焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、.江蘇城市職業(yè)學(xué)院五年制（高職）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文設(shè)計(jì)課題：焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)學(xué)校：江蘇城市職業(yè)學(xué)院（常熟辦學(xué)點(diǎn)）年級(jí)：2009 級(jí)專業(yè)：機(jī)電一體化姓名：曹勝學(xué)號(hào)：0921010113指導(dǎo)老師：杜建峰職稱：講師2013 年 12 月;.摘 要本次設(shè)計(jì)是焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中， 要求我們運(yùn)用機(jī)電的知識(shí)完成，其設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括，機(jī)械手中大臂的設(shè)計(jì)，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。此次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手實(shí)際是五自由度的關(guān)節(jié)機(jī)器人。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微機(jī)控制，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，動(dòng)作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可用于搬運(yùn)和裝配作業(yè)?；『笝C(jī)器人在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用?；『笝C(jī)器人是包括各種電弧焊附屬

2、裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，而不只是一臺(tái)以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動(dòng)的單機(jī)，因而對(duì)其性能有著特殊的要求。在弧焊作業(yè)中，焊槍應(yīng)跟蹤工件的焊道運(yùn)動(dòng)，并不斷填充金屬形成焊縫。因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項(xiàng)重要指標(biāo)。一般情況下，焊接速度約取5-50mm/s，軌跡精度約為±（0.2-0.5） mm。電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是運(yùn)用機(jī)電傳動(dòng)的知識(shí)，即PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，PLC控制系統(tǒng)有西門子系統(tǒng)，歐姆龍系統(tǒng)等。關(guān)鍵詞： 焊接機(jī)械手PLC;.目錄前言.1第一章 焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì).21.1焊接機(jī)器人的主要組成 .21.2焊接機(jī)器人大臂的設(shè)計(jì) .31.2.1大臂的工作方式 .31.2.2大臂電

3、動(dòng)機(jī)的選擇 .31.2.3大臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì).41.3焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) .6第二章 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .92.1 電氣設(shè)備概述 .92.1.1電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì).92.1.2電氣控制的部分設(shè)計(jì) .92.2 PLC 的應(yīng)用 .112.2.1梯形圖的設(shè)計(jì) .112.2.2用功能表圖表示控制過(guò)程 .132.2.3 I/O 分配表與配線圖 .142.2.4寫出梯形圖 .16小 結(jié).19致 謝.20參考文獻(xiàn) .21;.前言工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備。特別

4、適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速跟新?lián)Q代起著十分重要的作用。國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1、工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；2、機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)世；3、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜如見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性；4、機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、

5、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)測(cè)發(fā)展到用于過(guò)程控制；6、當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制， 即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控系統(tǒng)，使之能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80 年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、 運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)了噴漆、 弧焊、點(diǎn)

6、焊、 裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中噴漆機(jī)器人已在自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看， 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品、機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄， 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。;.第一章焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)1.1 焊接機(jī)器人的主要組成機(jī)器人系統(tǒng)包括：由移動(dòng)式或固定式的操作機(jī)、電源、 控制系統(tǒng)以及操作并監(jiān)控機(jī)器人的裝置、外部設(shè)備或傳感器的通訊接口所組成的機(jī)器人控制裝置（硬件和軟件

7、）；末端執(zhí)行器；機(jī)器人完成作業(yè)所需的外部設(shè)備、裝置或傳感器。 所用的外部設(shè)備均由機(jī)器人的控制系統(tǒng)管理。1、手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)，一般由 3-10 個(gè)自由度組成， 工業(yè)機(jī)器人一般為3-6 個(gè)自由度。 由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)，使操作運(yùn)動(dòng)具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。2、機(jī)器臂的控制：在電動(dòng)伺服系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的是步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)從驅(qū)動(dòng)器得到一系列脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生一定的角位移。一般不需要反饋回

