六自由度焊接機器人設計

1、畢業(yè)設計（ 論文） 中文摘要題 目:六自由度焊接機器人摘要：機器人焊接機，又稱焊接機器人，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。焊接機器人有下列主要意義：穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性；改善了工人的勞動條件；提高勞動生產(chǎn)率；產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量；可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應的設備投資。本文通過結(jié)合圖形，詳細闡述了關節(jié)型六自由度焊接機器人設計的主要過程， 進行整體方案確定，選擇驅(qū)動方式，明確各關節(jié)的具體傳動方案，并且介紹了確 定各技術參數(shù)、零件尺寸、詳細結(jié)構設計的方法與過程，最后進行各主要零部件 的校核計算。通過各個步驟的詳細設計和計算，最終得出了六自由度焊接機器人最終設計

2、的整體方案，實現(xiàn)了焊接機器人的具體工作范圍要求。關鍵詞：關節(jié)型、六自由度、焊接機器人、結(jié)構設計、驅(qū)動方式、傳動、校核畢業(yè)設計（ 論文） 外文摘要TitleSix Degrees of Freedom Welding RobotAbstractRobot welding machines, also known as welding robots, is engaged in industrial robots(including cutting and spraying). Welding robot has big important meanings as the followings:

3、stability and improve the welding quality and to ensure its homogeneity; improve the working conditions of workers; improve labor productivity; product life cycle is clear, easy to control the product yield; shorten the replacement cycle of product modifications, reducing the corresponding investmen

4、t in equipment.Through a combination of graphics, the paper elaborate on the six degrees of freedom articulated welding robot design process, to conduct an overall program to identify, select the drive mode, clear the joint transmission scheme, and determine the technical parameters, part size, deta

5、iledstructural design methods and process, the final check of all major components of the calculation.Through the various steps of the detailed design and calculation, the paper ultimately come to the final design of the overall program of six degrees of freedom of welding robots, welding robot spec

6、ific scope of work requirements.Keywords：Polyarticular,sixdegreesoffreedom,weldingrobots, structural design, drive, drive, check目錄1緒論21.1課題研究的目的和意義41.2本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢51.3本次設計主要完成的工作72焊接機器人總體方案確定72.1總體傳動方案72.2驅(qū)動方式選擇72.3各關節(jié)傳動方案83技術參數(shù)的確定及詳細結(jié)構設計123.1主要技術參數(shù)確定123.2傳動結(jié)構設計163.3詳細結(jié)構設計184零部件的計算及校核264.1直齒圓錐齒輪的

7、校核計算264.2直齒圓柱齒輪的校核計算294.3軸的校核計算36結(jié)論38參考文獻39致謝401緒論“機器人”一詞最早出現(xiàn)于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的劇本羅薩姆的萬能機器人中。1984 年，ISO（國際標準化組織）采納了美國機器人協(xié)會（RIA）的建議，給機器人下了個定義，即“機器人是一種可反復編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作工具，為了執(zhí)行不同任務而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of materials,p

8、arts,tools or specialized systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks）”。1工業(yè)機器人作為現(xiàn)代制造技術發(fā)展重要標志之一和新興技術產(chǎn)業(yè)，已為世人所認同，并正對現(xiàn)代高技術產(chǎn)業(yè)各領域以至人們的生活產(chǎn)生重要影響。機器人是柔性自動化的集中體現(xiàn)。自從美國推出世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate 以來，機器人技術的研究和發(fā)展過程經(jīng)歷了三個階段：（1）第一代是示教再現(xiàn)型的機器人，這類機器人不具備外界信息反饋能力，很難適應變化的環(huán)境。目前這類機器人仍在一些工業(yè)

9、生產(chǎn)線上應用著；（2）第二代是具有一定的感知能力的機器人，它們對外界環(huán)境有一定的感知能力，具備聽覺、視覺、觸覺等功能，根據(jù)傳感器獲得的信息靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證能夠在簡單的動態(tài)環(huán)境中完成預期的任務。（3）第三代是智能機器人，它不僅具有很強的感知能力，而且具有獨立的判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，甚至具有任務級的編程能力，因而操作者可以通過非常簡單的操作使之完成更加復雜的任務。焊接是制造業(yè)中重要的加工工藝方法之一，由于諸多飛速發(fā)展著的因素的推動，焊接制造工藝正經(jīng)歷著從手工焊到自動焊的過渡。焊接過程自動化、機器人化以及智能化已成為焊接行業(yè)的發(fā)展趨勢，智能化焊接技術已成為焊接界研究的新熱點

10、。機器人焊接機，又稱焊接機器人，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂，是一個機電一體化設備。2（a）（b）圖 1焊接機器人產(chǎn)品（a）（b）圖 2焊接機器人加工狀態(tài)焊接機器人分類按用途來分類，可以分為：（1）弧焊機器人（2）點焊機

11、器人。按結(jié)構坐標系特點分為：（1）直角坐標型（2）圓柱坐標型（3）球坐標型（4）全關節(jié)型。根據(jù)受控運動方式分為：（1）點位控制（PTP）型（2）連續(xù)軌跡控制（CP）型。安驅(qū)動方式分為：（1）氣壓驅(qū)動（2）液壓驅(qū)動（3） 電器驅(qū)動。3智能化焊接機器人（IWR）系統(tǒng)由 6 自由度弧焊機器人本體外加一個自由度的攝像機、熔透控制計算機、含及接口控制和、電焊機和送絲機等部分構成。3焊接機器人的基本組成4：1.1課題研究目的和意義傳統(tǒng)的焊接工藝實施主要依靠手工操作和人工經(jīng)驗，在我國，人工焊接仍 然占據(jù)著焊接作業(yè)的主導地位，其具有環(huán)境惡劣、勞動強度高、生產(chǎn)效率低、 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的特點，難以實現(xiàn)高精度的焊接

