焊接机械手的结构设计.docx
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焊接机械手的结构设计
中期报告
撰写内容要求：
设计（论文）进展状况:
本阶段的主要任务是完成了外文文献的翻译，对机械手结构设计进行了更深层次的分析和理解，包括机械结构的设计和结构受力的分析。
通过以上分析，基本上完成了机械手的三维装配图，同时深刻体会到solidworks软件功能的强大；大概了解了机械结构在选用过程中所依据的原则。
1.在参考了大量文献资料的情况下，否定了开题报告中拟采用的谐波齿轮传动型机械手。
原因是现有的谐波减速器尺寸过大（最小的刚轮直径为25cm），超过了设计要求的工作区间（0cm-45cm）。
因此决定采用另一种结构形式。
2.由动力型旋转关节和前、下两臂组成。
关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。
动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。
3.整体效果如图1
图1
设计整体为4个自由度。
分别为：
焊枪相对于小臂回转；
小臂相对大臂回转；
大臂相对机架回转；
机架在水平有一个腰部回转。
电机采用伺服电机。
4.设计的工作原理如下：
5.首先腰部回转使机械手和焊点处于同一平面；接着大臂回转，小臂回转，调节焊枪和焊点的距离，使焊枪能够接触到焊点。
最后腕部回转，使焊枪能够垂直于焊点，以完成焊接作业。
6.设计出机械手腕部回转，小臂回转的机械结构如图2。
图2
左侧为电机，带动轴转动，轴和腕部刚性连接，从而带动腕部回转。
轴和小臂壳体之间加一个深沟球轴承，以抵消径向力，达到相对转动的目的；小臂壳体和腕部加一个角接触球轴承，以抵消径向力和轴向力，从而使他们可以产生相对转动。
7.腰部回转结构设计如图3
图3
电机安装在底座上，带动一个小齿轮，小齿轮带动大齿轮，大齿轮和壳体刚性连接。
壳体和底座间加一个角接触球轴承以实现相对转动。
存在问题及解决措施:
1.确定大体参数。
机械臂为大臂小臂两节，要求工作区间0cm-45cm，为满足工作区间要求，所以需要扩大1/3倍。
因为A2+B2≥2ab。
所以当c一定时，a=b机械臂为最短。
602=2A2。
即A≈42.43cm，取60cm。
2.大臂相对于腰部回转应该采用什么方式传动？
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。
对机器人的传动机构的一般要求有:
（l）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻。
（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时。
角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减小整机的低频振动;
（3）回差要小，即由止转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度;
（4）寿命长、价格低。
为了减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。
齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴的运动。
齿轮带的传动比计算公式为：
i=N1/N2=Z1/Z2
3.不能熟练的运用三维软件，在做装配图过程中总是出现报警等命令，致使工作无法正常进行。
其次，对机械结构的理解还不是很到位等。
通过与同学的探讨及老师的指点，使我对自己的毕业设计有了更深一步的认识。
我深深明白了设计与实际要紧密结合，要多动脑，勤思考。
平时要多练习软件。
后期工作安排:
1-2周：
计算并核算选型。
3-4周：
绘制设计相关的零件图和装配图。
5-6周：
撰写毕业论文。
7周：
准备答辩。
指导教师签字：
年月日
注：
1）正文：
宋体小四号字，行距20磅，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。
2）中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。
开题报告
毕业设计（论文）综述
背景和研究意义:
机器人的机械设计与一般的机械设计相比，既具有类似性，又有其独特性。
从机构学的角度来看，机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节连接起来的开式运动链。
与一般机构相比，机器人的开链结构型式具有灵巧性和空间可达性等，但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的，机械误差和弹性变形的累计，影响机器人的刚度和精度。
因此，机器人的机械设计既要满足强度要求，又要考虑刚度和精度。
另一方面，机器人的机械结构，特别是关节传动系统，是整个机器人伺服系统中的一个组成部分，无论是结构的紧凑性、灵巧性，还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能，都比一般机构有更高的要求。
对焊接机械手的结构设计进行研究，目的是寻找在不同要求下最优的机械结构，以最大效益的满足生产需要。
国内外相关研究情况:
点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为3大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统。
目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。
前者可具有1～3个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有5～6个自由度，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。
焊接机器人基本上都属于电动机驱动的工业机器人、液压驱动的工业机器人这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg以内。
点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。
也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。
工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒4个基本部分构成。
对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：
机械手机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器。
实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。
现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下3种：
1、机床式这种机械手结构类似机床。
其达到空间位置的3个运动。
是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。
简易和专用焊接机器人常采用这种形式。
2、全关节式这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现。
这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。
其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。
偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。
目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。
3、平面关节式这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。
这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用。
机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。
现以美国PUMA机械手为例来简述其内部机构，它是由机座、大臂、小臂、手腕4部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有3个旋转关节：
腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。
手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。
每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是4种方式：
齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。
传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。
其技术关键是要保证传动双向无间隙（即正反传动均无间隙），这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。
主要内容及研究方案、研究方法或措施
主要内容：
本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。
进行机械手的原理方案设计，比较并提出系统的总体方案。
根据技术要求进行系统的结构设计，同时对焊接机械手的驱动系统、机械手和焊接设备的机械接口等内容进行设计。
技术要求：
腰部回转最大角度280度；
摆动最大角度120度；
直线位移范围0-450mm，
研究方案、研究方法或措施：
先把本设计模块化处理，它包含选型（坐标型式），腰部回转，手臂俯仰，直线位移，焊枪与手臂结合5部分。
细化每部分的设计思路如下表：
1
2
3
4
坐标型式
直角坐标式
圆柱坐标式
球坐标式
关节式
腰部回转
齿轮传动
蜗轮蜗杆
带传动
手臂俯仰
齿轮传动
蜗轮蜗杆
带传动
直线位移
齿条传动
液压传动
气压传动
滚珠丝杠副
焊枪手臂结合
夹持式
吸附式
如图可得：
可能采用的方案共：
4x3x3x4x2=288种
本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。
方案一：
直角坐标式机械手，蜗轮蜗杆传动，直线位移液压传动，焊枪手臂结合吸附式。
方案二：
关节式机械手，齿轮传动，直线位移滚珠丝杠副。
焊枪手臂夹持式。
方案三：
直角坐标式机械手，齿轮传动，直线位移齿条传动，焊枪手臂结合夹持式。
方案四：
球坐标式机械手，齿轮传动，直线位移气压传动，焊枪手臂结合吸附式。
