小型焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文）小型焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鄭 重 聲 明本人呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。學(xué)生簽名： 朱濤 日期： 2013年5月29日 中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文）小型焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)design of small welding robot 致 謝 首先，我要感謝指導(dǎo)我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的馮娟老師，衷心的感謝

2、她對(duì)我的指導(dǎo)和幫助以及本次選題的支持。還要感謝大學(xué)期間各個(gè)科目老師的細(xì)心教導(dǎo)，解答疑難。對(duì)于不了解的問(wèn)題細(xì)心指導(dǎo)，使我對(duì)機(jī)電有更加充分的認(rèn)識(shí)。同時(shí)還要感謝同班同學(xué)的相互幫助，使我能夠有一個(gè)很愉快的大學(xué)。我還要感謝我的室友，謝謝你們?cè)谖耶厴I(yè)設(shè)計(jì)中提供的幫助和鼓勵(lì)，你們的幫助使我順利地完成任務(wù)。深深感謝我的父母和親人，他們無(wú)私的在背后默默支持者我，我深知他們?yōu)槲仪髮W(xué)所付出過(guò)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，感謝他們一直對(duì)我的信任，感謝他們的養(yǎng)育之恩。而至今仍無(wú)以為報(bào)。今后我會(huì)用自己的行動(dòng)報(bào)答您們。最后，向細(xì)心審閱本論文的的專家教授衷心的說(shuō)聲謝謝。小型焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)于目前工業(yè)化的迅速發(fā)展，機(jī)器人在生產(chǎn)生活

3、中不可或缺。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（iso）曾于1987年對(duì)工業(yè)機(jī)器人的給出了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的的操作和移動(dòng)功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！逼毡橛糜诠I(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。本論文主要針對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的介紹與設(shè)計(jì)。本文先進(jìn)行的的是通過(guò)焊接機(jī)器人方案的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比選取出合適的設(shè)計(jì)方案。選擇合適的電機(jī)。然后根據(jù)焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)選擇合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由選取去的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。完成減速器的選取，軸承的選取，軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行各部件的強(qiáng)度的校核。整個(gè)機(jī)器人可分為腰、大臂、小臂、腕四個(gè)部分，具有6個(gè)自由度。結(jié)構(gòu)精巧可以接觸點(diǎn)面范圍比較廣。關(guān)鍵詞：焊接；機(jī)器人；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；減速器；6自由度中圖分類號(hào)

4、：th122design of small welding robotabstract：for the current rapid development of industrialization, the robot in the production of life is indispensable. international organization for standardization (iso) in 1987 was given to industrial robots definition: industrial robot is a kind of automatic co

5、ntrol operation and mobility features that can complete a variety of tasks programmable manipulator. commonly used industrial automation. this thesis describes the mechanical structure for design.this article was first performed by welding robot program design, by comparing select a suitable design.

6、 select the appropriate motor. then the structure of a welding robot select the appropriate drive mechanism, the drive mechanism to select the further structures. to complete the selection of the gear unit, the selection of the bearing shaft into the design strength of the components checked.the who

7、le robot can be divided into the waist, arm, forearm, wrist four parts, with six degrees of freedom. compact structure can be relatively wide range of points of contact surfaces.keywords: welding; robot; transmission mechanism; reducer; six degrees of freedomclassification: th122目 次摘要abstractii目次iii

8、1 緒論11.1 前言11.2 選題背景及意義11.2.1 選題背景11.2.2 選題意義11.3 需解決的主要問(wèn)題22 焊接機(jī)器人方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介32.2 焊接機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)42.3 焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52.3.1 腰部的設(shè)計(jì)52.3.2 大臂部分的設(shè)計(jì)62.3.3 小臂及手腕部分的設(shè)計(jì)63 電機(jī)的選型83.1 電機(jī)簡(jiǎn)介83.2 電機(jī)型號(hào)的選擇104 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)134.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的介紹134.1.1 滾珠絲杠134.1.2 齒輪齒條134.1.3 繩帶鏈條144.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇144.3 軸與軸承的設(shè)計(jì)144.3.1 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算154.3.

9、2 軸承的選擇164.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)174.4.1 齒輪的設(shè)計(jì)184.4.2 齒輪強(qiáng)度的校核194.5 減速器的選擇214.6 焊接部分選擇224.7 送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)225 總結(jié)與展望24參考文獻(xiàn)25附錄a：零件工程圖261 齒輪a1262 齒輪a2273 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)284 送絲機(jī)構(gòu)295 外形尺寸30附錄b：焊接機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖311 基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及大臂俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖312 大臂小臂聯(lián)接部分小臂俯仰設(shè)計(jì)圖323 小臂旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)圖334 手腕俯仰機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)圖335 腕部頂端法蘭連接部分設(shè)計(jì)圖34附錄c：焊接機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖35學(xué)位論文數(shù)據(jù)集361 緒論1.1 前言在科技日益發(fā)達(dá)的今

10、天，機(jī)器人已逐步進(jìn)入人類的生產(chǎn)生活當(dāng)中。當(dāng)初只能在電視電影上看到的機(jī)器人，那些能夠舉起千斤重物的機(jī)器人，能夠在墻上飛檐走壁的機(jī)器人。在我們這個(gè)時(shí)代已經(jīng)不是夢(mèng)想，在大街上我們可以看到爬壁機(jī)器人的高空作業(yè)，在深海機(jī)器人又可以代替人類考察，甚至上月球進(jìn)行研究考察數(shù)據(jù)。這些機(jī)器人將在我們的生活中越來(lái)越平凡。在工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器人更有人類難以取代的位置。機(jī)器人可以在惡劣的環(huán)境下代替人類工作，機(jī)器人不會(huì)覺(jué)得累。在焊接方面機(jī)器人更是做的比較出色。對(duì)于線條、點(diǎn)面進(jìn)行的焊接精確度是相當(dāng)?shù)母?。焊接機(jī)器人的質(zhì)量直接就決定了生產(chǎn)制造出的產(chǎn)品的質(zhì)量，所以制造一個(gè)精度高，機(jī)構(gòu)精巧的焊接機(jī)器人是必不可少的。1.2 選題的背景及