8、路和位置編碼器，控制比較簡(jiǎn)單。 采用直流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)以測(cè)速器和角度編碼作為反饋裝置，能夠精確地控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，對(duì)加速和減速指令都能迅速作出反應(yīng)。3、腕部機(jī)構(gòu)支承機(jī)器人手部裝置并調(diào)整其姿態(tài)，一般有2-3 個(gè)自由度，使位于機(jī)械臂末端的手爪產(chǎn)生俯仰擺動(dòng)和繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的合成， 使機(jī)器人的手部相對(duì)于操作對(duì)象形成靈活的工作姿態(tài)。4、機(jī)器人的手部裝置又稱末端執(zhí)行器。根據(jù)作業(yè)性質(zhì)不同，機(jī)械臂末端的執(zhí)行器有不同形式。1) 焊接機(jī)器人和噴涂機(jī)器人的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具。2) 搬運(yùn)大件光整平板的機(jī)器人一般采用真空吸附式末端執(zhí)行器， 利用吸

9、盤內(nèi)壓力與大氣壓力之間的差值產(chǎn)生吸附作用力。3) 對(duì)于一般的物料搬運(yùn)和裝配機(jī)器人， 末端執(zhí)行器為種類繁多的機(jī)械夾持器， 用機(jī)械手指的閉合和張開(kāi)來(lái)夾緊和釋放工件。4) 運(yùn)送鐵磁物質(zhì)的機(jī)器人還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。;.1.2 焊接機(jī)器人大臂的設(shè)計(jì)1.2.1大臂的工作方式手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求1、手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長(zhǎng)度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān)2、根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，減輕自身的重量?？招慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)部可以方便地安置機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)

10、系統(tǒng)。3、盡量減小手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。4、要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度，采用緩沖和限位裝置提高定位精度。焊接機(jī)器人的大臂采用電機(jī)、諧波減速器和關(guān)節(jié)軸線同軸的傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 傳動(dòng)路線最短。大臂上的諧波減速器采用的是柔輪不動(dòng)，剛輪動(dòng)的方式； 諧波減速器的剛輪與機(jī)器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過(guò)支撐法蘭固定在臂座上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸用鍵與驅(qū)動(dòng)軸相連，軸與套筒用鍵連接，并一同轉(zhuǎn)動(dòng)。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛性連接，套筒通過(guò)鍵與固定在支撐法蘭盤上的電磁制動(dòng)器相聯(lián)。帶內(nèi)圈的從動(dòng)

11、剛輪與大臂殼體相固聯(lián)。因此大臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)。這種伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)的手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，手臂的轉(zhuǎn)角范圍大。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的大臂是用高強(qiáng)度鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)都是采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)剛性較大1.2.2大臂電動(dòng)機(jī)的選擇大臂電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)大臂做擺動(dòng)，選用75BYG4501型號(hào)，如下表：;.表 1-1大臂電動(dòng)機(jī)參數(shù)驅(qū)動(dòng)相電靜轉(zhuǎn)空載啟空載運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)相電相重量型號(hào)步距角電壓（流）距動(dòng)頻率行頻率慣量感數(shù)2/kg/V/A/N· M /P ·P·S/K ·P·P·S/mH/kg ·cm75BYG 45

12、010.9/1.845031.51200150.92.51.51.2.3大臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)1、諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，體積小， 量輕等優(yōu)點(diǎn)， 已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。此次設(shè)計(jì)中分別在，大臂上用了一個(gè)諧波減速器。目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)如圖 1.1 所示，是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1 和由柔性軸承5、橢圓盤 4 構(gòu)成的波發(fā)生器，它通過(guò)端面牙嵌式聯(lián)軸器3 與輸出軸套2 相連。這種沒(méi)有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式，使傳

13、動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化和緊湊。圖 1.1 諧波齒輪減速器2、諧波減速器工作原理諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖4 16 所示，若剛輪 G為固定件，波發(fā)生器為主動(dòng)件，柔輪 R 為從動(dòng)件。 當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑， 使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長(zhǎng)軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時(shí)， 變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開(kāi)，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方;.向不同分別處于“嚙人”或“嚙出”狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長(zhǎng)短軸相位的變化而依次變化。 于是柔輪就相對(duì)于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低速回轉(zhuǎn)， 柔輪長(zhǎng)軸和短