12、要求。隨著計算機與自動化技 術的滲透，焊接作業(yè)已經(jīng)由傳統(tǒng)的手工作業(yè)逐步發(fā)展成一定規(guī)模的機械化、自 動化以及機器人焊接制造。由于焊接機器人具有高效率、質(zhì)量穩(wěn)定、通用性強、工作可靠的優(yōu)點，受到人們越來越多的重視。采用機器人焊接已成為焊接自動 化技術現(xiàn)代化的主要標志。焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的 40%以上，與焊接這個特殊的行業(yè)有關，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義：1穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。2改善了工人的勞動條

13、件。3提高勞動生產(chǎn)率。4產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。5可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應的設備投資。1.2本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢4-11自從世界上第一臺工業(yè)機器人 UNIMATE 于 1959 年在美國誕生以來，機器人的應用和技術發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：第一代是示教再現(xiàn)型機器人；第二代 是具有感知能力的機器人；第三代是智能型機器人。在國際范圍內(nèi)，工業(yè)機器 人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動化設備，已廣泛應用于汽車、摩托車、工程機械、電子信息、家電、化工等行業(yè)，主要用于完成焊接、裝配、搬運、加工、噴涂 和碼垛等復雜作業(yè)。日本、北美、歐洲、韓國等工業(yè)經(jīng)濟發(fā)達國家和地區(qū)是工 業(yè)機器人生產(chǎn)和應用的主要

14、地區(qū)。目前，國內(nèi)外大量應用的焊接機器人系統(tǒng)，從整體上看基本都屬于示教再現(xiàn)型的焊接機器人。這類焊接機器人對焊接作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴格，焊接過程中缺乏“柔性”和適應性，表現(xiàn)出明顯的缺點。為了克服機器人焊接過程中各種不確定性因素對焊接質(zhì)量的影響，提高機器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性，研究探索智能化焊接機器人的關鍵技術已成為必需。為了改進示教再現(xiàn)型焊接機器人的適應功能，需要從模仿焊工觀察感覺、思考決策、以及協(xié)調(diào)操作等人工智能行為入手，研究智能焊接機器人的關鍵技術，并發(fā)展智能型的焊接機器人，推進機器人焊接的智能化水平提高。我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于 20 世紀 70 年代。到 80 年

15、代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常熟悉 的工業(yè)產(chǎn)品。鑒于國內(nèi)外形勢，國家先后將工業(yè)機器人的開發(fā)計劃納入“七五” 計劃和“863”計劃，以及后來的“八五”、“九五”計劃。在國家的組織和支持下，經(jīng)過幾十年的努力，我國焊接機器人的研究在基礎技術、控制技術、關鍵 元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器 人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。我國目前應用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種，但是其中國產(chǎn)機器人的數(shù)量不足 100 臺。日系主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系主要有德國的 KUKA、CLOOS，瑞典的 A

16、BB，意大利的COMAU 及奧地利的 IGM 公司的產(chǎn)品。國產(chǎn)的主要是沈陽新松機器人公司的產(chǎn)品。我們應該承認，國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的產(chǎn)品，經(jīng)歷了 30 多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高。而我國處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)，沒有進入成熟期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術產(chǎn)品，單靠企業(yè)自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。為了適應工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復雜、動態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，發(fā)達國家都在加大力

17、度，對機器人技術進行深入研究。從技術發(fā)展趨勢看，智能化控制技術將是焊接機器人技術發(fā)展的主要方向。焊接機器人在高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。近年來，焊接機器人技術的研究與應用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術、仿真技術、焊接工藝方法、遙控焊接技術等方面取得了許多突出的成果。隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、智能控制技術、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機器人技術領域還有很多亟待我們?nèi)パ芯康膯栴}，特別是焊接機器人的視覺控制技術、模糊控制技術、智能化控制技術、嵌入式控制技術、虛擬現(xiàn)實技術、網(wǎng)絡控制技術等將是未來研究的主要方向。在“十五”期間，我國曾把

18、包括焊接機器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人 的產(chǎn)業(yè)化關鍵技術作為重點研究內(nèi)容之一，其中包括焊接機器人(把弧焊與點焊 機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切 割作業(yè))產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計；弧焊機器人用激光視覺 焊縫跟蹤裝置的開發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD 成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術， 視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制；焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿 真等。在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的基礎制造裝備；另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術，踩在別人的肩膀上，盡快縮短

19、和別人的差距。并通過應用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術創(chuàng)新和關鍵設備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位。1.3本次設計主要完成的工作本次設計主要完成工作有：確定焊接機的傳動原理方案，進行相關運動學分析，確定焊接機的結(jié)構方案、整體布局，進行相關零、部件設計和機械結(jié)構設計。具體相關工作包括：焊接機器人運動方式的確定、動力裝置的選取、各個傳動關節(jié)傳動機構設計、減速機構選取、機器人詳細設計（手腕結(jié)構設計、小臂結(jié)構設計、大臂結(jié)構設計、腰部結(jié)構設計、基座結(jié)構設計）、前中期報告及設計說明書的編寫。所有的設計過程，遵循著二維三維二維的設計流程，即先擬出系統(tǒng)二維平面結(jié)構草圖，確定方案后進行三維實體建模并虛