11、意義1.2.1 選題的背景機(jī)器人在現(xiàn)代化生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的機(jī)器人。在惡劣的環(huán)境中機(jī)器人可以代替人類完成絕大部分的工作，因此工業(yè)機(jī)器人在高溫、低溫、缺氧、等環(huán)境中應(yīng)用較多。焊接機(jī)器人的應(yīng)用在半自動(dòng)化生產(chǎn)中比較廣泛，如汽車外殼、底盤的生產(chǎn)等。從大角度來(lái)看國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的應(yīng)用不少，但是國(guó)人自主研發(fā)的焊接機(jī)器人還是比較薄弱的，在生產(chǎn)中大多用的是德系，日系等國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)的機(jī)器人。就國(guó)內(nèi)國(guó)人自足研發(fā)焊接機(jī)器人，其重要部件如電機(jī)等還是需要向外國(guó)訂購(gòu)。從這方面可以看出，雖然中國(guó)是一個(gè)大國(guó)，但工業(yè)發(fā)展還是落后與其他小國(guó)家的。不管國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)于焊接機(jī)器人的

12、需求都是很大的，擁有一款好的焊接機(jī)器人將在焊接行業(yè)占領(lǐng)主導(dǎo)地位。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，人工智能、傳感器技術(shù)等大部分新型技術(shù)都應(yīng)用到了焊接機(jī)器人當(dāng)中。使焊接機(jī)器人越來(lái)越接近人工智能，焊接技術(shù)也越來(lái)越高。1.2.2選題的意義為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、穩(wěn)定和提高生產(chǎn)質(zhì)量、改善勞動(dòng)強(qiáng)度可在有害環(huán)境工作、縮短了產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。設(shè)計(jì)一款自主研發(fā)、精度又高的機(jī)器人是十分有意義的。無(wú)論是為了國(guó)內(nèi)的工業(yè)發(fā)展，還是為了全球工業(yè)化速度的推進(jìn)，焊接機(jī)器人作為機(jī)器人的典型代表，要是能夠設(shè)計(jì)出一款新型的焊接機(jī)器人將是機(jī)器人行業(yè)的一大亮點(diǎn)，能夠造福整個(gè)機(jī)械行業(yè)。1.3 需解決的主要

13、問(wèn)題 了解焊接機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中的意義和該類機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)焊機(jī)機(jī)器人的原理、構(gòu)造、控制電路、運(yùn)動(dòng)軌跡有全面的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電機(jī)分配有全面的把握。對(duì)該課題進(jìn)行深入的分析，選擇實(shí)現(xiàn)方便、穩(wěn)定、安全、高效的方案，完成小型焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)小型焊接機(jī)器人需解決的問(wèn)題有：1) 需要對(duì)小型焊接機(jī)器人的整個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)思；2) 通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇合適的電機(jī)；3) 根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；4) 需要對(duì)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及零件進(jìn)行校核；5) 完成焊接部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)焊接；6) 學(xué)習(xí)繪圖軟件，如solidworks、autocad繪制部分裝配圖三維圖。2 焊接機(jī)器

14、人方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)介焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由如下幾部分組成：機(jī)械手、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)（專用焊接電源、焊槍或焊鉗等）、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè)備等。典型的焊接機(jī)器人組成如圖2.1所示：圖2.1焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖機(jī)械手是焊接機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器（編碼盤）等組成。通過(guò)前人的設(shè)計(jì)與比較，發(fā)現(xiàn)在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下面具有6個(gè)自由度的機(jī)器人工作范圍是相對(duì)比較大的，關(guān)鍵是在機(jī)器運(yùn)行中精度比較高。所以在生產(chǎn)方面應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。為了配合焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，以及加快生產(chǎn)的進(jìn)度，給焊接機(jī)器人配一個(gè)變位機(jī)是十分有必要的。當(dāng)然，

15、一般為了生產(chǎn)的進(jìn)度都是一臺(tái)焊接機(jī)器人配2臺(tái)變位機(jī)，一臺(tái)用作焊接時(shí)，另一臺(tái)這負(fù)責(zé)搬運(yùn)，當(dāng)搬運(yùn)的變位機(jī)焊接時(shí)，則焊接完畢的變位機(jī)由進(jìn)行搬運(yùn)工作。這樣重復(fù)循環(huán)可以很好的利用時(shí)間，增加生產(chǎn)效率。機(jī)器人控制器是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，如圖2.2所示。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路組成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷及自保護(hù)軟件等?？刂破髫?fù)責(zé)處理焊接機(jī)器人工作過(guò)程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。 焊接系統(tǒng)是焊接機(jī)器人完成作業(yè)的必要裝備，由焊鉗（點(diǎn)焊機(jī)器人）、焊槍（弧焊機(jī)器人）、焊接控制器及水、電、氣等輔助部分構(gòu)成。焊接控制器可根據(jù)預(yù)先的