14、軸相位的連續(xù)變化， 使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡(jiǎn)諧波形，因此，這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng)。根據(jù)大臂的這種運(yùn)動(dòng)要求， 以及大臂運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧波減速器， 其性能參數(shù)如下表所示：表 1-2 諧波齒輪減速器性能參數(shù)模數(shù) m減速比 i額定輸入轉(zhuǎn)速額定輸出力矩規(guī)格產(chǎn)品型號(hào)r/minN·m. 其外形及安裝尺寸如圖1.2 及表 1-3 ：圖 1.2 諧波齒輪外形表 1-3 諧波齒輪安裝尺寸機(jī)型1157781 61580346.510514516 326565 53645;.1.3 焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)機(jī)器人是一種通用性較強(qiáng)的自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置

15、，大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)其不同的任務(wù)要求來(lái)設(shè)計(jì)的，從而形成了多數(shù)多樣的結(jié)構(gòu)型式， 根據(jù)其用途的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具，它按裝在操作機(jī)手腕或手臂的機(jī)械接口上，多數(shù)情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門設(shè)計(jì)的，但也可以設(shè)計(jì)成一種適用性較大的多用途末端執(zhí)行器，為了方便的更換末端執(zhí)行器，可設(shè)計(jì)一種末端執(zhí)行器的接換器來(lái)形成操作機(jī)上的機(jī)械接口。較簡(jiǎn)單的可用法蘭盤作為接口出的接換器，本次設(shè)計(jì)就是采用的法蘭盤式接口。焊槍直接把在末端執(zhí)行器法蘭盤上。設(shè)計(jì)時(shí)的要求：不論是夾持和吸附， 末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)需求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。 應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)

16、構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量請(qǐng)輕，以減輕手臂的負(fù)荷。專用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 工作效率高， 而能完成多種作業(yè)的末端執(zhí)行器可能帶離來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用高的缺點(diǎn)，因此提倡設(shè)計(jì)可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。此次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是五自由度的焊接機(jī)器人，因此它的未端執(zhí)行元件是焊槍，隨著氣保焊的廣泛運(yùn)用，氣體保護(hù)焊更容量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此我選用的是co2 氣體保護(hù)焊，用末端法蘭盤將其固定于手腕末端。具體的選用原則如下所述：1、送絲機(jī)的選擇弧焊機(jī)器人配備的送絲機(jī)可按安裝方式分為兩種。一種是將送絲機(jī)安裝在機(jī)器人的上臂的后部上面與機(jī)器人組成一體的方式；另一種是將送絲機(jī)與機(jī)器人分開(kāi)安裝的方式。由于一體式的送絲機(jī)到焊槍的距離比分

17、離式的短，連接送絲機(jī)和焊槍的軟管也短，所以一體式的送絲阻力比分離式的小。從提高送絲穩(wěn)定性的角度看，一體式比分離式要好一些。目前，弧焊機(jī)器人的送絲機(jī)采用一體式的安裝方式已越來(lái)越多了，但對(duì)要在焊接過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)更換焊槍( 變換焊絲直徑或種類) 的機(jī)器人，必須選用分離式送絲機(jī)。送絲機(jī)的結(jié)構(gòu)有一對(duì)送絲輥輪的，也有兩對(duì)輥輪的； 有只用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)或兩對(duì)輥輪的， 也有用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩對(duì)輥輪的。從送絲力來(lái)看， 兩對(duì)輥輪的送絲力比一對(duì)輥輪的大些。 當(dāng)采用藥芯焊絲時(shí)，由于藥芯焊絲比較軟，輥輪的壓緊力不能象用實(shí)心焊絲時(shí)那么大，為了保證有足夠的送絲推力，選用兩對(duì)輥輪的送絲機(jī)可以有更好的效果。對(duì)于送絲機(jī)與;.