20、擬裝配，進行部件、零件間的干涉檢查；待檢查無誤后，再次進行圖紙的繪制。2焊接機器人總體方案確定2.1總體傳動方案焊接機器人設計歸結(jié)為機器手（臂）的設計。綜合考慮了焊接機器人的動作位姿及對軌跡的要求，最終決定選用關節(jié)型機器人。因為關節(jié)型機器人的工作范圍大，運動靈活，避障能 力好。這樣，本次設計的焊接機器人共包括五個部分， 即：底座、腰部、大臂、小臂、手腕?？傮w傳動機構 包括六個自由度，分別為：腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕繞小臂的回轉(zhuǎn)、手腕端部俯仰和手腕端部回轉(zhuǎn)。（詳見圖 4）2.2驅(qū)動方式選擇圖 4機構傳動簡圖工業(yè)機器人的驅(qū)動方式大致可分為液壓、氣動、電動三種方式。12.2.1液壓驅(qū)動液壓

21、驅(qū)動輸出功率大機器人有很大的抓取能力，可高達上百公斤，液壓力可達 7Mpa。液壓傳動平穩(wěn)可靠，響應速度快，可實現(xiàn)定位伺服，易與 CPU 連接。但液壓驅(qū)動需要配置液壓系統(tǒng)，難以小型化，液壓源和液壓油要求嚴格， 容易產(chǎn)生泄漏而影響運動精度。2.2.2氣壓驅(qū)動氣壓傳動的機器人結(jié)構簡單，動作迅速，價格低廉，氣壓驅(qū)動氣源方便， 容易達到高速傳動，氣源系統(tǒng)簡單、清潔無污染。但氣動系統(tǒng)體積大，功率小， 而且由于空氣可壓縮，因而運動平穩(wěn)性差，位置精度底，遠距離傳輸困難，難 于伺服。2.2.3電動驅(qū)動電動驅(qū)動是目前在工業(yè)機器人領域中應用最多的一種驅(qū)動方式。電動驅(qū)動的位置精度高，控制簡單，編程容易，動作響應快，停

22、止性好，能實現(xiàn)定位伺服，體積小，動力大，易與 CPU 連接。缺點主要是在傳輸功率較大是過載差， 易受外部噪聲影響。通過上面敘述，不難發(fā)現(xiàn)，電動驅(qū)動方式應用廣泛，技術成熟，并且具有較高的位置精度，控制簡單，動作響應快，停止性好等優(yōu)點，而在本次焊接機器人主要是傳動，功率不是很大，故設計中采用電動驅(qū)動的方式，電機選用伺服電動機。本次焊接機器人所選用的伺服電機，全部采用安川伺服電機，通過安川伺 服電機數(shù)據(jù)手冊-系列 SGMH/SGDM 用戶手冊 伺服的選型與數(shù)據(jù)表來進行選取。主要選取 SGMAH 系列和 SGMPH 系列伺服電機。2.3各關節(jié)傳動方案系統(tǒng)傳動方案，各個關節(jié)的運動相互獨立，互不影響，每個

23、關節(jié)都由一個伺服電機驅(qū)動。動力由伺服電機輸出后，經(jīng)由齒輪傳動或同步帶傳動到達關節(jié)軸，進而驅(qū)動關節(jié)軸進行旋轉(zhuǎn)，從而滿足關節(jié)的回轉(zhuǎn)、俯仰要求。在這六個關節(jié)中，有兩個個關節(jié)應用了直齒圓錐齒輪傳動，以改變動力傳遞的方向；三個關節(jié)使用了直齒圓柱齒輪傳動；四個關節(jié)使用了同步帶輪傳動。下面對各個關節(jié)的結(jié)構給于詳細說明。說明：為了簡化記憶，現(xiàn)將各個關節(jié)予以編號如下：A 關節(jié)（手腕端部回轉(zhuǎn)）、B 關節(jié)（手腕端部俯仰）、C 關節(jié)（手腕繞小臂回轉(zhuǎn)）、D 關節(jié)（小臂俯仰）、E 關節(jié)（大臂俯仰）、F 關節(jié)（腰部回轉(zhuǎn)）2.3.1A-B 關節(jié)傳動方案（手腕端部回轉(zhuǎn)及手腕端部俯仰關節(jié)）（詳見圖 5），動力的具體傳動路線是：A

24、 關節(jié)電機位于小臂的末端位置動力從電機軸輸出后，經(jīng)過一個聯(lián)軸器由長軸傳動到手腕部位，圖 5A-B 關節(jié)傳動方案然后經(jīng)過一組 1：1 錐齒輪改變傳動方向，動力被傳遞到一組 12：16 的同步帶輪上，然后再經(jīng)過一組 1：1 錐齒輪改變動力運動方向，最終將動力傳遞到手腕回轉(zhuǎn)關節(jié)。B 關節(jié)電機同樣位于小臂的末端，動力從電機軸輸出后，經(jīng)過一組 18：28 的同步帶輪傳到一長軸上，經(jīng)長軸傳遞到手腕前部，再由一組 1：1 錐齒輪改變運動方向，經(jīng)一組 18：24 的同步帶輪， 最終將動力傳送到手腕的俯仰關節(jié)。其中，A、B 關節(jié)兩個長軸為空心嵌套結(jié)構，手腕回轉(zhuǎn)關節(jié)傳動長軸為心軸，俯仰關節(jié)傳動長軸為空心軸，兩軸動