16、焊接監(jiān)控程序，完成焊接數(shù)據(jù)輸入、焊接程序控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實(shí)現(xiàn)與本地計(jì)算機(jī)及手控盒的通訊聯(lián)系。雖然在焊接機(jī)器人在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⒕忍岣叩搅俗铐敹?，按時(shí)由于環(huán)境等因素導(dǎo)致焊接結(jié)果不是很理想，為了提高焊接的精度，給焊接機(jī)器人安裝部分傳感器是必要的。例如視覺(jué)傳感器，操作人員可以通過(guò)屏幕觀測(cè)焊接質(zhì)量是否合格。還有其他傳感器，例如焊縫跟蹤傳感器，可以很好的提高精度。安全設(shè)備是焊接機(jī)器人系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過(guò)熱自斷電保護(hù)、動(dòng)作超限位自斷電保護(hù)、超速自斷電保護(hù)、機(jī)器人系統(tǒng)工作空間干涉自斷電保護(hù)及人工急停等。圖2.2機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞2.2 焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案針對(duì)目前焊接機(jī)器人

17、的普遍應(yīng)用于各機(jī)械行業(yè) ，且焊接機(jī)器人的構(gòu)造也有相當(dāng)大的改進(jìn)可以說(shuō)目前的機(jī)器人已經(jīng)相當(dāng)理想不過(guò)對(duì)于機(jī)器人的改進(jìn)沒(méi)有最完美只有更完美。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的差異直接可以體現(xiàn)出機(jī)器人的使用價(jià)值。不同的焊接要求可以有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鑒于機(jī)器人的工作環(huán)境的要求，因此設(shè)計(jì)出以下三種方案。方案一：導(dǎo)軌式焊接機(jī)器人。通過(guò)多副齒輪導(dǎo)軌控制焊機(jī)移動(dòng)達(dá)到焊接的目的，導(dǎo)軌可根據(jù)生產(chǎn)需求跟空間要求安裝齒輪導(dǎo)軌。機(jī)器人焊接機(jī)可以在導(dǎo)軌上上、下、左、右、前、后運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。缺點(diǎn)是占用空間位置，焊接位置具有局限性。方案二：關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人。人之所以能活動(dòng)自如就因?yàn)槿松砩嫌性S許多多的關(guān)節(jié)。一個(gè)人的腰部以上包括腰部

18、到手指幾乎能觸及到以手臂為半徑的球體范圍。所以將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成人體的上半身的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)將有助于實(shí)際焊接軌跡的應(yīng)用。此機(jī)器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人主體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由腰部、大臂、小臂、腕部等幾個(gè)部分組成。方案三：極坐標(biāo)焊接機(jī)器人。手臂有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較復(fù)雜，占用空間較小，操作范圍大且靈活。通過(guò)對(duì)方案的比較發(fā)現(xiàn)方案二跟適合設(shè)計(jì)要求。關(guān)節(jié)式機(jī)器人具有活動(dòng)靈活，焊接位置相對(duì)比較廣，定點(diǎn)比較準(zhǔn)確?？刹僮餍员容^強(qiáng)。所以最終確定方案二為本次設(shè)計(jì)對(duì)象。2.3 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使機(jī)器人能夠清晰的展現(xiàn)出來(lái)，設(shè)計(jì)思路是先將機(jī)器人分成3個(gè)部分，即腰部、大臂、小臂與手腕。2.

19、3.1 腰部的設(shè)計(jì)機(jī)器人的腰部不僅要實(shí)現(xiàn)可以帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械主體進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)，還需一端固定于一個(gè)基準(zhǔn)面。本次設(shè)計(jì)是將機(jī)器人設(shè)計(jì)為落地式的機(jī)器人，所以腰部的一端是需要帶底盤的，并且可以很好的固定在地面上。所以腰部只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度。腰部的上面部分則是固定一個(gè)伺服電機(jī)，電機(jī)是連接大臂部分。腰部的大小是根據(jù)整體機(jī)器人的大小以及重量等因素來(lái)確定腰部基座的大小，由于是小型焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)，故先將機(jī)器人的重量設(shè)定為120kg140kg左右。當(dāng)然腰部的設(shè)計(jì)還需要考慮剛度、精度、平穩(wěn)性。1) 剛度剛度是指在外力作用下抵抗形變的能力。剛度越大形變量就越小，所以為了提高剛度應(yīng)合理的選擇界面形狀的輪廓尺寸。由于

20、腰部不僅受到彎力，還受到扭轉(zhuǎn)力。故在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要選擇抗彎力跟抗扭轉(zhuǎn)力較大的截面形狀。剛度不僅在外形結(jié)構(gòu)上，在零件上也需要注意。2) 精度雖然是腰部的精度，但失之毫厘謬以千里，要是腰部相差一度角在手臂上可能會(huì)相差5至6度，這回嚴(yán)重影響生產(chǎn)要求。影響機(jī)身和臂不位置精度的因素有剛度之外，關(guān)鍵還是主要運(yùn)動(dòng)部件的制造跟裝配進(jìn)度，腕的部分在臂上的定位跟聯(lián)接放似乎也具有一定的影響。所以設(shè)計(jì)的時(shí)候需要更加的仔細(xì)精確。精度也主要體現(xiàn)在機(jī)械傳動(dòng)是零件的精度。3) 平穩(wěn)性機(jī)器在一定運(yùn)動(dòng)下多多少少會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)，這勢(shì)必會(huì)影響機(jī)器人的焊點(diǎn)的定位。為了使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)盡可能的平穩(wěn)需采取緩沖裝置吸收能量，還有一方