18、機(jī)器人連成一體的安裝方式， 雖然送絲軟管比較短，但有時(shí)為了方便換焊絲盤， 而把焊絲盤或焊絲桶敢在遠(yuǎn)離機(jī)器人的安全圍欄之外，這就要求送絲機(jī)有足夠的拉力從較長(zhǎng)的導(dǎo)絲管中把焊絲從焊絲盤 ( 桶 ) 拉過(guò)來(lái)， 再經(jīng)過(guò)軟管推向焊槍。對(duì)于這種情況， 和送絲軟管比較長(zhǎng)的分離式送絲機(jī)一樣， 都希望選用送絲力較大的送絲機(jī)。如忽視這一點(diǎn)， 往往會(huì)出現(xiàn)送絲不穩(wěn)定甚至中斷送絲的現(xiàn)象。 送絲機(jī)的送絲速度控制方法可分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。目前，大部分送絲機(jī)仍采用開(kāi)環(huán)的控制方法， 但也有一些采用裝有光電傳感器( 或碼盤 ) 的伺服電機(jī)， 使送絲速度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，不受網(wǎng)路電壓或送絲阻力波動(dòng)的影響，保證送絲速度的穩(wěn)定性。對(duì)填絲的脈

19、沖 TIG 焊來(lái)說(shuō)，可以選用連續(xù)送絲的送絲機(jī)也可以選用能與焊接脈沖電流同步的脈動(dòng)送絲機(jī)。 脈動(dòng)送絲機(jī)的脈動(dòng)頻率可受電源控制，而每步送出焊絲的長(zhǎng)度可以任意調(diào)節(jié)。脈動(dòng)送絲機(jī)也可以連續(xù)送絲。 因此，近來(lái)填絲的脈沖TIG 焊機(jī)器人配備脈動(dòng)送絲機(jī)的情況已逐步增多。2、送絲軟管的選擇和保持送絲穩(wěn)定的措施目前軟管都是將送絲、 導(dǎo)電、輸氣和通冷卻水做成一體的方式，軟管的中心是一根通焊絲同時(shí)也起輸送保護(hù)氣作用的導(dǎo)絲管，外面纏繞導(dǎo)電的多芯電纜，有的電纜中還夾有兩根冷卻水循環(huán)的管子， 最外面包敷一層絕緣橡膠。當(dāng)送鋁焊絲時(shí)， 應(yīng)選用特富隆 (TEFLON)或尼龍制成的管做導(dǎo)絲管； 而送鋼焊絲時(shí)， 一般采用鋼制的彈簧管

20、。導(dǎo)絲管的內(nèi)徑應(yīng)比焊絲直徑大lmm左右。造成弧焊機(jī)器人送絲不穩(wěn)定的原因往往是軟管阻力過(guò)大。一方面可能是選用的導(dǎo)絲管內(nèi)徑與焊絲直徑不匹配； 另一方面可能是導(dǎo)絲管內(nèi)積存由焊絲表面剝落下來(lái)的銅末或鋼末過(guò)多所造成的。 因此弧焊機(jī)器人應(yīng)選用鍍銅層較牢固的優(yōu)質(zhì)焊絲，并調(diào)節(jié)好送絲輥輪的壓緊力， 盡可能減少焊絲表面鍍銅層的剝落，而且一個(gè)月至少應(yīng)定期清洗一次導(dǎo)絲管。如能選用不銹鋼制成的導(dǎo)絲管更好， 由于奧氏體不銹鋼沒(méi)有磁性不會(huì)吸住鋼末，不但容易清理， 而且不易堵塞導(dǎo)絲管。 還必須注意在編程時(shí)調(diào)整焊槍和機(jī)器人的姿態(tài)，盡可能減少軟管的彎曲程度。特別是用分離式送絲機(jī)，由于軟管較長(zhǎng)，如忽視調(diào)節(jié)機(jī)器人與送絲機(jī)的距離及姿態(tài)