25、力方向各不干預?？傊谑滞?A、B 關節(jié)處，最終安排了三對錐齒輪傳動，其中 A 關節(jié)兩對，B 關節(jié)一對；三組同步帶傳動，其中 A 關節(jié)一對，B 關節(jié)兩對。兩個電機均放在小臂末端，這主要是考慮到配重的問題，電機可以充當一定的平衡配重，有利于增強運動的易控性。A 關節(jié)動力的最終傳遞路線為：伺服電機 A聯(lián)軸器長軸（心軸）錐齒輪（1：1）同步帶輪（12：16）錐齒輪（1：1）手腕端部回轉(zhuǎn)軸B 關節(jié)動力的最終傳遞路線為：伺服電機 B同步帶輪（18：28）長軸（空心軸）錐齒輪（1：1）同步帶輪（18：24）手腕端部俯仰軸。2.3.2C 關節(jié)傳動方案（手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)）（詳見圖 6）電機放置在小臂后方，

26、同兩個腕部電機一樣安放在了小臂的最末端。這樣可以安排的作用是可以平衡配重，使機器人具有更好的運動性能。動力由電機輸出后，經(jīng)過一組 24：40 的同步帶輪傳遞到小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)處。從軸的安放位置上來考慮，將軸與傳遞手腕動力的兩個長軸同軸配置，三根軸成為互相包容的空心軸結(jié)構。這樣不僅解決了三根軸的結(jié)構安置，而且節(jié)省了空間， 使結(jié)構的安排更加簡潔合理。同步帶輪與小臂回轉(zhuǎn)軸的連接選用花鍵連接，在花鍵端部空心軸圖 6C 關節(jié)傳動方案端部做出固定擋板的螺紋孔，用以軸向固定。C 關節(jié)動力的最終傳遞路線為：伺服電機 C同步帶輪（24：40）手腕繞小臂回轉(zhuǎn)軸2.3.3 關節(jié)傳動方案（小臂俯仰關節(jié)）（詳見圖 7） 動

27、力經(jīng)由電動機輸出后，經(jīng)過一組 24：28 的同步帶輪傳遞到齒輪組小齒輪上，然后經(jīng)由25：75 漸開線圓柱直齒齒輪將動力最終傳遞到小臂-大臂回轉(zhuǎn)關節(jié)軸上。通過優(yōu)化結(jié)構，使得上述傳遞結(jié)構非常緊湊，這樣不僅減少了系統(tǒng)復雜程度， 而且減輕了重量。由 D 關節(jié)傳動方案圖可以看出，D 關節(jié)的伺服電機、同步帶輪及齒輪組均安置在了大臂上，這樣不僅使得系統(tǒng)重心下移，而且使小臂不用再增加多余的零件，僅靠兩個法蘭盤與大臂連接，減輕了小臂的重量與復雜度，使小臂專門負責提供手腕的動圖 7D 關節(jié)傳動方案力，安置手腕的結(jié)構。D 關節(jié)的這種配置，直接為手腕結(jié)構設計及小臂設計提供了方便。D 關節(jié)動力的最終傳遞路線為：伺服電機

28、 D同步帶輪（24：28）漸開線圓柱直齒齒輪（25：75）小臂俯仰軸2.3.4E 關節(jié)傳動方案（大臂俯仰關節(jié)）（詳見圖 8）類似小臂的回轉(zhuǎn)關節(jié)，關節(jié)的動力傳動包括一組同步帶輪和一組漸開線直齒圓柱齒輪。具體的傳動路線是：E 關節(jié)電機位于腰部基體上，動力從電動機軸輸出后，經(jīng)由一組 24：28 的同步帶輪傳遞到一組 25：100 的直齒圓柱齒輪上， 然后再由直齒圓柱齒輪組的大齒輪傳遞到大臂俯仰關節(jié)軸上。通過優(yōu)化結(jié)構，使得上述傳遞結(jié)構非常緊湊，而且將中間環(huán)節(jié)考慮到的增加二級齒輪減速箱（詳見中期報告）進行了簡化，減少了系統(tǒng)復雜程度，減輕了重量。由 E 關節(jié)傳動簡圖可以看出，E 關節(jié)的伺服電機、同步帶輪及

29、齒輪組小齒輪均安置在了腰部的基體上，這樣不僅使得系統(tǒng)的重心下移，而且使大臂不用再增加多余的零件，僅靠兩個法蘭盤與腰部連接，通過齒輪組的大齒輪傳遞俯仰動力。這樣不僅減輕了大臂的重量，而且降低了大臂的復雜度，使大臂專門負責提供小臂與手腕的支撐與動力。E 關節(jié)的這種配置，也為小臂及手腕等下級結(jié)構設計提供了方便。E 關節(jié)動力的最終傳遞路線為：伺服電機 E同步帶輪（24：28）漸開線圓柱直齒齒輪（25：100）大臂俯仰軸2.3.5F 關節(jié)傳動方案（腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)）（詳見圖 9）圖 8E 關節(jié)傳動方案動力由電機軸輸出后經(jīng)由一組蝸輪蝸桿直接傳動到關節(jié)軸上。在本關節(jié)中， 動力的傳輸很簡單，由電機軸輸出的動力，通