21、面就是需要減少機(jī)器的動(dòng)能，可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)C(jī)器做的更緊湊一些控制好質(zhì)量，以減少慣性力所帶來(lái)的影響。當(dāng)然機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局也挺重要，在設(shè)計(jì)的時(shí)候還是需要謹(jǐn)慎思考的。圖2.3是腰部部分結(jié)構(gòu)圖腰部是有一個(gè)電機(jī)連接一個(gè)聯(lián)軸器去連接軸，在軸上安裝小齒輪，在軸的另一端連接一個(gè)軸承，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪提供動(dòng)力，帶動(dòng)大齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，使腰部可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。初步設(shè)計(jì)機(jī)器人腰部的尺寸為高400mm，寬度及厚度為400mm的基礎(chǔ)模型，這邊高度是未加入基座的高度尺寸。圖2.3腰部部分結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2 大臂部分設(shè)計(jì)機(jī)器人的大臂部分相對(duì)于腰部的設(shè)計(jì)少了固定的基座，但是大臂的設(shè)計(jì)兩端個(gè)需要聯(lián)接腰部跟小臂，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較精巧，其大

22、臂部分跟腰基聯(lián)接的部分也有一個(gè)俯仰的動(dòng)作的，以及大臂跟小臂聯(lián)接部分也有一個(gè)俯仰的動(dòng)作，故有兩個(gè)自由度。同樣的大臂部分的剛度、精度、平穩(wěn)性也十分的重要。由于上面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過(guò)了這邊就不在重復(fù)敘述了。圖2.4是大臂的設(shè)計(jì)圖。預(yù)計(jì)將大臂的長(zhǎng)度設(shè)為600mm，供后面的設(shè)計(jì)作參考。大臂的兩端基本上是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一端是帶有軸承跟大齒輪的大臂俯仰端，另一端是帶有電機(jī)提供給小齒輪俯仰動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。兩邊機(jī)構(gòu)基本一樣，這樣就可以滿足大臂跟小臂的俯仰需求。2.3.3 小臂部分及手腕部分設(shè)計(jì)機(jī)器人的小臂跟機(jī)器人的大臂有點(diǎn)類似，除了形狀有點(diǎn)不一樣，其功能跟大臂也基本一樣。小臂的一端是連接大臂，另一端是連接手腕部分。小臂這需

23、要做旋轉(zhuǎn)一個(gè)動(dòng)作，故有一個(gè)自由度。手腕部分也需要旋轉(zhuǎn)跟俯仰也跟小臂一樣擁有圖2.4大臂結(jié)構(gòu)主視圖及俯視圖兩個(gè)自由度。其小臂跟手腕部分的剛度、精度、平穩(wěn)性也是相對(duì)設(shè)計(jì)而言比較重要。在腰部結(jié)構(gòu)已經(jīng)介紹了，同樣的不再重復(fù)描述了。圖2.5是小臂與手腕的設(shè)計(jì)圖。這邊將小臂跟腕部總長(zhǎng)度設(shè)為600mm，最為參考對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)跟俯仰機(jī)構(gòu)基本上也是一個(gè)類似的工作原理，都是電機(jī)連接軸帶動(dòng)小齒輪再帶動(dòng)大齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，使機(jī)構(gòu)可以自由的運(yùn)動(dòng)。手腕部分機(jī)構(gòu)跟小臂部分基本上沒(méi)有區(qū)別，除了機(jī)構(gòu)上的大小不一樣，其作用功能都是一樣的。腕部的頂端聯(lián)接的是一個(gè)法連是用于焊槍機(jī)構(gòu)的。 圖2.5小臂及手腕部分示意圖 3 電機(jī)的

24、選型3.1 電機(jī)簡(jiǎn)介ab 圖3.1 a為步進(jìn)電機(jī)，b為伺服電機(jī)目前市場(chǎng)上電機(jī)品種較繁多，選擇一款合適的電機(jī)的十分重要的。通過(guò)比較查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)以下兩款電機(jī)是比較適合應(yīng)用在機(jī)器人里面的，即步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理

25、是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。它涉及到電子、電機(jī)、機(jī)械及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

26、按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，用來(lái)調(diào)速。伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類用作執(zhí)行元件，且具有線性度高、機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、始動(dòng)電壓等特性，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓變零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為和

27、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。 伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的方位、位置、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的定位，可達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)

28、構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的u/v/w三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單，便宜。永磁同步交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比。盡管在成本上比較高一點(diǎn)，但是優(yōu)點(diǎn)還是十分顯著

29、的。1) 可靠性高，用電子逆變器取代了直流電機(jī)換向和電刷的機(jī)械換向，工作壽命主要有軸承決定。2) 維護(hù)保養(yǎng)要求低，而直流電機(jī)必須定期清理電刷，跟換電刷和換向器。3) 散熱容易，交流伺服電機(jī)主要損耗咋定子繞組和鐵芯上，散熱容易，而且便于在定子槽內(nèi)安放熱保護(hù)傳感元件。而直流伺服電機(jī)損耗主要在轉(zhuǎn)子電樞上，散熱困難。部分熱量經(jīng)軸傳給負(fù)載。對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不良影響。4) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，提高系統(tǒng)快速性。5) 同功率情況下，體積小，重量輕。6) 可用于較高電壓情況下，直流伺服電機(jī)換向器片由于電壓的限制，不宜工作。 表3.1為同一家公司生產(chǎn)的兩類伺服電機(jī)典型產(chǎn)品性能比對(duì)，可見(jiàn)永磁交流伺服電機(jī)存在明顯優(yōu)勢(shì)。表3.1

