焊接机械手的结构设计.doc

本科毕业设计(论文)

题目：焊接机械手的结构设计

系 别： 机电信息系
专 业：机械设计制造及其自动化
班 级：
学 生：
学 号：
指导教师：

2013年5月

焊接机械手的结构设计
摘　　要
本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。
本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。
在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。
本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。

关键词：机械手；谐波减速器；结构设计

II

Structure design of robot arm
Abstract
The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation.
This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the.
The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed.
The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management.

KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design

目 录
1 绪论 1
1.1 机器人简介 1
1.1.1 机器人的发展及应用 2
1.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义 4
1.1.3 机器人的组成 6
1.2 机械手的组成 8
1.3 本文主要研究工作 11
2 机械手的总体结构 12
2.1 机械手总体结构的类型 12
2.2 设计具体采用方案 13
3 机械手腰部机座 15
3.1 机械手腰部机座结构的设计 15
3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案 15
3.3 电动机的选择 16
3.4 减速器的选择 17
3.5 键的选择 18
4 机械手手臂的结构设计 20
4.1 设计具体采用方案 21
4.2 大臂电动机的选择 21
4.3 大臂减速器的相关计算 22
4.4 小臂电动机的选择 23
4.5 小臂减速器的相关计算 24
5 机械手腕部的结构方案设计 27
5.1 腕部电动机的选择 27
5.2 腕部减速器的选择 27
6 轴承的选用与校核 29
7 结论 39
参考文献 40
致谢 41
毕业设计（论文）知识产权声明 42
毕业设计（论文）独创性声明 43
14

2 机械手的总体设计

图纸和说明书联系QQ2576636538

2 机械手的总体结构
2.1 机械手总体结构的类型
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:
a. 直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。
直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
b. 圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。
c. 球坐标机器人结构
球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。
d. 关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人[19]。
本题目规格参数:
腰部回转最大角度280度；
摆动最大角度120度；
工作范围范围0-450mm；

本机械手的主要动作是：
首先腰部回转机械臂和焊点处于同一平面；接着大臂回转，调整焊枪和焊点的距离；然后小臂回转，使焊枪接触焊点；最后腕部回转，使焊枪和焊点垂直，达到焊接的目的。
2.2 设计具体采用方案
具体到本设计，因为焊枪质量约0.5KG，且考虑到焊接机械手的加工精度，应尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要四种运动,腰部回转；大臂回转；小臂回转；腕部回转。综合考虑，机械手自由度数目取为四。因此选择关节型机械臂。
具体到本设计，要求工作区间0-450mm，扩大到0-60mm，为扩大1/3倍。因为A2b2≥2ab。所以当c一定时，a=b机械臂为最短。6002=2a2。A≈424.3，又因为小臂比大臂更灵活，活动更频繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。
整体布局如图：

图2.1 整体尺寸设计图
本设计的三维建模基于solidworks。首先进行腰部回转机构的结构设计，再进行大臂摆动机构的设计，然后进行小臂摆动机构的设计，最后进行腕部的设计。在所有设计完成之后，整体的效果如下图所示：

图2.2 设计完成整体图

3 机械手腰部机座
3 机械手腰部机座
3.1 机械手腰部机座结构的设计
进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、大臂、小臂、腕部等各个部分进行详细设计。
机械手腰座结构的设计要求：
工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：
a. 腰座要有足够大的安装基面，以保证在工作时整体安装的稳定性。
b. 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。
c. 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。
d. 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
e. 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。
f. 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成[20]。
3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案
腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或气压缸来实现，目前的趋势是用前者。考虑到腰座是机器人的第一个回

转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机通过减速机构驱动来实现腰部的回转运动。
3.3 电动机的选择
设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，JG4根据平行轴定理可得绕轴0的转动惯量为：
（3.1）（3.2）
m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；m0=7kg；
设输出轴速度为所需时间；
机座 （3.3）
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为15N.m。
电机功率可按下式估算
（3.4）
其中：Pm为电动机功率W；
MLP为负载力矩；
为负载转速；
为传动装置效率，初定0.9；
系数为经验数据，取2.5；
（3.5）
博美德PL80-100/SM80-013-30LFB；
参数如下：

表3-1 电机参数
额定功率
额定转矩
额定转速
转子惯量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
电机结构外形如图：

图3.1 电机结构外形图
3.4 减速器的选择
因为整体最高转速要求30r/min。伺服电机在额定转速之下可以调节需要转速并正常工作。所以以最高转速计算传动比。
（3.6）
减速器选用配套的 博美德PL80-100型，减速比100。
减速器如图所示：

图3.2 减速机安装图
参数如下：
额定输出扭矩：52～110Nm 转动惯量：0.39～0.77Kgcm2/
故障停止扭矩：104～220Nm 满载效率：90%
额定输入速度：4000min-1/ 工作温度：-25°～+90°
最大输入速度：6000min-1/ 润滑方式：合成脂润滑（长效润滑）
安装方式：任意 防护等级：IP65
平均寿命：20000h 法兰精度:DIN 42955-R
输出轴键标准:圆头普通平键（A型）GB1096-79。
3.5 键的选择
键已标准化，设计时需要先根据工作要求和轴径上键的类型以及尺寸来选择键，然后再进行强度校核，键的材料按标准规定采用抗拉强度的钢，常用45钢。
本设计中的键均为减速器自带的键，即普通圆头A型。
验证电机轴上的转动惯量
（3.7）
电机的转子惯量为
所以选取合适 （3.8）
在确定了转动惯量之后，就要进行轴的具体尺寸确定：
实心轴的材料均选用45号钢，查表知轴的许用扭剪应力[] = 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120。
此轴传递扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w
（3.9）
因此与电机相连的轴直径必须大于28.5mm。

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