30、過一組蝸輪蝸桿傳輸?shù)窖炕剞D(zhuǎn) 軸上?；剞D(zhuǎn)軸的支撐采取推力球軸承+深溝球軸承的組合，這樣設計的原因是由于手腕、小臂、大臂及腰部的所有重量都要加在回轉(zhuǎn)軸上，即載荷方向垂直水平面向下。在腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)的傳 動系統(tǒng)中，通過 推力軸承來承擔 全部的垂直方向 載荷（主要是機 器人自身的重力）。而由于水平方向載荷較少，故只用一個深溝球軸承來承擔回轉(zhuǎn)軸的徑向載荷。3技術參數(shù)的確定及詳細結(jié)構設計3.1主要技術參數(shù)的確定主要技術參數(shù)主要是指電機功率的確定及電機型號的選取。在最終比較并確定了傳動方案后，就要對各軸的驅(qū)動電機進行選取。前面已經(jīng)提到，本次設計中所涉及到的伺服電機，全部從安川伺服電機數(shù)據(jù)手冊-系列SGMH/

31、SGDM 用戶手冊 伺服的選型與數(shù)據(jù)表中來進行選取。選取過程如下：根據(jù)已有各關節(jié)運動參數(shù)要求可確定各關節(jié)的驅(qū)動電機的功率及轉(zhuǎn)速。（各關節(jié)運動參數(shù)要求詳見表 1）表 1各運動關節(jié)參數(shù)關節(jié)軸序號關節(jié)軸名稱最大動作速度要求許用扭矩A 軸腕部回轉(zhuǎn)關節(jié)9.08rad/s520/s2.9 NmB 軸腕部俯仰關節(jié)5.93rad/s340/s8.8 NmC 軸小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)5.93rad/s340/s8.8 NmD 軸小臂關節(jié)2.97rad/s170/sE 軸大臂關節(jié)2.79rad/s160/sF 軸腰關節(jié)2.62rad/s150/s下面分別對各關節(jié)驅(qū)動電機進行選取。3.1.1A 關節(jié)（手腕端部回轉(zhuǎn)）驅(qū)動電機：

32、根據(jù)已有設計要求參數(shù)，A 關節(jié)最大運動速度為 9.08rad/s （520/s），即86.67r/min；許用扭矩為 2.9 Nm ，根據(jù)公式 P=T 可得到最終的輸出功率為P=T=2.99.08=26.332W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，A 關節(jié)驅(qū)動電機最終選取安川SGMAH-A5-AJC 型伺服電機。部分電機參數(shù)如下：輸出功率 PN=50W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩TN=0.159Nm電機的實際轉(zhuǎn)速為：n1=21(1612)86.67=2427r/min 電機軸的實際扭矩為：T1=2.9/(211612)=0.104 Nm TNT1nN

33、n1PNP 滿足條件。3.1.2B 關節(jié)（手腕端部俯仰）驅(qū)動電機：根據(jù)已有設計要求參數(shù)，B 關節(jié)最大運動速度為 5.93rad/s （340/s），即56.67r/min；許用扭矩為 8.8 Nm ，根據(jù)公式 P=T 可得到最終的輸出功率為P=T=8.85.93=52.184W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，B 關節(jié)驅(qū)動電機最終選取安川SGMAH-01-AJ7 型伺服電機。部分電機參數(shù)如下：輸出功率 PN=100W，自帶 1/33 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=0.318Nm電機的實際轉(zhuǎn)速為：n1=33(28/18)56.67=2909r/min電機軸的實際

34、扭矩為：T1=8.8/(33281824/18)=0.129 Nm TNT1nNn1PNP 滿足條件。3.1.3C 關節(jié)（手腕繞小臂回轉(zhuǎn)）驅(qū)動電機：根據(jù)已有設計要求參數(shù)，C 關節(jié)最大運動速度為 5.93rad/s （340/s），即56.67r/min；許用扭矩為 8.8 Nm ，根據(jù)公式 P=T 可得到最終的輸出功率為P=T=8.85.93=52.184W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，C 關節(jié)驅(qū)動電機最終選取安川SGMAH-01-AJ7 型伺服電機，與 B 關節(jié)相同。部分電機參數(shù)如下：輸出功率 PN=100W，自帶 1/33 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN

35、=0.318Nm電機的實際轉(zhuǎn)速為：n1=33(40/26)56.67=2877r/min 電機軸的實際扭矩為：T1=8.8/(3340/26)=0.173 Nm TNT1nNn1PNP 滿足條件。3.1.4D 關節(jié)（小臂俯仰）驅(qū)動電機：D 關節(jié)為小臂俯仰關節(jié)，驅(qū)動的負載包括 A、B、C 三個關節(jié)及附屬結(jié)構?，F(xiàn)估取 D 關節(jié)的驅(qū)動負載為 25kg，傳遞扭矩為克服重力做功的繞 D 關節(jié)力矩T=mgl=25100.6=150 Nm (估取力臂為 0.6m)D 關節(jié)最大運動速度為 2.97rad/s（170/s），即 28.33r/min，根據(jù)公式P=T 可得到最終的輸出功率為 P=T=1502.97

36、=445.5W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，D 關節(jié)驅(qū)動電機最終選取安川SGMPH-08A-AJC 型伺服電機。部分電機參數(shù)如下：輸出功率 PN=750W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=2.39Nm傳動系統(tǒng)還包括一組 24：28 的同步帶輪及一組 25：75 的漸開線直齒圓柱齒輪，故：電機的實際轉(zhuǎn)速為：n1=21(28/24)(75/25)28.33=2082r/min 電機軸的實際扭矩為：T1=150/(21(28/24)(75/25)=2.04Nm TNT1 nNn1 PNP 滿足條件。3.1.5E 關節(jié)（大臂俯仰）驅(qū)動電機：E 關節(jié)為

