六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)論文2019年6月六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)論文六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)論文#目錄摘要 第一章緒論及其發(fā)展 .機(jī)1器人的概念 操1作機(jī) 驅(qū)2動(dòng)單元 控3制裝置 人4工智能系統(tǒng) 第二章六自由度弧焊機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)...腕部設(shè)計(jì) .部1設(shè)計(jì)的總體要求 本次2設(shè)計(jì)的腕部有2個(gè)如圖所示2.2小臂的設(shè)計(jì) 小1臂設(shè)計(jì)的總體要求 2.3大臂的設(shè)計(jì) 大1臂設(shè)計(jì)的總體要求 大2臂設(shè)計(jì)的總體要求 電3機(jī)的選擇 .輪4的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) .腰關(guān)1節(jié)設(shè)計(jì)的總體要求 傳感器的選擇 第三章機(jī)器人設(shè)計(jì)展示 參考文獻(xiàn) 摘要近年來隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展焊接機(jī)器人逐漸成為一門新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。焊接機(jī)器人廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鑄造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別足在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，焊接機(jī)器人由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。總之，焊接機(jī)器人足提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改譽(yù)勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一一個(gè)重要手段，國(guó)內(nèi)外都很重視它的應(yīng)用和發(fā)展。本次設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)式機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，其中手腕關(guān)節(jié)具有三個(gè)自由度，其它的關(guān)節(jié)各具有一個(gè)自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要介紹關(guān)于機(jī)器人的一些基本常識(shí)和原理，包括機(jī)器人的組成、分類和主要技術(shù)性能參數(shù)并參考通用型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行六自由度弧焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)可行方案進(jìn)行了充分論證，用 和 等軟件設(shè)計(jì)出了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞:六自由度；弧焊機(jī)器人；控制系統(tǒng)第一章緒論及其發(fā)展機(jī)器人的概念機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人，通用型弧焊機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。其中，機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)身、關(guān)節(jié)型手臂、焊接工具。控制系統(tǒng)一般分為兩部分:一部分是主控微型計(jì)算機(jī)和從微型計(jì)算機(jī)或單片微型計(jì)算機(jī),微型計(jì)算機(jī)一般由主機(jī)、鍵盤、顯示器、輸入設(shè)備、輸入輸出接口組成:另-部分為控制柜，由輸入輸出接口、功率驅(qū)動(dòng)放大電路組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)-般為液壓驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，常以動(dòng)力站的形式單獨(dú)放置，控制程序編程多采用示教編程。這種結(jié)構(gòu)形式的通用型弧焊機(jī)器人在國(guó)內(nèi)流水生產(chǎn)作業(yè)線上得到了比較廣泛的使用。操作機(jī)操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能。通常由下列部分組成：（1）末端執(zhí)行器又稱手部是機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。（2）手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般有?個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。（3）手臂它由機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。（4）機(jī)座有時(shí)稱為立柱，是機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件。可分固定式和移動(dòng)式兩類。驅(qū)動(dòng)單元它是由驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)單元等組成的部件，是用來為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。控制裝置它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作。人工智能系統(tǒng)它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部分為決策－規(guī)劃智能系統(tǒng)。第二章六自由度弧焊機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)腕部設(shè)計(jì)腕部設(shè)計(jì)的總體要求腕部的設(shè)計(jì)質(zhì)量盡量小，而且需要滿足爪和小臂還有大臂之間的連接，六自由的焊接機(jī)器人手腕通常為3自由度。三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度的基礎(chǔ)上加一個(gè)整個(gè)手腕相對(duì)于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度用角度參數(shù)表示而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限制，即、B、Y都能在0 °范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度 ，也就是說具有百分之百的靈活度。