30、兩類伺服電機(jī)性能比對(duì)性能指標(biāo)永磁交流伺服電機(jī)永磁直流伺服電機(jī)額定輸出功率/w308080額定力矩/nm1010額定電流/a1924,.9額定轉(zhuǎn)速/rmin-130003000力矩常數(shù)/n.m.a-10.5520.415轉(zhuǎn)子慣量kg.em5.7425.1功率變化率/kw.s16738.1機(jī)械時(shí)間常數(shù)/ms0.44.2電氣時(shí)間常數(shù)/ms2.66.3重量/kg24733.2 電機(jī)的型號(hào)的選擇傳動(dòng)系統(tǒng)中選擇一臺(tái)合適的電機(jī)容量是很重要的。要是電機(jī)容量小了就很難發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率低，另一方面電機(jī)要是再過(guò)載下長(zhǎng)期運(yùn)行的話會(huì)使它過(guò)早損壞，經(jīng)不起沖擊負(fù)載等故障，同時(shí)還可能出現(xiàn)氣筒困難。要是選擇大了，

31、則不僅會(huì)使設(shè)備費(fèi)用增加，而且由于電機(jī)經(jīng)常在輕載下運(yùn)行運(yùn)行效率對(duì)異步電機(jī)來(lái)說(shuō)都會(huì)下降。通過(guò)查看相關(guān)焊接機(jī)器人的資料發(fā)現(xiàn)，日本安川伺服電機(jī)是在焊接機(jī)器人中應(yīng)用比較廣泛的。所以本設(shè)計(jì)也將采用安川伺服電機(jī)。通過(guò)查詢安川伺服電機(jī)手冊(cè)得知安川電機(jī)的型號(hào)有sgmahsgmphsgmghsgmsh。表3.2是伺服電機(jī)的容量表。由于焊接機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度均較低，所以在電機(jī)選擇過(guò)程中功率要求小，主要考慮電機(jī)的尺寸是否滿足焊接機(jī)器人外形尺寸的要求。因此在查閱了安川電機(jī)手冊(cè)的基礎(chǔ)上選擇電機(jī)。安川交流伺服電機(jī)每種型號(hào)均帶有制動(dòng)器和減速機(jī)的類型，但由于所用的減速氣味通用減速器，減速比較小，減速后不能滿足焊接機(jī)器人速度

32、要求，因此選用不帶制動(dòng)器和減速機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)型交流伺服電機(jī)。焊接機(jī)器人所用的六個(gè)電機(jī)型號(hào)如下：1) 腰部旋轉(zhuǎn)處電機(jī)選用sgmph-15，功率1500w轉(zhuǎn)速3000prm；2) 大臂俯仰處電機(jī)選用sgmph-15，功率1500w轉(zhuǎn)速3000prm；3) 小臂俯仰處電機(jī)選用sgmph-08，功率750w轉(zhuǎn)速3000prm；4) 小臂旋轉(zhuǎn)處電機(jī)選用sgmph-04，功率400w轉(zhuǎn)速3000prm；5) 手腕俯仰處電機(jī)選用sgmph-02，功率200w轉(zhuǎn)速3000prm；6) 手腕旋轉(zhuǎn)鋤電機(jī)選用sgmph-01，功率100w轉(zhuǎn)速3000prm。表3.2伺服電機(jī)容量型 號(hào)sgmahsgmphsgmghsgms

33、h型 號(hào)sgmahsgmphsgmghsgmsh3000 r/min3000 r/min1500 r/min1000 r/min3000 r/min3000 r/min3000 r/min1500 r/min1000 r/min3000 r/mina30.03151.51.5a50.05201.82.02.0010.10.122020.20.2302.93.03.0030.332040.40.4404.04.0050.45444.4060.6505.0080.750.75555.55.5090.850.9757.5101.01a11121.21e15131.3_結(jié)合圖3.2電機(jī)尺寸示意，各電機(jī)

34、具體參數(shù)如表3.3所示。圖3.2電機(jī)尺寸示意表3.3電機(jī)參數(shù)sgmphlllclalzlglbleslr質(zhì)量（kg）016260705.563250.702678090783301.404872.10886.512014510103.5404.215114.56.64 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的介紹機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，我國(guó)古代就有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。例如鼓風(fēng)機(jī)、地動(dòng)儀等。4.1.1 滾珠絲杠滾珠絲杠機(jī)構(gòu)大致分為兩種，一種是直接連接，用于距離較短的高精度定位。電機(jī)和滾珠絲杠只用聯(lián)軸節(jié)連接，沒(méi)有間隙；另一種是帶減速機(jī)構(gòu)，選擇加速比，可加大向機(jī)械系統(tǒng)傳遞

35、的轉(zhuǎn)矩。由于產(chǎn)生齒輪側(cè)隙，需要采取補(bǔ)償措施。圖4.1為滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。ab圖4.1滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（a不帶減速；b帶減速）4.1.2 齒輪齒條齒輪跟齒條可以相互搭配可分為：齒輪跟齒輪、齒輪跟齒條，根據(jù)齒的形狀不同，圖4.2為部分齒輪圖，軸的相對(duì)位置不同又可以分多種。例如：直齒、曲齒、斜齒、人字齒等。齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，壽命長(zhǎng)、工作可靠、效率高，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬(wàn)千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。圖4.2部分齒輪嚙合結(jié)構(gòu)4.1.3 繩帶鏈條繩帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于兩軸中心距較大的傳動(dòng)場(chǎng)合；傳動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪聲,能緩沖、吸振