37、大臂俯仰關節(jié)，驅(qū)動的負載包括 A、B、C、D 四個關節(jié)及附屬結(jié)構?，F(xiàn)估取 E 關節(jié)的驅(qū)動負載為 60kg，傳遞扭矩為克服重力做功的繞 E 關節(jié)力矩 T=mgl=60100.6=360 Nm (估取力臂為 0.6m)E 關節(jié)最大運動速度為 2.79rad/s（160/s），即 26.67r/min，根據(jù)公式P=T 可得到最終的輸出功率為 P=T=3602.79=1004W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，E 關節(jié)驅(qū)動電機最終選取安川SGMPH-15A-AJC 型伺服電機。部分電機參數(shù)如下：輸出功率 PN=1500W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=

38、4.77Nm傳動系統(tǒng)還包括一組 24：24 的同步帶輪及一組 25：100 的漸開線直齒圓柱齒輪， 故：電機的實際轉(zhuǎn)速為：n1=21(100/25)26.67=2800r/min 電機軸的實際扭矩為：T1=360/(21(100/25)=3.43Nm TNT1 nNn1 PNP 滿足條件。3.1.6F 關節(jié)（腰）驅(qū)動電機：F 關節(jié)為腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)，驅(qū)動的負載包括 A、B、C、D、E 五個關節(jié)及附屬結(jié)構。現(xiàn)估取 F 關節(jié)的驅(qū)動負載為 100kg，傳遞扭矩為克服重力做功的繞 E 關節(jié)力矩 T=mgl=100100.4=400 Nm (估取力臂為 0.4m)F 關節(jié)最大運動速度為 2.62rad/s（

39、150/s），即 25r/min，根據(jù)公式P=T 可得到最終的輸出功率為 P=T=4002.62=1048W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，E 關節(jié)驅(qū)動電機最終選取安川SGMPH-15A-AJC 型伺服電機(與 E 關節(jié)相同)。部分電機參數(shù)如下：輸出功率 PN=1500W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=4.77Nm傳動系統(tǒng)還包括一組 6：31 的蝸輪蝸桿，故：電機的實際轉(zhuǎn)速為：n1=21(31/6)25=2712.5r/min電機軸的實際扭矩為：T1=400/(21(31/6)=3.67Nm TNT1nNn1PNP 滿足條件。（各關節(jié)驅(qū)動電機

40、選取結(jié)果詳見表 2）表 2各關節(jié)電動機選取表A 軸B 軸C 軸D 軸E 軸F 軸電機參數(shù)電機型號SGMAH-A5-AJCSGMAH-01-AJ7SGMPH-08A-AJCSGMPH-15A-AJC輸出功率(W)501007501500額定轉(zhuǎn)速(r/min)3000300030003000額定扭矩(Nm)0.1590.3182.394.77自帶減速器參數(shù)減速比1/211/331/211/21額定扭矩/效率(Nm)/%2.67/808.40/8040.2/8080.1/80瞬時最大扭矩(Nm)9.0728.4134270額定轉(zhuǎn)速(r/min高轉(zhuǎn)速(r/min)190121

41、190190大致重量(kg)1.32.414.221.6附加齒輪減速器無無無1/31/56/313.2傳動結(jié)構設計由于各個關節(jié)的傳動方案已經(jīng)在方案比較論證中確定下來,所以在此只是對齒輪組予以設計。同步帶輪由于是標準件，可以直接選用。3.2.1錐齒輪傳動設計在本次設計中，一共有三組錐齒輪（手腕端部回轉(zhuǎn)關節(jié)兩組，手腕端部俯仰關節(jié)一組）。由于這三組錐齒輪傳遞負載相當，尺寸相近，故為了簡化設計生產(chǎn)，減少工作量，將這三組錐齒輪采用同樣的齒數(shù)、模數(shù)、材料及加工方法， 只是局部結(jié)構予以修改。每對錐齒輪兩軸之間的交角 =90齒數(shù)比 Z1:Z2=20：20=1：1（其他幾何尺寸詳見表 3）：表 3錐齒輪參數(shù)名稱

42、代號計算公式及結(jié)果分錐角d1d1 = d2 = arctan(z1 / z2 )= 45齒頂高hah = h*m = m = 2.5aa齒根高h fh = (h* + c* )m = 1.2m = 3fa分度圓直徑dd1 = d 2 = mz1 = 50齒頂圓直徑dada1 = da 2 = d + 2ha cosd1 = 53.54齒根圓直徑d fd f 1 = d f 2 = d - 2hf cosd1 = 45.76錐距RR = m z 2 + z 2 / 2 = 35.3412齒根角qfq = arctan(hR)= 4.85ff頂錐角dada1 = da 2 = d1 +qf = 4

43、9.85根錐角dadf 1 = df 2 = d1 -qf = 40.15頂隙cc = c*m = 0.5分度圓齒厚ss = pm / 2 = 4.71當量齒數(shù)zvzv1 = zv 2 = z1 / cosd1 = 28.28齒寬BB R / 3 = 103.2.2漸開線直齒圓柱齒輪設計本次焊接機器人設計中一共涉及到了三組漸開線直齒圓柱齒輪，分別是 D 關節(jié)（小臂俯仰關節(jié)）漸開線直齒圓柱齒輪和 E 關節(jié)（大臂俯仰關節(jié)）漸開線直齒圓柱齒輪。（各齒輪組的參數(shù)詳見表 4）表 4漸開線直齒輪參數(shù)名稱代號D 關節(jié)齒輪組E 關節(jié)齒輪組小齒輪大齒輪小齒輪大齒輪齒數(shù)zn257525100模數(shù)m46中心距a20

