20xx-20xx年机电一体化毕业设计

20xx-20xx年机电一体化毕业设计内容摘要：

手臂的后端。 2）手腕部件的自由度愈多，各关节角的运动范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。 但增加手腕自由度，会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。 因此，在设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。 通用目的机器人手腕多配置 3个自由度，某些动作简单的专用工业机器人的手腕，根据作业实际需要，可减少其自由度数，甚至可以不设置手腕以简化结构。 3）为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。 如齿轮传动中的齿侧间隙，丝杠螺母中的传动间隙；联轴器的扭转间隙等。 对分离传动采用链 、同步齿带或传动轴传动。 4）对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。 手腕工作方式 具有两个自由度的机械传动手腕结构如 下 图所示之手腕结构，手腕的驱动电动机安装在大臂关节上，经谐波减速器用两级链传动将运动通过小臂关节传递到手腕轴 10 上的链轮 5。 带 传动 6将运动经 带 轮 轴 10 和圆锥齿轮 11 带动轴 14(其上装有机机电一体化课程设计计算说明书 20 械接口法兰盘 15)作回转运动， 带 传动 7 将运动经 带 轮 5直接带动手腕壳体 8 实现上下俯仰摆动。 当 带 传动 6 和 带 轮 4 不动，使 带 传动 7 和 带 轮 5 单独转动时，由于轴 10 不动 ，转动的壳体 8 将迫使圆锥齿轮 11 作行星运动，即齿轮 11 随壳体 8 作公转 (上下俯仰夕 )，同时还绕轴 14 作附加的自转运动。 手腕 的驱动电机放置于小臂的末端，靠梯形齿同步带将动力源传送到手腕的驱动轴上，实现手腕关节的运动。 同步带传动效率高，可达 98%～ %,节能效果大 .与 V 带和平带传动相比 ,传动比准确 ,无弹性滑动 ,传动比可大到 10,速度大到 40m/s,负载能力强、结构紧凑，带的伸缩率小。 此外，带传动传动平稳、噪声小，不需要润滑。 因此同步带传动在机器人中也得到了广泛的应用。 本次设计参考了这方面的优势，通过 查阅书籍确定采用此种结构。 手腕电动机的选择 手腕电动机设计为两个，第一个主要作用是使手腕实现转动，第二个主要作用是使手腕实现上下摆动作用。 两个电机都选用 75BYG4503 型号，如下表： 型号 步距角 相数 驱动电压 /V 相电（流） /A 静转距 /N M 空载启 动频率 /P P S 空载运 行频率 /K P P S 转动 惯量 /kg cm2 相电感 /mH 重量 /kg 机电一体化课程设计计算说明书 21 75BYG 4501 ≥ 15 手腕轴承 的选择 （ 1） ．对于与电机轴相联的轴为主动轴，轴所受的载荷较小，且为高速轴，根据已知条件 216。 20，转速较 低 ，主要受径向力的影响，故选用深沟球轴承，主要承受一定的双向轴向载荷，极限转速较高，这类轴承结构紧凑，重量轻，价格便宜，供货方便，应用较广。 查手册 高速轴选用深沟球轴承 62020 （ 2） 轴承的校核计算 两个 6012 型轴承转速 1460r/min,径向载荷 Fr1=672N Fr2=356N 轴向载荷 Fa=0,工作时无冲击，温度低于 100℃ ,预寿命 10000h. 解：轴承 1承受的负载较重，经验算轴承 1 的当量 载荷为 P=xFr+yFa 查机械设计手册 6012 形轴承 Cr=31500N C0r=24200N 深沟球轴承 X0= Y0= P1= xFr1+yFa1=376N 轴承的寿命由公式计算得 16667/n(ftC/fpP)179。 =16667/1460(1x31500/)179。 寿命足够。 （ 3） 按 弯 扭 合 成 强 度 校 核 轴 的 强 度 1 绘 制 轴 受 力 简 图 (图 a) 2 绘 制 垂 直 面 弯 矩 图 (图 b) 轴 承 支 承 反 力 RAVF = LLFdFra 22 Ⅱ = 2  = RBVF = rF + RAVF =982+= 计算弯矩 机电一体化课程设计计算说明书 22 截面 c 右 侧 弯 矩 cvM = RBVF2L== 截面 c 左 侧弯矩 39。 