36、；過(guò)載時(shí)帶將會(huì)在帶輪上打滑，可防止薄弱零部件損壞，起到安全保護(hù)作用；不能保證精確的傳動(dòng)比。帶輪材料一般是鑄鐵等。其結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)：和齒輪傳動(dòng)比較，它可以在兩軸中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚(yáng)的不良環(huán)境中工作；和帶傳動(dòng)比較。它能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳遞功率較大，作用在軸和軸承上的力較?。粋鬟f效率較高，一般可達(dá)0.950.97；鏈條的鉸鏈磨損后，使得節(jié)距變大造成脫落現(xiàn)象；安裝和維修要求較高，鏈輪材料一般是結(jié)構(gòu)鋼等。ba圖4.3a為繩帶傳動(dòng)；b為鏈傳動(dòng)4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇以上介紹了部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選取也會(huì)影響到機(jī)器

37、人整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。首先是通過(guò)對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)造型進(jìn)行構(gòu)思繪制草圖，圖4.4是機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。從圖可以看出，通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行草圖的設(shè)計(jì)、繪制、改進(jìn)，最后得出這種具有多關(guān)節(jié)的臂型機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)具有6個(gè)自由度。在4.1節(jié)中介紹了部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再結(jié)合此結(jié)構(gòu)示意圖，顯然絲杠滾珠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難在此機(jī)構(gòu)上運(yùn)行。皮帶傳動(dòng)顯然強(qiáng)度不夠。 圖4.4機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖齒輪傳動(dòng)跟鏈傳動(dòng)是比較適合此臂型機(jī)器人運(yùn)行。齒輪傳動(dòng)跟鏈傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)分別在4.1.2，4.1.3小節(jié)中有了介紹，鏈傳動(dòng)最大的優(yōu)勢(shì)是可以遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)。而在機(jī)器人身上傳動(dòng)不需要太遠(yuǎn)大的距離，要是距離太大則影響機(jī)器人的機(jī)構(gòu)大小。由于此設(shè)計(jì)題目是小型焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)

38、，所以選擇鏈傳動(dòng)的話不太符合題意。故選擇齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。4.3 軸與軸承的設(shè)計(jì)確定下了齒輪之后就需要將齒輪用軸聯(lián)合，軸主要有軸頭、軸身、軸頸三部分組成。將軸的一端聯(lián)接軸承，另一端通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)。這樣可以使齒輪可以正常的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使機(jī)器人能夠很好的運(yùn)行，軸的設(shè)計(jì)需要符合工作時(shí)的強(qiáng)度的要求。圖4.5為軸的組成部分。軸端軸頭軸頸軸身軸頭圖4.5軸的組成4.3.1 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)軸的轉(zhuǎn)矩的大小，通過(guò)計(jì)算切應(yīng)力來(lái)建立軸的強(qiáng)度條件。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便，但計(jì)算精度較低，主要用于初步估算軸徑以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和以傳遞轉(zhuǎn)矩為主的傳動(dòng)軸。強(qiáng)度條件： .（4.1）t-軸所傳遞的扭矩，-軸抗扭截面模量，對(duì)實(shí)心軸

39、軸的直徑設(shè)計(jì)： mm； .（4.2）p-軸所傳遞的功率（kw）；n-軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（mpa）c-與材料有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)軸所受彎矩較大時(shí)，c值宜取較大值，反之相反。最小直徑處有鍵槽時(shí)，單鍵軸徑需增加3%，雙鍵軸徑需增加7%。取軸的材質(zhì)為40cr，調(diào)質(zhì)，硬度286hbs，彎曲許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)切力為300mpa。通過(guò)上式4.2可得，通過(guò)計(jì)算可知軸的直徑大于43.01mm均符合強(qiáng)度要求。通過(guò)相同的計(jì)算可得六組傳動(dòng)軸的的大小為：1) 腰部旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸直徑，為了方便計(jì)算取整數(shù)。2) 大臂俯仰傳動(dòng)軸直徑，為了方便計(jì)算取整數(shù)。3) 小臂俯仰傳動(dòng)軸直徑，為了方便計(jì)算取整數(shù)。4) 小臂旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸直徑

40、，為了方便計(jì)算取整數(shù)。5) 手腕俯仰傳動(dòng)軸直徑，為了方便計(jì)算取整數(shù)。6) 手腕旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸直徑，為了方便計(jì)算取整數(shù)。表4.1為齒輪軸徑強(qiáng)度校核表，經(jīng)過(guò)計(jì)算跟校核后沒(méi)發(fā)現(xiàn)第三組、第五組軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)切力不符合要求。為了使軸能夠符合要求，需要改變軸的參數(shù)，首先是重新設(shè)計(jì)3號(hào)軸5號(hào)的直徑，通過(guò)計(jì)算得到的值是，即可，由于應(yīng)切力強(qiáng)度值與要求的值相差不是很大，所以通過(guò)加大3號(hào)軸、5號(hào)軸的直徑，將3號(hào)軸的直徑確定為，將5號(hào)軸的直徑確定為。在改變軸徑之后重新計(jì)算后得，3號(hào)軸的強(qiáng)度為260.73mpa，5號(hào)軸的強(qiáng)度為234.60mpa符合要求。故最終確定3號(hào)軸軸徑，5號(hào)軸軸徑。表4.1齒輪軸強(qiáng)度校核合表組別第一組第二