44、0375壓力角a2020分度圓直徑d100300150600齒頂高ha46齒根高h f57.25齒全高h913.25齒頂圓直徑da108308162612齒根圓直徑d f90290135.5585.5基圓直徑pb94.0281.9140.95563.82齒距p12.5618.84齒厚s6.289.423.2.3蝸輪蝸桿設計本次焊接機器人設計中 F 關節(jié)（腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)）采用蝸輪蝸桿傳動。（蝸輪蝸桿參數(shù)詳見表 5）表 5蝸輪蝸桿參數(shù)名稱代號蝸輪蝸桿中心距a200齒數(shù)（頭數(shù)）zn316模數(shù)m10蝸輪齒形角a20蝸桿導程角334124分度圓直徑dn31090齒頂圓直徑dan330110齒寬bn7016

45、0齒頂高han1010齒根高hfn1212齒全高hn2222齒厚sn9.6512.56蝸輪齒頂圓弧半徑Ra235蝸輪齒根圓弧半徑Rf2573.3詳細結(jié)構設計3.3.1手腕部件結(jié)構設計根據(jù)已經(jīng)確定的手腕部件傳動方案，手腕部分一共包括三個自由度：手腕 繞小臂的回轉(zhuǎn)、手腕端部的俯仰及手腕端部的回轉(zhuǎn)。其中，手腕端部的俯仰和 手腕端部的回轉(zhuǎn)結(jié)構十分緊湊，需要在手腕基體上布置兩對同步帶、三對錐齒 輪和至少 6 根軸加上這些相應部件的輔助零件，如端蓋、軸承、鍵、擋板、各種型號的螺釘，使得手腕的結(jié)構相當復雜緊湊。而同時，手腕關節(jié)的靈活性 又要求手腕關節(jié)整體尺寸不能過大，過大不僅行動不便，而且對于整個焊接機 器

46、人整體而言，過重的端部負載（包括手腕的自重和負載重量）會導致系統(tǒng)中心上移（和前移），對于機器人的控制、安裝、機器人其他結(jié)構的設計都起著至關重要的決定作用，影響著機器人設計參數(shù)的 40%?？梢哉f，機器人結(jié)構設計的成功與否，直接取決于手腕關節(jié)的結(jié)構和尺寸。由手腕傳動結(jié)構示意圖可以確定，手腕的結(jié)構可以細分為兩個部分：一部 分是手腕端部的俯仰關節(jié)，它是一個單獨的小子裝配體，主要包括手腕的端部 回轉(zhuǎn)軸、端部俯仰軸、傳遞端部回轉(zhuǎn)動力的傳動軸、傳遞端部俯仰動力的傳動 軸及相應的同步帶輪、改變動力方向的錐齒輪等組件；另一個是手腕主體部分， 用以安置其余的部件兩組錐齒輪、一對同步帶輪和至少三根軸及相應的配 套組

47、件。在設計過程中，將手腕的端部俯仰關節(jié)獨立出來，單獨設計了一個手 腕端部俯仰基體，用以安置上述的手腕端部回轉(zhuǎn)軸、端部俯仰軸、傳遞端部回 轉(zhuǎn)動力的傳動軸及相應組件。圖 10手腕端部基體圖 11手腕端部裝配體手腕端部俯仰基體為一個箱體（如圖 10 所示）。手腕端部俯仰軸和傳遞端部回轉(zhuǎn)動力的傳動軸都安置在這個箱體中，通過一對錐齒輪輪來進行動力的傳遞。為了裝配的方便，箱體上下面均設有大孔，由密封氈圈和端蓋密封。這樣設計的出發(fā)點主要是考慮回轉(zhuǎn)軸的安裝問題，因為回轉(zhuǎn)軸在箱體內(nèi)部有一個固定端蓋，如果箱體只設有一端開口，則端蓋無法順利裝配。將軸、軸承、齒輪等零件裝配到基體上便為端部的裝配體（如圖 11 所示）

48、。手腕基體設計為圖 12 圖示結(jié)構，特別要注意的是在端部俯仰關節(jié)處的連接設計，這樣設計的目的主要是考慮到裝配時手腕端部俯仰基體的放入。同時與之相配合的手腕基體固定部 件由兩個固定板條與一個基體固定 件通過內(nèi)六角螺釘相連接。裝配時， 相將手腕基體與手腕端部俯仰基體及相關軸承等輔件安放至指定位置， 然后將固定部件裝配上，最后再進圖 12 手腕基體行俯仰件端蓋的固定。至此，手腕基體設計結(jié)束，可以進行手腕內(nèi)部結(jié)構設計。腕內(nèi)部結(jié)構設計，端部俯仰部分已經(jīng)基本完成，余下主要是傳動機構的設 計從上面的說明中可以看出，傳動機構包括兩部分：手腕基體箱體內(nèi)的齒 輪-軸傳動部分和箱體外側(cè)傳遞動力到手腕端部俯仰關節(jié)的同

49、步帶輪部分。其中， 手腕基體箱體內(nèi)的齒輪-軸傳動部分是這樣設計的：第一組負責傳遞手腕俯仰動 力的錐齒輪，其中之一要設計為空心的錐齒輪軸，該齒輪軸通過一對錐齒輪嚙 合，將動力傳遞到帶輪上，形成端部俯仰裝置；另一根軸上裝配錐齒輪，通過 錐齒輪嚙合傳動，將動力傳遞到另一組同步帶輪，進而向前傳遞，形成端部回 轉(zhuǎn)運動。在這兩組錐齒輪傳動中，最細軸與空心的齒輪軸相互嵌套，形成互不干擾的獨立傳動。至此，手腕零部件的造型已經(jīng)基本完成，只差將手腕端部俯仰部件與手腕基體部件組裝上就可以完成手腕的裝配。按手腕端部俯仰部件裝配順圖 13手腕部件裝配體手腕部分（如圖 13 所示）。序，最后裝配完成手腕部件是機器人設計中

