【正文】 ........................ 24 手臂做升降運(yùn)動的液壓缸驅(qū)動力的計(jì)算 ................................ 24 軸承的選擇分析 ................................................................................... 25 本章小結(jié) ............................................................................................... 25 總結(jié) ...................................................................................................................... 26 致謝 ...................................................................................................................... 27 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 28 1 第 1 章 引言 焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱 末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。到了 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。在西方社會，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。因此，從長遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。因此，工業(yè)機(jī)器人的 應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。 焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。 從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看 ，焊接 機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離 線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面 。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機(jī)械化與自動化程度已達(dá)到 40%～ 45%。 3 第 2 章 焊接機(jī)器人的總體方案 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺焊接機(jī)器人，本章主要對焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。 根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。 (2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 擬訂機(jī)器人的運(yùn)動路線和空間作業(yè)圖； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè) 計(jì)； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指各運(yùn)動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)，對于一個(gè)構(gòu)件來說，它有幾個(gè)運(yùn)動坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种浮⒄?、腕、臂?19個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有 27個(gè)自由度。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人為 4自由度即： 腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸 縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下 : (1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 4 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖21(a)所示。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。 。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個(gè)直線運(yùn)動來 實(shí)現(xiàn)的，如圖21（ c） 。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人采用直角坐標(biāo)。 (1) 液壓驅(qū)動 :是指動源（發(fā)動機(jī)或電機(jī)）驅(qū)動油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)器需要的動力。隨著材料性能的提高，電動機(jī)性能也在隨之提高并且電動機(jī)使用簡單，所以就目前來看，機(jī)器人驅(qū)動正逐步為電動機(jī)驅(qū)動式所代替。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。 本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，因此手部并無其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個(gè)焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。手腕有獨(dú)立的自由度。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個(gè)上下擺動即可滿足工作 7 要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部的運(yùn)動為一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動參數(shù)是實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在 00 90~90 ?? 范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖 22 所示。 機(jī)器人手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 是 由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn) 的 。 （ 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到直線運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。因此，一般來說臂部具有一個(gè)自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮 運(yùn)動。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。臂部的運(yùn)動參數(shù)： 伸縮行程： 1850mm； 伸縮速度： 1200mm/s~1400mm/s。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機(jī)身的自由度加以實(shí)現(xiàn)。 機(jī)身的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從機(jī)身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷， 8 而且自身運(yùn)動較為多，受力復(fù)雜。 本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基座的上下伸縮、以及機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)器人機(jī)身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，機(jī)身的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。機(jī)身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動的驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。并帶動機(jī)身沿軌道直線運(yùn)動。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。本設(shè)計(jì)采用電磁控制。 本章小結(jié) 9 本章從焊接機(jī)器人的實(shí)用方面入手，提出了一套總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取直角坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。最后，給出了設(shè)計(jì)中所需的技術(shù)參數(shù)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。 (2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 11 腕部作為焊接機(jī)器 人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 典型的腕部結(jié)構(gòu) (1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩 M，需要克服以下幾 種阻力：克服啟動慣性所用。）。的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。 (3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個(gè)自由度。 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。 12 腕部驅(qū)動力計(jì)算 圖 31 腕部支撐反力計(jì)算示意圖 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)要克服的阻力： F=FR1+FR2 a. 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩： Ma= Fd （ ） 其中 f 為軸承摩擦系數(shù)取 f = b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： Mb=G3e （ ） c. 克服啟動慣性所需的力矩： Mc=π D4/32 （ ） 腕部驅(qū)動液壓缸的計(jì)算 表 31 液壓缸的內(nèi)徑系列 （ JB82666） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ mm） 液壓缸外徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 13 45 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表 31 設(shè)缸體內(nèi)徑 R=40mm，外徑根據(jù)表 32 選擇 60mm，這個(gè)是液壓缸壁最小厚度，考慮到實(shí)際裝配問題后，其外徑為 90mm；動片寬度 b=66mm,輸出軸 r= 32 所示。 工作壓力 P（ Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t(mm) ～ 小于 150 ～ 小于 120 ～ 小于 100 ～ 小于 80 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖 43 所示， t 為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表 43， 在這種聯(lián)接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 : 0 39。 螺釘材料選擇 Q235， (n=～ ） 螺釘?shù)闹睆剑篯[ ?? Fd ?? （ ）