示。兩末端軸肩是為了固定一大一小的軸承，另一軸肩加上鍵槽與軸套是為了固定齒輪；擋圈溝槽為固定軸承使用；螺紋孔為固定肩部使用。 關(guān)節(jié) 4 與關(guān)節(jié) 5 均采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其蝸桿軸結(jié)構(gòu)類似，如圖 315 所示。不同在于一軸帶有擋圈溝槽。兩軸均由軸承支撐回轉(zhuǎn)，擋圈溝槽是為了固定軸承；蝸桿軸軸頭截面和電機(jī)輸出軸的軸頭截面同為正方形，利用一帶方孔的套筒實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸與蝸桿軸聯(lián)接。 關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié) 5 輸出軸結(jié)構(gòu)如圖316 所示。兩軸結(jié)構(gòu)類似，不同在于關(guān)節(jié) 4 軸與殼體是單側(cè)固定的，而關(guān)節(jié) 5 是兩側(cè)固定；關(guān)節(jié) 5 軸的蝸輪的固定是軸肩與平鍵再加上軸套實(shí)現(xiàn)的，而關(guān)節(jié) 4 軸的蝸輪則是由楔鍵直接固定。相同點(diǎn)：軸兩端軸肩是為了固定軸承；兩端鍵槽是為了固定大臂與小臂殼體。 其它元器件的選擇 軸承與軸承端蓋的選擇 圖 314 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸 圖 315 關(guān)節(jié) 5與關(guān)節(jié) 4蝸桿軸 圖 316 關(guān)節(jié) 5與關(guān)節(jié) 4蝸輪軸 圖 313 底座傳動(dòng)軸 3 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 由于關(guān)節(jié) 3為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 2處的軸承在工作過程中不可避免需要承受較大的軸向力，故該處軸承應(yīng)選用角接觸軸承，型號(hào)由該軸段尺寸 55? 查表確定軸承型號(hào)為 36111。 關(guān)節(jié) 4與關(guān)節(jié) 5的減速裝置為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其軸存在較大的軸向力，均選用角接觸軸承，在蝸桿軸軸承座處選用 15? 軸段的 3610關(guān)節(jié) 4軸 30? 軸段的 36106和關(guān)節(jié) 5軸 35? 軸段的 36107。 底座減速裝置的各軸，由于垂直放置的原因，需要承受較 大的軸向力，故采用了角接觸軸承，型號(hào)分別為 30? 軸段的 36106，腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸 40? 軸段的 36108與 90? 軸段的36118。在下箱體側(cè)，為了保證箱體的密封性，選用軸承采用帶密封圈的軸承；兩關(guān)節(jié)蝸輪軸兩側(cè)軸承以及上箱體側(cè)軸承，均配備各自軸承端蓋用于軸向固定與密封。 聯(lián)接緊固件的選擇 由于腕部與行星輪減速器輸出軸的聯(lián)接存在較大的軸向力，故采用緊定螺釘 M6 16? ，并在減速器輸出軸加工出一小凹槽，配合緊定螺釘用于聯(lián)接固定腕部。 對(duì)于腰關(guān)節(jié)電機(jī)與軸 1的聯(lián)接固定，雖然主要承受的是徑向力，但不能忽視軸向力，故也是采用緊定螺釘 M6 12? ，同樣在電機(jī)輸出軸上加工一小凹槽，配合緊定螺釘用于聯(lián)接固定腕部。 底座上下箱體的螺栓聯(lián)接 采用六角頭螺栓 C 級(jí) M10 45? 并配備對(duì)應(yīng)墊圈與螺母；兩軸承座的固定采用 六角頭螺栓 C 級(jí) M8 45? 并配備對(duì)應(yīng)墊圈與螺母；軸承蓋與殼體或臂部的固定、各電機(jī)的固定和腕關(guān)節(jié)的組合件所采用螺栓聯(lián)接均為 六角頭螺栓 C 級(jí) M6 20? 配備相應(yīng)的墊圈。 腰關(guān)節(jié)與回轉(zhuǎn)軸的固定采用 六角頭螺栓 C 級(jí) M8 20? 配備相應(yīng)的墊圈。 腕部關(guān)節(jié)中的相關(guān)螺栓聯(lián)接采用了 六角頭螺栓 C 級(jí) M4 12? 配備相應(yīng)墊圈、 十字槽沉頭螺釘 M4 32? 。 部分軸承的軸向固定采用了 軸用彈性擋圈 — A 型 d 0 =15mm、 d 0 =30mm、 d 0 =90mm 三個(gè)尺寸各一個(gè)。 所用鉤頭楔鍵型號(hào)為 鍵 12 28，平鍵型號(hào)分別為 鍵 B1022 、 鍵 B1245（ 3個(gè)）、 鍵 B164 鍵 B2263等等。 本章小結(jié) 本章中詳細(xì)介紹了對(duì)于各關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)機(jī)器人各主要部件的設(shè)計(jì)、聯(lián)接進(jìn)行了論述，并在 Pro/E 軟件 里繪制出了該機(jī)器人各部件的模型圖。 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 41 底座齒輪軸的裝配 4 裝配與渲染及動(dòng)態(tài)仿真 虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，它是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品的三維裝配關(guān)系，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程及特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)過程與實(shí)際零部件的設(shè)計(jì)制造、裝配過程的高度統(tǒng)一，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段。虛擬裝配過程，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取措施，保證產(chǎn)品的一次性成功，從而降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期 [26]~[29]。 對(duì)于待設(shè)計(jì)與分析的研究對(duì)象來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)仿真是在裝配實(shí)現(xiàn)以后進(jìn)行的，通過運(yùn)動(dòng)仿真我 們可以收獲以下成果： 1. 讓用戶直觀了解到仿真對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡； 2. 