焊接机器人设计(编辑修改稿)

焊接机器人设计(编辑修改稿)内容摘要：

，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。 功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。 功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机 易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 6 安全性 防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000kPa（十个大气压）时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差 对环境影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业机械手中的应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 焊接机器人的组成 焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 执行机构 （ 1）手部 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。 手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气 吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。 （ 2）腕部 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。 手腕有独立的自由度。 有回转运动、上下摆动、左右摆动。 一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作 7 要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机 构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700） ,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。 因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。 设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在 00 90~90  范围内，其基本的结构形式如图 22 所示。 图 22 腕部回转基本结构示意图 腕部的驱动方式采用直接驱动 的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。 机器人手腕的回转运动 是 由回转液压缸实现 的。 将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。 （ 3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。 它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。 如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。 因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩 运动。 臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。 因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 本次设计实现臂部的前后伸缩运动。 臂部的运动参数： 伸缩行程： 1850mm； 伸缩速度： 1200mm/s~1400mm/s。 机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。 伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 （ 4）机身 机身部 分运动的目的：把臂部送到直线运动范围内任意一点。 如果改变臂部的姿态（方位），则用机身的自由度加以实现。 因此，机身部分具有两个自由度才能满足基本要求，即机身的伸缩、左右旋转运动。 机身的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷， 8 而且自身运动较为多，受力复杂。 因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 本次设计实现基座的上下伸缩、以及机身的回转运动。 机身的运动参数： 伸缩行程： 3650mm； 伸缩速度：1200mm/s~1400mm/s；回转范围： 00 90~90 。 机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。 伸缩式机身结构的驱动可采用液压缸直接驱动。 机身部分和滑轨的配置型式采用立柱式单臂配置，其回转运动的驱动源来自回转液压缸。 （ 5）滑轨 滑轨是悬臂机器人的基础部分，起悬挂作用，它将机身悬挂于导轨之上。 并带动机身沿轨道直线运动。 控制系统分类 在机械 手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。 大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。 主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 本设计采用电磁控制。 焊接机器人的技术参数 一、用途：用于焊接工件 二、设计技术参数 : 焊枪 :； 自由度数 :4个自由度 （腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩 4个运动）； 坐标型式 :直角坐标系； 最大工作半径 :4730mm； 手臂最低中心高 :4040mm； 手臂运动参数 :伸缩行 程： 1850mm 伸缩速度： 1200mm/s~1400mm/s 升降行程： 3650mm 升降速度： 1200mm/s~1400mm/s 回转范围： 00 90~90  ； 手腕运动参数 :回转范围： 00 90~90 。 本章小结 9 本章从焊接机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。 同时，就焊接机器人的组成（执行机构 和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和基座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。 最后，给出了设计中所需的技术参数。 10 第 3 章 腕部结构的设计及计算 腕部设计的基本要求 (1) 力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。 显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。 因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 (2) 结构考虑，合理布局 11 腕部作为焊接机器 人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 (3) 必须考虑工作条件 对于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为 8KG，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。 腕部结构及选择 典型的腕部结构 (1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩 M，需要克服以下几 种阻力：克服启动惯性所用。 回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270176。 ）。 (2) 齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于 270176。 的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。 这种结构外形尺寸较大。 (3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。 (4) 机 液结合的腕部结构。 腕部结构和驱动结构的选择 本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。 腕部结构设计计算 腕部设计 考虑的参数：最大载荷： 8KG；回转。 12 腕部驱动力计算 图 31 腕部支撑反力计算示意图 腕部回转时要克服的阻力： F=FR1+FR2 a. 腕部回转支撑处的摩擦力矩： Ma= Fd （ ） 其中 f 为轴承摩擦系数取 f = b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： Mb=G3e （ ） c. 克服启动惯性所需的力矩： Mc=π D4/32 （ ） 腕部驱动液压缸的计算 表 31 液压缸的内径系列 （ JB82666） 错误 !未找到引用源。 （ mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 32 标准液压缸外径 （ JB106867） 错误 !未找到引用源。 （ mm） 液压缸外径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 13 45 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 设定腕部的部分尺寸：根据表 31 设缸体内径 R=40mm，外径根据表 32 选择 60mm，这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为 90mm；动片宽度 b=66mm,输出轴 r= 32 所示。 则回转缸工作压力：    2 2 2 2。