50、相當重要的一個部件，詳細的手腕部件裝配圖將在最后繪制出。3.3.2小臂部件結(jié)構設計根據(jù)前面已經(jīng)確定下來的小臂傳動路線圖，我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，雖然小臂在傳動簡圖上只負責了一個自由度（小臂俯仰關節(jié)），但其實在實際上，手腕繞小臂的回轉(zhuǎn)關節(jié)主要也是在小臂關節(jié)得以實現(xiàn)的。手腕繞小臂的回轉(zhuǎn)關節(jié)， 基本上全部結(jié)構均位于小臂上，靠螺釘與手腕連接。不僅如此，小臂還肩負著裝置手腕部件的動力源伺服電機及其傳動機構。應該說，手腕的動力系統(tǒng)全部基于小臂，小臂的設計，大部分是設計手腕的動力傳動裝置在小臂上的布局安置。圖 14 為手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)的關鍵部位：小臂軸 1 組件。它由小臂軸 1、兩個圓錐滾子軸承及一個同步帶輪

51、組成。其中同步帶輪靠鍵與小臂軸 1 徑向固定，在軸端部有彈性擋圈固定同步帶輪軸向方向。在小臂軸 1 的另一端，有 12 個 M6 的內(nèi)六角螺釘沉孔，靠 12 個內(nèi)六角螺釘與手腕相固連。小臂軸 1 組件固定在小臂基體上。下面考慮小臂基體的布局安排。前面已經(jīng)提到，小臂基體沒有特圖 14手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)軸別的機構，其所實現(xiàn)的功能也只是為手腕的三個運動關節(jié)安置電機并提供支撐。需要在小臂上安置的部件包括：手腕端部俯仰關節(jié)電機及傳動結(jié)構（包括同步 帶輪組、軸系）、手腕端部回轉(zhuǎn)關節(jié)電機及傳動結(jié)構（包括同步帶輪組、軸系、聯(lián)軸器）、手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)電機及傳動結(jié)構（包括同步帶輪組、軸系）。由 于已經(jīng)確定了手腕

52、端部兩個關節(jié)的傳動軸為空心軸嵌套結(jié)構，故應該有一個電 機與空心軸同軸配置，依靠 聯(lián)軸器與空心軸的心軸連接；另一個電機配置在空心軸軸側(cè)，通過同步帶輪傳遞動力。手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)電機也配置在軸側(cè)； 由于考慮到小臂圖 15小臂部件裝配體的整體長度，不可能將連個軸側(cè)電機形成前后配置，故將兩個電機水平配置在小臂軸向下方。這樣，小臂的徑向尺寸即將超過 200mm，但這是必要的。徑向尺寸同樣也影響著后面大臂的結(jié)構。（如圖 15 所示）圖中，裝配體軸線位置為三根相互嵌套的空心軸系。由里至外，分別為小臂軸 3、小臂軸 2、小臂軸 1。分別傳遞手腕端部回轉(zhuǎn)關節(jié)動力、手腕端部俯仰關節(jié)動力和手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)動力。三

53、個伺服電機，分別安置在小臂基體后部的隔板上。隔板一共有三個，從前至后，分別位置為手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)電機、手腕端部俯仰關節(jié)電機、手腕端部回轉(zhuǎn)關節(jié)電機。其中，中間隔板還擔負著同步帶輪的定位。在小臂裝配體中我們可以發(fā)現(xiàn)，在小臂后方布置的電機已經(jīng)不可能再布置一根通軸來實現(xiàn)小臂的繞軸轉(zhuǎn)動如果非要這么設計，小臂的軸向高度將會再次的提高，尺寸也會大大增加。于是，在大臂-小臂連接處，我使用了兩個法蘭盤，通過 12 個 M10 內(nèi)六角螺釘與小臂固連。圖 16手腕-小臂裝配體至此，手腕-小臂組件已經(jīng)可以完成。圖 16 為手腕- 小臂部件的三 維模型，為了 能完全顯示其 結(jié)構，其中部分零件設計為半透性。應該說，這一

54、部分是機器人的關鍵部位。手腕-小臂的尺寸及性能，影響著機器人性能的很大一部分。3.3.3大臂部件結(jié)構設計由已經(jīng)確定的小臂-大臂傳動路線方案可以看出，小臂的驅(qū)動電機及傳動部件安置在了大臂上；大臂的驅(qū)動電機及傳動部件安置在了腰部上。前面已經(jīng)說過，這樣布置可以降低機器人的重心，而且可以預留出手腕電機及傳動裝置在小臂中布局的空間。將兩個空軸孔，安置兩對圓錐滾子軸承來承受小臂的全部重量。（如圖 17所示）剛才已經(jīng)說過，小臂俯仰關節(jié)動力及驅(qū)動均布局在大臂基體上，故作為大臂設計的一個重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在來討論小臂俯仰關節(jié)的動力及傳動配置。大小齒輪相互嚙合，動力從電機軸輸出后經(jīng)由一組同步帶傳動傳遞到齒輪組上。在設計的初始階段，中間軸（齒輪-帶輪中間軸）的安置一度 成為困擾我的問題。在二維圖紙上增加 了一