焊接機械手的結(jié)構(gòu)設計開題報告.doc

畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：焊接機械手的結(jié)構(gòu)設計系別機電信息系專業(yè)機械設計制造及其自動化班級姓名學號導師2012年12月23日畢業(yè)設計（論文）綜述背景和研究意義:機器人的機械設計與一般的機械設計相比，既具有類似性，又有其獨特性。從機構(gòu)學的角度來看，機器人的機械結(jié)構(gòu)可看作是一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)、移動關節(jié)連接起來的開式運動鏈。與一般機構(gòu)相比，機器人的開鏈結(jié)構(gòu)型式具有靈巧性和空間可達性等，但由于開鏈式結(jié)構(gòu)實際上是一系列懸臂桿件串聯(lián)而成的，機械誤差和彈性變形的累計，影響機器人的剛度和精度。因此，機器人的機械設計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機器人的機械結(jié)構(gòu)，特別是關節(jié)傳動系統(tǒng)，是整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個組成部分，無論是結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性，還是在運動時的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能，都比一般機構(gòu)有更高的要求。對焊接機械手的結(jié)構(gòu)設計進行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機械結(jié)構(gòu)，以最大效益的滿足生產(chǎn)需要。國內(nèi)外相關研究情況:點焊機器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應用較廣的點焊機器人，其本體形式為直角坐標簡易型及全關節(jié)型。前者可具有13個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有56個自由度，能在可到達的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。焊接機器人基本上都屬于電動機驅(qū)動的工業(yè)機器人、液壓驅(qū)動的工業(yè)機器人這兩類工業(yè)機器人，弧焊機器人大多采用電動機驅(qū)動機器人，因為焊槍重量一般都在10kg以內(nèi)。點焊機器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅(qū)動方式的，因為液壓驅(qū)動機器人抓重能力大，但大多數(shù)點焊機器人仍是采用大功率伺服電動機驅(qū)動，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機器人是由機械手、控制器、驅(qū)動器和示教盒4個基本部分構(gòu)成。對于電動機驅(qū)動機器人，控制器和驅(qū)動器一般裝在一個控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動機器人，液壓驅(qū)動源單獨成一個部件，現(xiàn)分別簡述如下：機械手機器人機械手又稱操作機，是機器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器。實現(xiàn)各種運動和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務需要而定，其追求的目標是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F(xiàn)在工業(yè)機器人機械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下3種：1、機床式這種機械手結(jié)構(gòu)類似機床。其達到空間位置的3個運動。是由直線運動構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成，這種形式的機械手優(yōu)點是運動學模型簡單，控制精度容易提高；缺點是機構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機器人常采用這種形式。2、全關節(jié)式這種機械手的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)。這是工業(yè)機器人機械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點是機構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動范圍，但其運動學模型要復雜一些。目前焊接機器人主要采用全關節(jié)式機械手。3、平面關節(jié)式這種機械手的機構(gòu)特點是上下運動由直線運動構(gòu)成，其他運動均由旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機器人廣泛采用。機器人機械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機構(gòu)組合而成?，F(xiàn)以美國PUMA機械手為例來簡述其內(nèi)部機構(gòu)，它是由機座、大臂、小臂、手腕4部分構(gòu)成，機座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。每個關節(jié)都由一臺伺服電動機驅(qū)動，PUMA機械手是采用齒輪減速、桿傳動，但不同廠家采用的機構(gòu)不盡相同，減速機構(gòu)常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術(shù)關鍵是要保證傳動雙向無間隙(即正反傳動均無間隙)，這是機器人精度的機械保證，當然還要求效率高，機構(gòu)緊湊。主要內(nèi)容及研究方案、研究方法或措施主要內(nèi)容：本設計研究汽車車身焊接的機械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。進行機械手的原理方案設計，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。根據(jù)技術(shù)要求進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，同時對焊接機械手的驅(qū)動系統(tǒng)、機械手和焊接設備的機械接口等內(nèi)容進行設計。技術(shù)要求：腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度；擺動最大角度120度；直線位移范圍0-450mm，研究方案、研究方法或措施：先把本設計模塊化處理，它包含選型（坐標型式），腰部回轉(zhuǎn)，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結(jié)合5部分。細化每部分的設計思路如下表：1234坐標型式直角坐標式圓柱坐標式球坐標式關節(jié)式腰部回轉(zhuǎn)齒輪傳動蝸輪蝸桿帶傳動手臂俯仰齒輪傳動蝸輪蝸桿帶傳動直線位移齒條傳動液壓傳動氣壓傳動滾珠絲杠副焊槍手臂結(jié)合夾持式吸附式如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種本設計研究汽車車身焊接的機械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。方案一：直角坐標式機械手，蝸輪蝸桿傳動，直線位移液壓傳動，焊槍手臂結(jié)合吸附式。方案二：關節(jié)式機械手，齒輪傳動，直線位移滾珠絲杠副。焊槍手臂夾持式。方案三：直角坐標式機械手，齒輪傳動，直線位移齒條傳動，焊槍手臂結(jié)合夾持式。方案四：球坐標式機械手，齒輪傳動，直線位移氣壓傳動，焊槍手臂結(jié)合吸附式。本設計中要求腰部回轉(zhuǎn)和手臂俯仰，加工范圍較大；盡可能減少機體空間更優(yōu)；并要求進行電焊，因此對位置精度要求較高；焊槍要長時間工作。因此選用方案二為最優(yōu)方案。本課題研究的重點及難點，前期已開展工作重點：1、原理方案的確定2、主要參數(shù)的確定3、機身的結(jié)構(gòu)設計與校核難點：各個部分的準確定位；合理的機械結(jié)構(gòu)以滿足設計要求；前期已開展工作：在對焊接機械手有足夠的了解之后，對設計提出構(gòu)想，初步構(gòu)想如圖：在設計中，機械手的關節(jié)均采用轉(zhuǎn)動關節(jié)的形式，每個關節(jié)由兩個箱體所組成。兩個箱體之間安裝有能夠承受徑向和軸向載荷的深溝球軸承，通