【正文】 術等七個方面 。在以焊接技術為主導制造工藝技術的大中型骨干企業(yè)，焊接生產過程綜合機械化與自動化程度已達到 40%～ 45%。 3 第 2 章 焊接機器人的總體方案 該設計的目的是為了設計一臺焊接機器人，本章主要對焊接機器人的機械結構部分進行設計和分析。 根據系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務； 錯誤 !未找到引用源。 根據機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。 (2) 技術設計階段 錯誤 !未找到引用源。 擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖； 錯誤 !未找到引用源。 選擇各部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設 計； 錯誤 !未找到引用源。 自由度和坐標系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由 19個關節(jié)組成，共有 27個自由度。本次設計的焊接機器人為 4自由度即： 腕部回轉；小臂部伸 縮；大臂部回轉；大臂部伸縮。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下 : (1) 直角坐標機器人結構 4 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖21(a)所示。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。 。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。 (3) 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來 實現的，如圖21（ c） 。主要應用于搬運作業(yè)。 。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 根據要求及在實際生產中的用途，本次設計的焊接機器人采用直角坐標。 (1) 液壓驅動 :是指動源（發(fā)動機或電機）驅動油泵產生壓力油，壓力油再去驅動液壓馬達，由液壓馬達產生機器需要的動力。隨著材料性能的提高，電動機性能也在隨之提高并且電動機使用簡單，所以就目前來看，機器人驅動正逐步為電動機驅動式所代替。功率 /質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。 執(zhí)行機構 （ 1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。 本設計為焊接機器人設計，因此手部并無其他結構，僅僅是一個焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。手腕有獨立的自由度。一般腕部設有回轉運動再增加一個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械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 設計的焊接機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉運動，運動參數是實現手部回轉的角度控制在 00 90~90 ?? 范圍內，其基本的結構形式如圖 22 所示。 機器人手腕的回轉運動 是 由回轉液壓缸實現 的 。 （ 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。 臂部運動的目的：把手部送到直線運動范圍內任意一點。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮 運動。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。臂部的運動參數： 伸縮行程： 1850mm； 伸縮速度： 1200mm/s~1400mm/s。伸縮式臂部機構的驅動可采用液壓缸直接驅動。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機身的自由度加以實現。 機身的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷， 8 而且自身運動較為多，受力復雜。 本次設計實現基座的上下伸縮、以及機身的回轉運動。機器人機身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結構中，機身的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。機身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉運動的驅動源來自回轉液壓缸。并帶動機身沿軌道直線運動。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。本設計采用電磁控制。 本章小結 9 本章從焊接機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據機器人自由度的要求選取直角坐標系為本次設計坐標系。最后，給出了設計中所需的技術參數。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。 (2) 結構考慮，合理布局 11 腕部作為焊接機器 人的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 腕部結構及選擇 典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉，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，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 腕部結構和驅動結構的選擇 本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動。 12 腕部驅動力計算 圖 31 腕部支撐反力計算示意圖 腕部回轉時要克服的阻力： F=FR1+FR2 a. 腕部回轉支撐處的摩擦力矩： Ma= Fd （ ） 其中 f 為軸承摩擦系數取 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 （ ） 腕部驅動液壓缸的計算 表 31 液壓缸的內徑系列 （ JB82666） 錯誤 !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 設定腕部的部分尺寸：根據表 31 設缸體內徑 R=40mm，外徑根據表 32 選擇 60mm，這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為 90mm；動片寬度 b=66mm,輸出軸 r= 32 所示。 工作壓力 P（ Mpa） 螺釘的間距 t(mm) ～ 小于 150 ～ 小于 120 ～ 小于 100 ～ 小于 80 缸蓋螺釘的計算，如圖 43 所示， t 為螺釘的間距，間距跟工作壓強有關，見表 43， 在這種聯接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 : 0 39。 螺釘材料選擇 Q235， (n=～ ） 螺釘的直徑：][ ?? Fd ?? （ ） d = 螺釘的直徑選 用 M5。連接螺釘的作用：使動片和輸出軸之間的配合緊密。 本章小結 本章主要內容為腕部結構的設計包括：腕部結構的選取和腕部結構的設計計算。 16 第 4 章 臂部結構的設計及計算 手臂部件是機械手的主要握持部件。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉和升降。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。以臂部為例，一般結構上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面： (1) 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； (2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離； (3) 合理布置作用力的位置和方向； (4) 注意簡化結 構； (5) 提高配合精度。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在最大回轉角速度設計在內，大部分平均移動速度為，平均回轉角速度在。減少慣量具體有 4 個途徑 錯誤 !未找到引用源。 三、手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。為此，必須計算使之滿足 不自鎖的條件 錯誤 !未找到引用源。 四、位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結構，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 以上要求是相互制約的，應該綜合考 慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本次設計選 擇液壓缸伸縮機構，使用液壓驅動 ,水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。如此反復，繪出最終的結構圖。 液壓缸活塞的驅動力的計算公式可表示為： F=(A1p1A2p2)ηm () 手臂摩 擦力的分析與計算 摩擦力的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。39。 2LaFG a? ????? ????總摩 () 式中 參 與運動的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； L手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（ m） ,參考上一節(jié)的計算； a導向支撐的長度（ m）； 19 當量摩擦系數，其值 與導向支撐的截面有關 ； 對于圓柱面： μ摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 μ=～ 鋼對鑄鐵：取 μ=～ 選?。?， G=500N， L==, 導向支撐 a 設計為 。液壓缸處密封的總摩擦阻力可 以近似為： F 摩 =65N。 確定液壓缸的結構尺寸： 液壓缸內徑的計算，如圖 42 所示 20 圖 42 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔： F1=(A1p1A2p2)ηm （ ） 當油進入有桿腔中 ： F2=(A2p1A1p2)ηm () 其中： ηm為機械效率。 () F=6210N，選擇機械效率 。 液壓缸外徑的設計 ： 根據裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在 7mm，所以該液壓缸的外徑為60mm。對于桿長 L大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強度計算： σ = F/A () 設計中活塞桿取材料為碳鋼，故，活塞直徑 d=20mm,L=1360mm,現在進行校核 ： 21 σ = F/A [σ] 結論： 活塞桿滿足強度要求。 取 :載荷 F=400N,懸臂 L=1730mm。 本章小結 本章設計了搬運機器人的手臂結構，手臂采用液壓驅動伸縮機構，對驅動的液壓缸的驅動力進行了計算。 22 第 5 章 機身結構的 設計及計算 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。 機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現手臂 1800的回轉運動，實現手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。 (2) 回轉缸置于升降之上的結構