21、，軟管很容易出現(xiàn)多個(gè)小彎， 而造成送絲不暢， 這點(diǎn)往往被編程人員所忽視。目前越來(lái)越多的機(jī)器人公司把安裝在機(jī)器人上臂的送絲機(jī)稍為向上翹，有的還使送絲機(jī)能作左右小角度自由擺動(dòng)，目的都是為了減少軟管的彎曲，保證送絲速度的穩(wěn)定性。3、焊槍的選擇焊接機(jī)器人用的焊槍大部分和手工半自動(dòng)焊用的鵝頸式焊槍基本相同。鵝頸的彎曲角一般都小于45°，可以根據(jù)工件特點(diǎn)選不同角度的鵝頸，以改善焊槍的可達(dá)性。但如鵝頸角度選得過(guò)大，送絲阻力會(huì)加大，送絲速度容易不穩(wěn)定：而角度過(guò)小，如0°，一旦導(dǎo)電嘴稍;.有磨損，常會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電不良的現(xiàn)象。 應(yīng)該注意，當(dāng)更換不同彎曲角的鵝頸的焊槍后，必須對(duì)機(jī)器人 TCP(工具中

22、心點(diǎn) ) 進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，否則焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。近來(lái)為了提高送絲速度的穩(wěn)定性，特別是高速送絲和送鋁焊絲時(shí)的穩(wěn)定性，在焊槍上增加一個(gè)由小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拉絲機(jī)構(gòu)，使送絲機(jī)和焊槍的拉絲機(jī)形成一推一拉的送絲系統(tǒng)。對(duì)這種推拉送絲系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)好兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)好送絲機(jī)和焊槍上各對(duì)送絲輥輪的壓緊力，使送絲機(jī)的推絲作用為主，焊槍的拉絲為輔。這樣，即使是由于某種原因兩個(gè)電機(jī)速度不匹配，焊槍上的送絲輥輪能夠打滑，而不至于損壞焊絲的表面或使焊絲從輥輪間擠出來(lái)，造成焊接的中斷。 目前，除了一些焊鋁的機(jī)器人或高速焊的機(jī)器人裝有拉絲式焊槍外，比較多的還是選用普通鵝頸焊槍。4、防撞傳感器對(duì)于弧焊機(jī)器人

23、除了要選好焊槍以外，還必須在機(jī)器人的焊槍把持架上配備防撞傳感器。防撞傳感器的作用是當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，萬(wàn)一焊槍碰到障礙物，能立即使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)( 相當(dāng)于急停開(kāi)關(guān) ) ，避免損壞焊槍或機(jī)器人。 如果沒(méi)有安裝防撞傳感器或傳感器不夠靈敏，一旦焊槍和工件發(fā)生輕度碰撞， 焊槍可能被碰歪， 如操作者又沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)， 由于 TCP的變化，隨后焊接的路徑將會(huì)發(fā)生較大的變化，而焊出廢品。因此，TIG 焊炬和 MIG MAG焊槍的把持架上都必須裝有防撞傳感器。;.第二章PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 電氣設(shè)備概述本焊接機(jī)械人可實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即 PLC和光電編碼器相協(xié)調(diào)控制，程序的選擇可在電氣操作的轉(zhuǎn)換由要安裝在機(jī)

24、器的傳感器進(jìn)行控制。2.1.1 電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)根據(jù) PLC輸出端的特點(diǎn)，本系統(tǒng)共需以下四種電壓：1）作為 PLC電源的交流220 伏2）線圈所需電源交流100 伏3）電磁鐵所需電源直流24 伏4）原點(diǎn)指示燈所需電源交流6.3 伏變壓系統(tǒng)的左右兩端均采用空氣斷路器作為短路保護(hù)及長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)，其中直流110伏需要安裝整流器。2.1.2 電氣控制的部分設(shè)計(jì)1、 PLC應(yīng)用概述可編程序控制器（Programmable Controller）簡(jiǎn)稱 PC，早期也稱為PLC(ProgrammaboeLogic Controller)，區(qū)別于個(gè)人計(jì)算機(jī)的“PC”（ Personal Compute

25、r）。PLC是從 60 年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型的電氣控制裝置，它將傳統(tǒng)的控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，以其顯著的優(yōu)點(diǎn)正被廣泛地應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中。傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制雖具有其自身的特點(diǎn)，但其控制裝置體積大，動(dòng)作速度較慢，耗電較大， 功能少， 特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有的接線和控制盤就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并正在迅速擴(kuò)大。對(duì)早期的PLC，凡是有繼電器的地方，都可采用。而對(duì)當(dāng)今的PLC，幾乎可以說(shuō)凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC。尤其是近幾年來(lái)， PLC的成本下降