本设计中要求腰部回转和手臂俯仰，加工范围较大；尽可能减少机体空间更优；并要求进行电焊，因此对位置精度要求较高；焊枪要长时间工作。
因此选用方案二为最优方案。
本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
重点：
1、原理方案的确定
2、主要参数的确定
3、机身的结构设计与校核
难点：
各个部分的准确定位；
合理的机械结构以满足设计要求；
前期已开展工作：
在对焊接机械手有足够的了解之后，对设计提出构想，初步构想如图：
在设计中，机械手的关节均采用转动关节的形式，每个关节由两个箱体所组成。
两个箱体之间安装有能够承受径向和轴向载荷的深沟球轴承，通过轴承的传递实现一个相对转动，即能实现一个转动的自由度。
由于电机转速过快，需要减速。
因此箱体内部集成了一个谐波减速器，电机安装在与箱体1相连的连杆A内部，电机转子的转动通过谐波减速器减速传递到箱体2，箱体2带动与其相连的连杆B实现转动。
关节传动原理如图所示：
本设计采用模块化设计，故关节均采用上述的结构，分别为两种运动:
俯仰和回转。
需要实现回转动作的关节，把连杆安装在箱体的中轴线上;需要实现俯仰动作的关节，把连杆安装在箱体的侧壁。
对于直线位移部分：
导轨副的选用：
需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
丝杆螺母副的选用：
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。
滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）
1-3周：
接受设计任务，查阅相关资料，了解课题的背景和发展状况。
4-5周：
了解学习常用机械手设计的基础知识，初步原理方案的提出。
6周：
设计方案的优化比较，论证并选择最优方案。
7-8周：
机械手腰部回转结构的设计。
9-10周：
机械手摇臂结构的设计。
11-12周：
机械手与焊接设备的机械接口设计。
13：
设计机械手与焊接设备的接口。
14-15周：
绘制相关设计的零件图和装配图。
16-17周：
撰写毕业论文。
19周：
准备答辩。
5指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）
指导教师：
年月日
6所在系审查意见：
系主管领导：
年月日
参考文献
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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
Abstract
Thedesignforthedesignofweldingstructureofthemanipulator,themainresearchcontents:
thedesignofthewaistturningmechanism；structuredesignoflarge,smallarmandwristrotation.
Thisdesignbytheoveralllayoutwithreferencetotherelevantdesign,theexistingjointtypemanipulator,preliminarydeterminethemomentofinertiaofthewaist,soastodeterminethemotorselection,installationandotherrelateddesign.Completethedesignoftheoverallstructureoftheflexiblemanipulatorbasedonprecisionandthenext,andthenbasedontheoverallstructure,designofmechanicalarmtodeterminethedesignofallthemajorcomponentsofthe.
Thedesignofthemaincomponents,includingthehousingdesign,structuraldesignofshaft,bearingselection,designandcalculationofthesizeofmotor,armstructureandfixed.
Thedesignofthewholemadechangesintheexistingjointtypemanipulatorstructure,sothatitcanbettermeetthedesignrequirementofthisdesign.Thedesignhassimplestructure,lightweight,smallsize,lowcostofequipment,operationsafety,convenientoperation,easytorepairandmanagement.
KeyWords：
robotarm；harmonicdrive；structuredesign
1绪论
1.1机器人简介
工业机器人（英语：
industrialrobot。
简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。
它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。
它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。
机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：
“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统[1]。
”
工业机器人在经历了长期发展后，已经成为制造业中不可缺少的核心设备。
同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域意外的各个行业。
这些机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
1.1.1机器人的发展及应用
1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。
1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。
它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。
但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。
1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。
虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。
1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。
这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。
1956年在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：
智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。
这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。
1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。
随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。
由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。
1962年—1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。
人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。
1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。
Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。
20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。
美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。
1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。
它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。
Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。
1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。
1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。
PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
同年，他还预言：
“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。
1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。
2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。
Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。
机器人的未来发展将很快，应用范围更大，如设计工业、农业、运输、医药、科学研究等各个方面。
总的趋势是提高工作精度和运动速度，增加机构的自由度以提高通用性和灵活性。
降低结构自重，逐步采用标准化的模块式组合结构，开发传感器技术和机器人语言，同时根据内部信息和环境信息来控制机器人，采用计算机仿真技术以及实现机器人的智能化。
工业机器人的发展正从各个方面显露出它的强大势头。
从近几年来国际工业机器人会议上综合的情况来看，工业机器人发展的重点是具有智能的高级机器人以及低成本、稳定可靠的用于自动化生产的机器人。
空间探索、能源问题和人工智能是当代科学技术三大课题。
人工智能主要内容之一就是关于智能机器人的研究。
感受外界信息，理解和记忆信息，规划行动，人机对话，是智能机器人发展的四个主要问题。
在空间探索领域中，机器人技术具有美好的发展前景和广
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