cvM = RAVF2L== 3 绘 制 水 平 弯 矩 图 (图 c) 轴 支 承 反 力 RAHF = RBHF =2tF=22618=1309N 截面 c 处 弯 矩 CHM = RAHF2L=1309= 4 绘 制 合 成 弯 矩 图 (图 d) CM = 22 CHCV MM  =  = 39。 CM = 2239。 )( CHCV MM  =  = 5 绘 制 转 矩 图 (图 e) T= np310 = 40011103 = 6 绘 制 当 量 弯 矩 图 (图 f) 转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取 =,截面 c 处的当量弯矩为 ecM = 22 )( TM c  = 2212 ( 26 0)= 7 校 核 危 险 截 面 的 强 度 e = 3 dMec = 10202 =55Mpa f)e)d)M ecM c M cTc)F RAHb)F RA Va)AF aM CHF t F R BHF r F R BVF rF tF aBT机电一体化课程设计计算说明书 23 第 6 节 焊接机器人末端执行器的设计 机器人末端执行器的设计要求 机器人是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的任务要求来设计的，从而形成了多数多样的结构型式，根据其用途的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具，它按装在操作机手腕或手臂的机械接口上，多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门 设计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器，为了方便的更换末端执行器，可设计一种末端执行器的接换器来形成操作机上的机械接口。 较简单的可用法兰盘作为接口出的接换器，本次设计就是采用的法兰盘式接口。 焊枪直接把在末端执行器法兰盘上。 设计时的要求： 1） 不论是夹持和吸附，末端执行器需具有满足作业需求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。 2） 应尽可能使末端执行器结构简单，质量请轻，以减轻手臂的负荷。 专用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能完成多种作业的末端执行器可能带离来结构复杂，费用高的缺点，因此提倡设计可 快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。 此次设计的产品是五自由度的焊接机器人，因此它的未端执行元件是焊枪，随着气保焊的广泛运用，气体保护焊更容量实现自动化，因此我选用的是 2co 气体保护焊，用末端法兰盘将其固定于手腕末端。 具体的选用原则如下所述： 送丝机的选择 弧焊机器人配备的送丝机可按安装方式分为两种。 一种是将送丝机安装在机器人的上臂的后部上面与机器人组成一体的方式；另一种是将送丝机与机器人分开安装的方式。 由于一体式的送丝机到焊枪的距离比分离式的短，连接 送丝机和焊枪的软管也短，所以一体式的送丝阻力比分离式的小。 从提高送丝稳定性的角度看，一体式比分离式要好一些。 目前，弧焊机器人的送丝机采用一体式的安装方式已越来越多了，但对要在焊接过程中进行自动更换焊枪 (变换焊丝直径或种类 )机电一体化课程设计计算说明书 24 的机器人，必须选用分离式送丝机。 送丝机的结构有一对送丝辊轮的，也有两对辊轮的；有只用一个电机驱动一对或两对辊轮的，也有用两个电机分别驱动两对辊轮的。 从送丝力来看，两对辊轮的送丝力比一对辊轮的大些。 当采用药芯焊丝时，由于药芯焊丝比较软，辊轮的压紧力不能象用实心焊丝时那么大，为了保证有足够的 送丝推力，选用两对辊轮的送丝机可以有更好的效果。 对于送丝机与机器人连成一体的安装方式，虽然送丝软管比较短，但有时为了方便换焊丝盘，而把焊丝盘或焊丝桶敢在远离机器人的安全围栏之外，这就要求送丝机有足够的拉力从较长的导丝管中把焊丝从焊丝盘 (桶 )拉过来，再经过软管推向焊枪。 对于这种情况，和送丝软管比较长的分离式送丝机一样，都希望选用送丝力较大的送丝机。 如忽视这一点，往往会出现送丝不稳定甚至中断送丝的现象。 送丝机的送丝速度控制方法可分为开环和闭环两种。 目前，大部分送丝机仍采用开环的控制方法，但也有一些采用装有光电传 感器 (或码盘 )的伺服电机，使送丝速度实现闭环控制，不受网路电压或送丝阻力波动的影响，保证送丝速度的稳定性。 