26、，功能又不斷增強(qiáng)，所以，目前PLC在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油、化工、輕工、電力、建筑、交通運(yùn)輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)。一般來(lái)說(shuō)，小型PLC主要用于單機(jī)自動(dòng)化，而大、中型PLC則是自動(dòng)生產(chǎn)線上不可缺少的控制部件。PLC主要有以下幾種控制類型：邏輯控制、模擬控制、機(jī)械加工中心的數(shù)字控制、工業(yè);.機(jī)器人控制、多層分布式控制系統(tǒng)等。2、 PLC的特點(diǎn)1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。如日本三菱公司的F1、F2 系列 PLC的平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30 萬(wàn)小時(shí)， 這是一般微機(jī)所不能比擬的。與繼電器相比， 采用 PLC控制后， 大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的電子線路來(lái)完成，用軟件程序代替了繼電器見(jiàn)間的繁雜連線，既方便靈

27、活，可靠性也大大提高了。2) 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)PLC是一種存儲(chǔ)程序的控制器，其輸入和輸出設(shè)備可直接連接在PLC的 I/O 端。即其輸入端可接無(wú)源觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，其輸出可直接驅(qū)動(dòng)接觸器和電磁閥等執(zhí)行元件。當(dāng)需要改變其控制系統(tǒng)的功能時(shí)，只需改變相應(yīng)的軟件程序，而不必改變PLC的硬件設(shè)備。3) 編程簡(jiǎn)單、使用、維護(hù)方便目前，大多數(shù)的 PLC均采用與實(shí)際電路接線圖非常接近的梯形圖編程， 這種編程語(yǔ)言形象直觀，易于掌握。 而且 PLC具有故障檢測(cè)、自診斷等功能，能及時(shí)地查出自身的故障并報(bào)警顯示，使操作人員能迅速地檢查、判斷、排除故障，具有較強(qiáng)的在線編程能力，維護(hù)十分方便。4) 組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用

28、范圍廣現(xiàn)代的 PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)的功能，而且還能完成A/D、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過(guò)程控制等。5) 體積小、重量輕、功耗低PLC的空載功耗約為1.2W，一臺(tái)收錄機(jī)大小的具有相當(dāng)于三個(gè)1.8m 高的繼電器的功能。3、 PLC的分類PLC的產(chǎn)品很多，型號(hào)規(guī)格也不統(tǒng)一，通?？砂匆韵氯N情況分類：1）按 PLC的結(jié)構(gòu)形成分類可分為大、中、小三個(gè)等級(jí)。2）按 PLC的 I/O 點(diǎn)數(shù)分類可分為整體式和模塊式3）按 PLC的功能分為為高、中、低檔三種4、 PLC系統(tǒng)的組成PLC是以 CPU為核心的電子系統(tǒng)，實(shí)際上就是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，它由硬件系統(tǒng)和

29、軟件系統(tǒng)兩大部分組成的，一般小型PLC的基本單元主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入和輸;.出模塊、電源模塊、I/O 擴(kuò)展接口、外設(shè)I/O 接口以及編程器等部分組成，PLC的軟件系統(tǒng)也包括系統(tǒng)程序和用戶程序。5、 PLC的工作方式PLC 采用的是周期性循環(huán)掃描的工作方式。PLC 運(yùn)行工作時(shí)，CPU對(duì)用戶程序作周期循環(huán)掃描， 在無(wú)跳轉(zhuǎn)指令的情況下CPU從第一條指令開(kāi)始順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束， 然后又返回第一條指令，開(kāi)始新的一輪掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC就是這樣周而重復(fù)的掃描循環(huán)。2.2 PLC 的應(yīng)用2.2.1梯形圖的設(shè)計(jì)PLC梯形圖