這就是說手爪可自任意方向接進(jìn)物體，也可將物體轉(zhuǎn)到任意姿勢(shì)。所以三自由度是“萬向”型手腕，可以完成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來,大多數(shù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類:匯交手腕或稱正交手腕它是、B、Y的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。偏置式手腕它是、B、Y的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)。這兩類手腕都是把B、運(yùn)動(dòng)的減速器安裝在手腕上可簡(jiǎn)化小臂結(jié)構(gòu)但卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。本次設(shè)計(jì)的腕部有2個(gè)如圖所示可在第二個(gè)圖上加電機(jī)，調(diào)整作業(yè)范圍既可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。小臂的設(shè)計(jì)小臂設(shè)計(jì)的總體要求手臂桿的質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小，從而減輕支撐它的大臂桿及它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)小臂桿還要承受整個(gè)手腕的重量以及在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)載荷。大臂的設(shè)計(jì)大臂設(shè)計(jì)的總體要求六自由度弧焊機(jī)器人大臂的主要作用是用來承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿，因此六自由度弧焊機(jī)器人的大臂對(duì)整個(gè)機(jī)器人能否保持穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動(dòng)形式與小臂相同，都是由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪組實(shí)現(xiàn)大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。大臂設(shè)計(jì)的總體要求六自由度弧焊機(jī)器人大臂的主要作用是用來承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿，因此六自由度弧焊機(jī)器人的大臂對(duì)整個(gè)機(jī)器人能否保持穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動(dòng)形式與小臂相同，都是由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪組實(shí)現(xiàn)大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。大臂的整體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體實(shí)心結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是為了提高其力學(xué)性能包括大臂的剛度、強(qiáng)度以及抗彎能力。鋁合金的密度低、強(qiáng)度高、具有良好的抗腐蝕能力而且力學(xué)性能上接近或超過合金鋼。因此選用鋁合金作為大臂的材料，這樣可以減輕大臂的重量，從而減小驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)載，而且可以進(jìn)一步也減輕用于驅(qū)動(dòng)腰部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)載。電機(jī)的選擇1、大臂總體質(zhì)量的計(jì)算大臂的大體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體并且兩端中空，鉆有小孔。所以實(shí)際體積要小一些，在這里計(jì)算體積時(shí)帶入一折減系數(shù)，假設(shè)折減系數(shù)為0.。8材5料為鋁合金。體積義義義=0.0324m質(zhì)量 PXX3X=55.08kg2大臂對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為.-1XX22TOC\o"1-5"\h\z1 12*2平移到軸上.X211 1=4.77+X505.2508=18.*5m42kg、小臂對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小臂對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 *224大臂和小臂對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和總 *2125、總力矩的計(jì)算取大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度3 -d轉(zhuǎn)速為2取啟動(dòng)時(shí)間為1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為P -2慣性力矩 1總P.-*靜態(tài)力矩：當(dāng)大臂和小臂在一條直線時(shí)靜態(tài)力矩最大，此時(shí)TOC\o"1-5"\h\zX X9 *2摩擦力矩3：摩擦力矩近似等于 倍的靜態(tài)力矩綜上所述總力矩總=1X.0T5+2T=933.*m71N1取電機(jī)的轉(zhuǎn)速為電機(jī)=1500即角速度為3電機(jī)則總的傳動(dòng)比為總n/n電機(jī)TOC\o"1-5"\h\z故電機(jī)輸出端的負(fù)載力矩為T=T/電機(jī)總 總=9.3*電機(jī)輸出端的功率為 X3電機(jī) 電機(jī)=9.3X5306、選擇電機(jī)的型號(hào)一般對(duì)驅(qū)動(dòng)元件有以下幾方面要求：（1）慣量小，動(dòng)力大。驅(qū)動(dòng)元件在六自由度弧焊機(jī)器人中主要用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，同時(shí)比功率要大一些。（2）體積小，重量輕。主要評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)是功率密度，由于驅(qū)動(dòng)元件是安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的，如果驅(qū)動(dòng)元件過大，就會(huì)導(dǎo)致腰部回轉(zhuǎn)盤過大，所以這里要求驅(qū)動(dòng)元件的功率密度應(yīng)該盡可能的大些。（3）位置控制精度高，快速響應(yīng)性好，調(diào)速范圍大，低速平穩(wěn)。（4）振動(dòng)小，噪聲小，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。