41、組第三組第四組第五組第六組軸徑（d/mm）44mm44mm34mm28mm22mm18mm扭矩(t) 抗扭截面模量（） 強(qiáng)度（mpa）285.93285.93309.52295.43304.64277.99是否合格合格合格不合格合格不合格合格4.3.2 滾動(dòng)軸承的選擇滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)由四部分組成分別是：內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架。示意圖如圖4.6所示，滾動(dòng)軸承分很多的類型，有深溝球軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承。由于伺服電機(jī)對(duì)軸承的要求比較高，故本設(shè)計(jì)選擇深溝球軸承，其特性是承受徑向負(fù)荷及徑向和軸向同時(shí)作用的負(fù)荷；在高速時(shí)?？沙惺懿淮蟮募冚S向負(fù)荷。 圖4.6滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu) 圖4.7深溝球軸承示意圖滾

42、動(dòng)軸承的類型、尺寸和公差等級(jí)均已制定有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中只需要根據(jù)工作條件選擇合適的軸承尺寸、公差等級(jí)等，并進(jìn)行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)查詢表(深溝球軸承g(shù)b/t276-94)得出所需軸承為10系列的6002、6003、6008；02系列的6206、6208；03系列的6305。根據(jù)圖4.7所示，表4.2為所選軸承的參數(shù)表。表4.2軸承參數(shù)表軸承代號(hào)尺寸ddb6002153290.360031735100.3600840681516206306216162084080181.163052562171.1 4.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過(guò)以上的比較基本確定是以齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。齒輪可以根據(jù)齒型

43、的不同分成多種的類型，其作用也有不同。通過(guò)齒輪的對(duì)比，暫時(shí)選定一下兩款結(jié)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)。圖4.8為直齒圓柱外嚙合齒輪，圖4.9內(nèi)嚙合直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 圖4.8直齒圓柱外嚙合齒輪傳動(dòng) 圖4.9直齒圓柱內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)兩種齒輪對(duì)比的不同之處：內(nèi)齒輪的齒頂圓小于分度圓，齒根圓大于分度圓；內(nèi)齒輪的齒廓是內(nèi)凹的，其齒厚和齒槽寬分別對(duì)應(yīng)于外齒輪的齒槽寬和齒厚；為了使內(nèi)齒輪齒頂?shù)凝X廓全部為漸開線，其齒頂圓必須大于基圓。當(dāng)要求齒輪傳動(dòng)軸平行，回轉(zhuǎn)方向一致，且傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊時(shí)可以采用內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)。4.4.1齒輪的設(shè)計(jì)通過(guò)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將兩種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分應(yīng)用于機(jī)器人發(fā)現(xiàn)，內(nèi)嚙合齒輪在機(jī)器人應(yīng)用中其結(jié)構(gòu)比較緊湊，符合

44、小型焊接機(jī)器人的特點(diǎn)。所以內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是比較適合臂型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有6個(gè)自由度，所以需要6組內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。分別應(yīng)用于以下部件：1) 機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2) 機(jī)器人大臂俯仰機(jī)構(gòu)；3) 機(jī)器人小臂俯仰機(jī)構(gòu)；4) 機(jī)器人小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；5) 機(jī)器人腕部俯仰機(jī)構(gòu)；6) 機(jī)器人腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；為了使齒輪傳動(dòng)能夠正確的內(nèi)核并且連續(xù)的傳動(dòng)，兩齒輪的模數(shù)必須相等，且兩齒輪在分度圓上的齒形角也必須相同。設(shè)計(jì)6組齒輪組為：1 選擇直齒圓柱外嚙合齒輪與內(nèi)嚙合齒輪；2 齒輪的工作速度不高所以選用7級(jí)精度(gb/0095-88)；3 材料選擇 中心齒輪材料選擇40cr(調(diào)質(zhì))，硬度286hbs；

45、內(nèi)嚙合齒輪材料選擇45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240hbs；4 尺寸選擇為表4.3所示。表4.3各組齒輪設(shè)計(jì)組別第一組第二組第三組第四組第五組第六組 類型參數(shù)主動(dòng)輪a1從動(dòng)輪a2主動(dòng)輪b1從動(dòng)輪b2主動(dòng)輪c1從動(dòng)輪c2主動(dòng)輪d1從動(dòng)輪d2主動(dòng)輪e1從動(dòng)輪e2主動(dòng)輪f1從動(dòng)輪f2分度圓直徑d（mm）802008012060120428436723672齒數(shù)4010040603060244824482448模數(shù)2222221.751.751.51.51.51.54.4.2 齒輪強(qiáng)度校核1） 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度需要用到赫茲公式4.3。 .（4.3）式中：-彈性系數(shù)，其數(shù)值與材料有關(guān)；-

46、區(qū)域系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，；-載荷系數(shù)；-小齒輪上的轉(zhuǎn)矩；-小齒輪的分度圓直徑；-傳動(dòng)比考慮電動(dòng)機(jī)載荷均勻，取載荷系數(shù)k=1；以鑄鋼為原料，所以去彈性系數(shù)；齒寬b=20mm；小齒輪分度圓直徑mm；傳動(dòng)比；小齒輪上的轉(zhuǎn)矩， 將以上數(shù)據(jù)代入公式4.1，得。再由許用接觸應(yīng)力計(jì)算公式4.4： .（4.4）式中：-許用接觸應(yīng)力；-接觸疲勞強(qiáng)度極限值，與齒面硬度有關(guān)；-安全系數(shù)。齒輪進(jìn)行調(diào)制處理，硬度為286hbs。取接觸疲勞極限；安全系數(shù)。將以上數(shù)據(jù)代入式4.4，得。顯然，齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度符合要求。第2組，3組，4組，5組，6組用以上方法校核，結(jié)果同樣符合要求。2）齒輪彎曲疲勞的校核齒輪彎曲強(qiáng)度的驗(yàn)算公