30、的設(shè)計(jì)一般分為以下幾個(gè)步驟：1、對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，確定哪些是輸入量，確定哪些是輸出量。2、根椐所需的I/O 點(diǎn)數(shù)和控制的復(fù)雜程度進(jìn)行PLC選型。PLC的選型主要從以下幾方面進(jìn)行考慮：1) 結(jié)構(gòu)型式的檔次。按照物理結(jié)構(gòu)，PLC 分為整體式和模塊式兩種。整體式一般價(jià)格較低，對(duì)于單臺(tái)僅需開(kāi)關(guān)量控制的設(shè)備，選用小型整體PLC就可以滿足要求；對(duì)于復(fù)雜的，要求較高的系統(tǒng)，可考慮采用模塊式中大型機(jī)，這樣可靈活配置I/O 模塊的點(diǎn)數(shù)的類型，使其具有 A/D， D/A 控制，運(yùn)動(dòng)控制和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。2)容量。 PLC 容量指用戶存儲(chǔ)器容量（程序容量）和I/O 點(diǎn)數(shù)兩方面的含義，選擇存儲(chǔ)容量可按25留出裕量。

31、I/O 點(diǎn)數(shù)要 10 15留出裕量。3)輸出點(diǎn)類型的選用。PLC可提供 3 種類型的輸出：繼電器輸出（有觸點(diǎn)），晶體管輸出和晶閘管輸出（無(wú)觸點(diǎn)），其中繼電器的輸出的PLC價(jià)格便宜，適用的電壓范圍廣，交直流電壓類型均可， 承受瞬對(duì)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，對(duì)于不頻繁通電的負(fù)載應(yīng)優(yōu)先選用此種 PLC；而對(duì)于頻繁通電的負(fù)載，則應(yīng)采用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出，即選用晶體管或晶閘管。3、將輸入量依次分配給輸入繼電器，輸出量依次分配給輸出繼電器，畫出I/O 端子分配圖。4、明確控制對(duì)象的控制要求，根據(jù)控制的特點(diǎn)和復(fù)雜程度選用前面介紹的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，狀態(tài)分析法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等四種設(shè)計(jì)方法中的一種進(jìn)行PLC梯形圖的設(shè)計(jì)。5

32、、根據(jù)梯形圖寫出指令。;.由于在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中選用歐姆龍C系列 P 型機(jī)，所以必須了解該機(jī)型的特點(diǎn)及內(nèi)部資源的分配， 該機(jī)型引用了電氣控制系統(tǒng)中的術(shù)語(yǔ)，用繼電器定義存儲(chǔ)區(qū)中的位，將用戶數(shù)據(jù)區(qū)按繼電器的類型分為7 大類，即 I/O 繼電器區(qū)， 內(nèi)部輔助繼電器區(qū)，專用繼電器區(qū)， 暫存繼電器區(qū)，保持繼電器區(qū)，定時(shí)/ 計(jì)數(shù)繼電器區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。對(duì)各區(qū)的訪問(wèn)采用通道的概念，將各區(qū)劃分為若干連續(xù)的通道，每個(gè)通道包含16 個(gè)二進(jìn)制位， 用標(biāo)識(shí)符及1 或 2 個(gè)數(shù)字組成通道號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)各區(qū)的各個(gè)通道。數(shù)據(jù)區(qū)通道號(hào)配如表所示：表 2-1 數(shù)據(jù)通道信號(hào)分配表專用繼電器中在本次設(shè)計(jì)中用到繼電器1815，其內(nèi)部編號(hào)從18