查找零部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的干涉，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)； 3. 檢查、分析整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了依據(jù)。 機(jī)器人的裝配 底座的裝配 機(jī)器人底座部分包含關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配套的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、底座箱體以及保護(hù)腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的軸筒四部分。在裝配過程中需要遵循從下到上、先內(nèi)后外的裝配順序。 裝配時(shí)，先使用鍵與軸套將四根齒輪軸與齒輪組合完畢，其裝配關(guān)系與效果如圖 41所示。 齒輪裝配完成后，將齒輪軸、底部密封軸承安裝在下箱體 上，其裝配關(guān)系與效果如圖42 所示。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝完成之后，蓋上上箱體，為每根軸承安裝上部軸承，用軸承端蓋固定，其裝配關(guān)系與效果如圖43 所示。 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 43 上箱體、軸承與軸承端蓋的裝配 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸安裝擋圈，并用緊定螺釘將電機(jī)輸出軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸聯(lián)接（可見圖 44），將關(guān)節(jié) 6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在上箱體上，底座傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配完畢，其裝配關(guān)系與效果如圖 45 所示。 圖 44 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸與電機(jī)輸出軸裝配 圖 45 腰關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裝配 圖 46 腰關(guān)節(jié)保護(hù)軸套的裝配 為腰關(guān)節(jié)安裝保護(hù)軸套，底座部分裝配完畢，其裝配關(guān)系與效果如圖 46 所示。 肩部的裝配 圖 42 齒輪軸與下箱體的裝配 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 肩部包含關(guān)節(jié) 5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與肩部外部結(jié)構(gòu)三部分。安裝時(shí)注意遵循從內(nèi)到外的安裝原則。 將蝸桿用軸承座固定在肩部平臺(tái)上， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 47 所示。 圖 47 關(guān)節(jié) 5蝸桿的裝配 圖 48 蝸輪、大臂、軸承與肩部結(jié) 構(gòu)的裝配 將裝配好的蝸輪與大臂、軸承一起安放至肩部結(jié)構(gòu)，如圖 48 所示，安裝過程當(dāng)中應(yīng)注意蝸輪與蝸桿的配合。 將軸承外的弧形擋塊、軸承蓋、對(duì)側(cè)法蘭裝配至肩部， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 49 所示。 圖 49 肩部、弧形擋塊、軸承蓋、法蘭的裝配 圖 410 回轉(zhuǎn)軸與關(guān)節(jié)的螺栓聯(lián)接裝配 將腰關(guān)節(jié)軸與肩部用螺栓聯(lián)接，聯(lián)接肩部與底座部分， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 410所示。 將蝸桿軸與關(guān)節(jié) 5驅(qū)動(dòng)電機(jī)用聯(lián)軸器聯(lián)接，肩部裝配完畢， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 411所示。 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 411 關(guān)節(jié) 5電機(jī)的裝配 圖 412 關(guān)節(jié) 3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裝配 小臂的裝配 小臂部分包括關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié) 4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其配套傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 與小臂外部結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)應(yīng)從內(nèi)到外，從前到后安裝。 將關(guān)節(jié) 3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電機(jī)座聯(lián)接，將電機(jī)座安裝在小臂外部結(jié)構(gòu)上， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 412 所示。 將蝸桿軸、軸承安裝在小臂外部結(jié)構(gòu)上，蝸桿軸與關(guān)節(jié) 4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接，將電機(jī)固定在小臂外部結(jié)構(gòu)上， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 413 所示。 圖 413 關(guān)節(jié) 4傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配 圖 414 關(guān)節(jié) 4渦輪的裝配 將蝸輪軸、蝸輪通過鍵固定，裝配在小臂上，如圖 414 所示。裝配過程中應(yīng)注意蝸輪蝸桿的配合。 安裝小臂側(cè) 蓋、軸承、軸承蓋、法蘭，小臂裝配完畢， 其裝配關(guān)系與效果 如圖 415 所示。 圖 415 小臂側(cè)蓋的裝配 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 掌部的裝配 掌部包括關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié) 2 驅(qū)