(5)效率高，消耗的能源要盡可能的小。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性、調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍大、轉(zhuǎn)速比可以達(dá)到1:2、過0載0能力大、軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)短時(shí)過轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2.倍5以上，特殊要求時(shí)可以達(dá)到1。0綜合考慮各種電機(jī)，這里選用遼寧本溪山城電機(jī)廠生產(chǎn)電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為，額定電壓 ，功率，轉(zhuǎn)速 ，重量。電機(jī)需要調(diào)速，調(diào)速后轉(zhuǎn)速為 ,減速比為02.3.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算、選定材料、熱處理方式、精度等級(jí)及齒數(shù)(1)因?yàn)殡姶攀街绷魉欧姍C(jī)是經(jīng)過調(diào)速的，所以輸出端的速度較低，因此低速級(jí)選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。(2)選擇小齒輪材料,調(diào)質(zhì)處理，硬度(2)選擇小齒輪材料,調(diào)質(zhì)處理，硬度。大齒輪材料C調(diào)制處理，硬度 ，精度級(jí)。(3)取小齒輪齒數(shù)Z(3)取小齒輪齒數(shù)Z1=2，0則Z2X11,大齒輪齒數(shù) =22、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)I (7.Z\2十±1.[%寸Id>3 h——-mmTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1 。?四d確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值() X6( )n1 115 6X *(2)初選載荷系數(shù)為Kt=1.4()查表取齒寬系數(shù)為①(4)查表取彈性系數(shù)為ZE=18812.9MPa(5)查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為ZH=2.5()根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為。，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為O 。（7）取工作壽命為15年，每年工作25天0，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1X5XX1hX.1708大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=N/5=5X.170721（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為Z=1.，08ZN1 N2（9）取安全系數(shù)為SHb]二°印im-“1=1242MpaHiSH1°]—_Hlim2，Zn2=1332.8MpaH2SH確定傳動(dòng)尺寸（）初算小齒輪分度圓直徑 ，代入1° ］中較小的值1t H；2x1.4x378.18x103x(5+1)x(188.9x2.511x5X1242i =1x5X1242（）按值對(duì)1t進(jìn)行修正兀dn 兀x56.85x1500由圓周速度V= = =4.46m/s60x1000 60x1000查表取動(dòng)載荷系數(shù)為K=1.20V查表取齒間載荷分布系數(shù)為K=1.2a查表取齒向載荷分布系數(shù)為 P查表取使用系數(shù)為K=1.00A所以載荷系數(shù)K=KxKxKxK=1.54AVaB按值對(duì) 進(jìn)行修正1t■ ■K~- 1.54一-d=dxq，一二56.85x3- =58.68mm1 113K ，1.4t1()確定模數(shù)以及主要尺寸,取整中心距分度圓直徑1分度圓直徑1X1 0 2XZm2,大齒輪齒寬2齒寬b=。-d=60mm,大齒輪齒寬2d1 1齒頂高h(yuǎn)=h=h*-m=3mm，齒根高h(yuǎn)=h=(h*+c*)m=3.75mma1 a2 a f1 f2 a3、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。二"?y.y4]FbmFBF確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值TOC\o"1-5"\h\z(1)查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)Y=0.，95Y=0.98N1 N2(2)查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)Y=2.，8Y0=1.55F1 S1Y=2.，1Y8=1.79F2 S2()查表取彎曲疲勞極限o =o(4)取彎曲疲勞系數(shù)S=1.25F可得o=(o -Y)/S=539.6MpaF Flim1N1F0 -Y]/S=556.64MpaTOC\o"1-5"\h\zFlim2N2 F(5)驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度o=K-F-Y-Y/(bm)=2K-T-Y-Y/(bmd)=432Mpa<0]F1 tF2S2 1F1S1 1 F1o=o.Y-Y/(Y-Y)=388Mpa<0]F2 F1F2S2 F1S1 F2彎曲疲勞強(qiáng)度足夠腰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)腰關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的總體要求六自由度弧焊機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)的主要作用是承受大臂、小臂、腕部以及驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)系統(tǒng)的重量。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接在一起，電機(jī)帶動(dòng)腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤繞其中心旋轉(zhuǎn)完成所要求的動(dòng)作。因?yàn)榱杂啥然『笝C(jī)器人的主體部分都安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤，所以要求整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及手臂運(yùn)行過程中的平衡。傳感器的選