33、08 到 1815，再?gòu)?1900到 1907，共 16 個(gè)專用內(nèi)部輔助繼電器，繼電器1815 實(shí)現(xiàn)功能為當(dāng)可編程序控制器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，接通（ ON）一個(gè)掃描周期，作初始化處理。;.2.2.2用功能表圖表示控制過(guò)程圖 2.1 控制過(guò)程如圖所示，用L 激活初步后，通過(guò)方式選擇開(kāi)關(guān)SA3建立半自動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)兩個(gè)序列。當(dāng)SA3斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)它的動(dòng)斷觸點(diǎn)進(jìn)入半自動(dòng)工作方式。按夾緊按鈕，系統(tǒng)按轉(zhuǎn)臺(tái)- 大臂 - 小臂- 腕轉(zhuǎn) - 腕擺 - 送絲的順序?qū)崿F(xiàn)半自動(dòng)循環(huán)。循環(huán)的最后工步完成后，就返回到預(yù)備狀態(tài)，以備下次再做半自動(dòng)或點(diǎn)動(dòng)操作時(shí)能順利進(jìn)行。用內(nèi)部輔助繼電器 1000，1001，10021014分別代替工步。

34、;.2.2.3 I/O分配表與配線圖根據(jù)控制要求，可將輸入/ 輸出元件按下圖分類并分配相應(yīng)的I/O 點(diǎn)。如下所示：表 2-2輸入 / 輸出元件輸入輸出器件名稱啟動(dòng)SB 1停止SB 2轉(zhuǎn)臺(tái)角度傳感器SQ 1大臂轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器SQ 2小臂擺動(dòng)傳感器SQ 3手腕擺動(dòng)傳感器SQ 4手腕轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器SQ 5工件檢測(cè)光電開(kāi)關(guān) SQ 6自動(dòng)SA 1-1手動(dòng)SA 1-2轉(zhuǎn)臺(tái)手動(dòng)控制SB 3大臂手動(dòng)控制SB 4小臂手動(dòng)控制SB 5腕轉(zhuǎn)手動(dòng)控制SB 6腕擺手動(dòng)控制SB 7送死手動(dòng)控制SB 8點(diǎn)號(hào)器件名稱0000 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)0001 大臂擺動(dòng)0002 小臂擺動(dòng)0003 手腕擺動(dòng)0004 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)0005 送絲0006 手動(dòng)

35、指示燈0007 自動(dòng)指示燈0008 工作指示燈0009001000110012001300140015點(diǎn)號(hào)M10500M20501M30502M40503M50504M60505HL10506HL20507HL30508;.配線圖如下：SB 10000SB 20001COMSQ 10002SQ 20003SQ 30004SQ 40005SQ 50006SQ 60007SA 1-10008SA 1-20009SB 30010SB 40011SB 50012SB 60013SB 70014SB 80015COMDC24VC40P圖 2.2 配線圖050005010502050305040505CO

36、M050605070508COMM M1M M2M M3M M4M M5M M6HL1HL2HL3DC24V;.2.2.4寫出梯形圖00000001100010000008000910001001100110010002轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)1002100200020003大臂擺動(dòng)10031003;.00030004100410040004000510051005000500061006100600061008100710071007TIM01TIM01000710081008000900101002050000090011100305010009001210040502小臂擺動(dòng)手腕擺動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)延時(shí)#005

37、0送絲轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)大臂擺動(dòng)小臂擺動(dòng);.000900130503腕擺1005000900140504腕轉(zhuǎn)1006000900150505送絲100810000506手動(dòng)指示燈000810000507自動(dòng)指示燈10010508工作指示燈END(01)圖 2.3 梯形圖;.小 結(jié)通過(guò)焊接結(jié)機(jī)械手設(shè)備的設(shè)計(jì), 我掌握了許多實(shí)際運(yùn)用的知識(shí). 對(duì)機(jī)械手五自由度的設(shè)計(jì)及機(jī)電知識(shí)綜合運(yùn)用有了一定經(jīng)驗(yàn). 從分析零件的加工工藝開(kāi)始, 選擇正確的工藝路線, 選擇相應(yīng)的機(jī)床設(shè)備。1. 焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)重點(diǎn)是大臂和小臂的設(shè)計(jì),手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)，一般由 3-10 個(gè)自由度組成 ，工業(yè)機(jī)器人一般為3-6個(gè)自由度。由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)，使操作運(yùn)動(dòng)具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)2.焊接作為機(jī)械制造業(yè)中僅次與裝備加工和切削加工的第三大加工作業(yè), 對(duì)其進(jìn)行機(jī)器人柔性加工技術(shù)及其