对填丝的脉冲 TIG 焊来说，可以选用连续送丝的送丝机也可以选用能与焊接脉冲电流同步的脉动送丝机。 脉动送丝机的脉动频率可受电源控制，而每步送出焊丝的长度可以任意调节。 脉动送丝机也可以连续送丝。 因此，近来填丝的脉冲 TIG 焊机器人配备脉动送丝机的情况已逐步增多。 送丝软管的选择和保持送丝稳定的措施 目前软管都是将送丝、导电、输气和通冷却水做成一体的方式，软管的中心是一根通焊丝同时也起输送保护气作用的导丝管 ，外面缠绕导电的多芯电缆，有的电缆中还夹有两根冷却水循环的管子，最外面包敷一层绝缘橡胶。 当送铝焊丝时，应选用特富隆(TEFLON)或尼龙制成的管做导丝管；而送钢焊丝时，一般采用钢制的弹簧管。 导丝管的内径应比焊丝直径大 lmm 左右。 造成弧焊机器人送丝不稳定的原因往往是软管阻力过大。 一方面可能是选用的导丝管内径与焊丝直径不匹配；另一方面可能是导丝管内积存由焊丝表面剥落下来的铜末或钢末过多所造成的。 因此弧焊机器人应选用镀铜层较牢固的优质焊丝，并调节好送丝辊轮的压紧力，尽可能减少焊丝表面镀铜层的剥落，而且一个月至少应 定期清洗一次导丝管。 如能选用不锈钢制成的导丝管更好，由于奥氏体不锈钢没有磁性不会吸住钢末，不但容易清理，而且不易堵塞导丝管。 还必须注意在编程时调整焊枪和机器人的姿态，尽可能减少软管的弯曲程度。 特别是用分离式送丝机，由机电一体化课程设计计算说明书 25 于软管较长，如忽视调节机器人与送丝机的距离及姿态，软管很容易出现多个小弯，而造成送丝不畅，这点往往被编程人员所忽视。 目前越来越多的机器人公司把安装在机器人上臂的送丝机稍为向上翘，有的还使送丝机能作左右小角度自由摆动，目的都是为了减少软管的弯曲，保证送丝速度的稳定性。 焊枪的选择 焊接机器人用 的焊枪大部分和手工半自动焊用的鹅颈式焊枪基本相同。 鹅颈的弯曲角一般都小于 45176。 ，可以根据工件特点选不同角度的鹅颈，以改善焊枪的可达性。 但如鹅颈角度选得过大，送丝阻力会加大，送丝速度容易不稳定：而角度过小，如 0176。 ，一旦导电嘴稍有磨损，常会出现导电不良的现象。 应该注意，当更换不同弯曲角的鹅颈的焊枪后，必须对机器人 TCP(工具中心点 )进行相应的调整，否则焊枪的运动轨迹和姿态都会发生变化。 近来为了提高送丝速度的稳定性，特别是高速送丝和送铝焊丝时的稳定性，在焊枪上增加一个由小型伺服电机驱动的拉丝机构，使送丝机和焊枪的 拉丝机形成一推一拉的送丝系统。 对这种推拉送丝系统必须协调好两个电机的转速，调节好送丝机和焊枪上各对送丝辊轮的压紧力，使送丝机的推丝作用为主，焊枪的拉丝为辅。 这样，即使是由于某种原因两个电机速度不匹配，焊枪上的送丝辊轮能够打滑，而不至于损坏焊丝的表面或使焊丝从辊轮间挤出来，造成焊接的中断。 目前，除了一些焊铝的机器人或高速焊的机器人装有拉丝式焊枪外，比较多的还是选用普通鹅颈焊枪。 防撞传感器 对于弧焊机器人除了要选好焊枪以外，还必须在机器人的焊枪把持架上配备防撞传感器。 防撞传感器的作用是当机器人在运动时，万 一焊枪碰到障碍物，能立即使机器人停止运动 (相当于急停开关 )，避免损坏焊枪或机器人。 如果没有安装防撞传感器或传感器不够灵敏，一旦焊枪和工件发生轻度碰撞，焊枪可能被碰歪，如操作者又没有及时发现，由于 TCP 的变化，随后焊接的路径将会发生较大的变化，而焊出废品。 因此， TIG焊炬和 MIG／ MAG 焊枪的把持架上都必须装有防撞传感器。 机电一体化课程设计计算说明书 26 第 7 节 PLC系统设计 电气设备概述 本 焊接机械人可实现五个自由度的运动 ，即 PLC和光电编码器相协调控制 ，程序的选择可在电气操作的转换由要安装在 机器 的 传感器 进行控制。 根据 PLC 输出端的特点，本系统共需以下四种电压： （ 1）作为 PLC 电源的交流 220 伏 （ 2）线圈所需电源交流 100伏 （ 3）电磁铁所需电源直流 24伏 （ 4）原点指示灯所需电源交流 变压系统的左右两端均采用空气断路器作为短路保护及长期过载保护，其中直流 110伏需要安装整流器。 （ 1） PLC应用概述 可编程序控制器（ Programmable Controller） 简称 PC，早期也称为 PLC(Programmaboe Logic Controller)，区别于个人计算机的“ PC” （ Personal Computer）。 PLC 是从 60 年代末发展起来的一种新型的电气控制装置，它将传统的控制技术和计算。