47、式： .（4.5） 式中：-齒輪彎曲強(qiáng)度；k-載荷系數(shù)；b-齒寬；t-齒輪上的轉(zhuǎn)矩；m-齒輪模數(shù)；z-齒輪齒數(shù)；-齒形系數(shù)；-應(yīng)力集中系數(shù)。取載荷系數(shù)k=1；齒寬b=20；小齒輪齒數(shù)z=40；齒輪模數(shù)m=2；小齒輪上的轉(zhuǎn)矩；取齒形系數(shù)；取應(yīng)力集中系數(shù)。將以上數(shù)據(jù)代入公式4.5得。再由許用彎曲應(yīng)力計(jì)算公式4.6： .（4.6）式中：-許用彎曲應(yīng)力；-載荷系數(shù)；-安全系數(shù)；齒輪進(jìn)行調(diào)制處理，硬度為286hbs。取齒根彎曲疲勞極限；安全系數(shù)。將以上數(shù)據(jù)代入式4.6，得：。顯然齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度符合要求。第2組，3組，4組，5組，6組用以上方法校核，結(jié)果同樣符合要求。4.5 減速器的選擇通過(guò)以上的傳動(dòng)

48、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)，僅靠小齒輪內(nèi)嚙合大齒輪的減速時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出焊接機(jī)器人的轉(zhuǎn)速要求的。根據(jù)要求，焊接機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)速度要求是比較低的，所選電機(jī)的轉(zhuǎn)速在3000rpm左右，需要通過(guò)較大的減速比的減速器減速后才能達(dá)到焊接機(jī)器人速度的要求，所以減速器選擇減速范圍比較大的諧波減速器。圖4.10為諧波減速器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4.10諧波減速器機(jī)構(gòu)圖諧波齒輪傳動(dòng)式近代新發(fā)展起來(lái)的一種靠柔性齒輪來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。諧波傳動(dòng)主要有波發(fā)生器，柔輪和鋼輪三部分組成。柔輪輪體很薄，上有一段為特制的完整的360度齒圈。波發(fā)生器的徑向最大尺寸稍大于柔輪內(nèi)直徑，裝配時(shí)把它放入柔輪內(nèi)孔，是柔輪齒圈段變?yōu)闄E圓形，并使橢圓長(zhǎng)軸出

49、兩點(diǎn)的齒輪和鋼輪相嚙合，二端州出的輪齒脫開，若發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，則鋼輪嚙合區(qū)也隨著變化，輪齒依次幫助嚙合和脫離。通過(guò)設(shè)計(jì)設(shè)定該焊接機(jī)器人的腰部最大轉(zhuǎn)速為1.04rad/s左右，電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為3000r/min。由于在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，腰部的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)里已經(jīng)有了傳動(dòng)比i=2.5。故經(jīng)過(guò)減速器輸出的轉(zhuǎn)速可為2.6rad/s，則計(jì)算傳動(dòng)比： .(4.7)通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)諧波減速器r系列中的xb1諧波傳動(dòng)減速器的減速比范圍為：i=63250。符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)查詢過(guò)具體型號(hào)得出xb1-60-120，符合要求。通過(guò)相同方法的計(jì)算的出所需諧波減速器的型號(hào)為表4.4所示。類別腰部旋轉(zhuǎn)大臂俯仰小臂俯仰小臂旋

50、轉(zhuǎn)手腕俯仰手腕旋轉(zhuǎn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速1.04rad/s2.44rad/s1.83rad/s3.67rad/s3.67rad/s5.41rad/s已有傳動(dòng)比2.51.52222所需傳動(dòng)比120.8385.8485.8442.8642.8629.04所選型號(hào)xb1-120-120xb1-100-83 xb1-100-83xb1-32-64xb1-32-64xb1-25-63表4.4諧波減速器選型4.6 焊槍的選擇焊接過(guò)程中執(zhí)行焊接操作的部分叫做焊槍。焊槍工作原理：焊槍利用焊機(jī)的高電流，高電壓產(chǎn)生的熱量聚集在焊槍終端，融化焊絲，融化的焊絲滲透到需焊接的部位，冷卻后，被焊接的物體牢固的連接成一體。對(duì)于焊槍市場(chǎng)

51、上均可購(gòu)買到各式各樣的。根據(jù)焊接工藝的要求，可以選擇不同形狀的焊槍。所以焊接部分設(shè)計(jì)就相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只要在機(jī)器人的腕部聯(lián)接上一把焊槍，焊槍由通過(guò)電線聯(lián)接焊機(jī)。而焊機(jī)的控制也是通過(guò)控制臺(tái)跟機(jī)器人達(dá)到同步控制。焊接方式種類繁多，此設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人腕部頂端聯(lián)接的是的法蘭，可以聯(lián)接不同的焊接工具，這邊就以氬弧焊為例，來(lái)說(shuō)明焊接機(jī)器人工作原理。圖4.11為氬弧焊焊接機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖4.11為氬弧焊焊接機(jī)構(gòu)1焊絲盤 2送絲機(jī)構(gòu) 3焊絲4焊槍 5噴嘴 6焊接電弧 7金屬熔池 8氬氣流 9氬氣 10焊接方向4.7 送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)送絲機(jī)構(gòu)主要是由送絲頭、送絲管和送絲輪3部分組成。整個(gè)送絲機(jī)構(gòu)是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)送絲輪把焊絲從送絲盤的焊絲一點(diǎn)點(diǎn)帶進(jìn)送絲管，其中送絲輪上帶有一個(gè)壓絲輪，能夠使焊絲不會(huì)走樣。送絲管是通過(guò)夾持體固定，在焊嘴部分還有一個(gè)固定環(huán)，兩者配合能