fa鋼絲網架焊接機械手的結構設計

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。fa鋼絲網架焊接機械手的結構設計中文摘要緒 論根據建材市場的需求和國家關于創(chuàng)新發(fā)展新型墻體材料政策的實施，國家對建筑用材有了更加嚴格的要求，建筑節(jié)能越來越得到人們的高度重視。我國全面展開了建筑節(jié)能工作，迄今為止國家已對全國50%以上的地區(qū)下達節(jié)能強制性標準和要求的文件。傳統(tǒng)的通過高溫燒結黏土形成的紅磚作為墻體材料的生產過程嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，并極度浪費資源與能源，成為經濟社會可持續(xù)發(fā)展的最大障礙之一。鋼絲網架珍珠巖夾芯板是一種新型墻體材料，它以其自重輕、保溫、隔熱、隔音、抗震能力高、施工方便、價格低廉等優(yōu)

2、點，廣泛應用于工業(yè)建筑與民用建筑框架結構中的非承重墻體和防火要求高的防火通道、防火墻等部位。工業(yè)機器人技術的研究、發(fā)展與應用，使得在生產生活中很多人力難以實現任務通過機器人得以完成，同時也提高了生產效率，有力地推動了世界工業(yè)技術的發(fā)展。特別是焊接機器人在高質、高效的焊接生產中，發(fā)揮了極其重要的作用。在當前服役的各類工業(yè)機器人中，焊接機器人占了很大比例，其中日本是世界上擁有機器人最多的國家，焊接機器人占到日本機器人總量的35%2。 工業(yè)機器人又稱機械手，由機械本體、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置組成，是一種仿人操作、自動控制、能在三維空間完成各種作業(yè)任務的機電一體化設備，它不但具有人對環(huán)境狀

3、態(tài)的快速反應和分析判斷能力，同時還具有機器長時間工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境強的能力。它對提高生產效率，改善勞動條件和產品的更新換代起著十分重要的作用3。目前，我國的珍珠巖行業(yè)整體水平較差，大多以小企業(yè)為主，生產設備比較陳舊，能耗高，生產效率較低，綜合起來并不能體現鋼絲網架珍珠巖夾芯板的優(yōu)越性。尤其在鋼絲網架生產最后一道工序的焊接作業(yè)中采用手工焊接，自動化程度低，影響了企業(yè)的長遠發(fā)展。本文在吸取已有生產設備優(yōu)點的基礎上，為提高鋼絲網架焊接作業(yè)的自動化程度設計了焊接機械手，使珍珠巖墻體的制備機械達到較高的自動化水平，以大力提高生產效率。通過引用新設備、新技術，可以大大降低產品的人力資源成本，加速珍

4、珠巖材料在建材市場中的應用，從而降低利用寶貴的粘土資源燒制的紅磚塊的使用，為推動了我國珍珠巖工業(yè)的發(fā)展，具有重要的現實意義。由以上背景綜合起來不難發(fā)現，鋼絲網架珍珠巖夾芯板墻體材料有巨大的市場潛力，也是應我國發(fā)展綠色墻體材料的進程而生。為提高墻體材料生產制造的效率，有必要開展對鋼絲網架珍珠巖焊接機械手的研究設計，實現珍珠巖夾芯板焊接作業(yè)的自動化。 本文的主要章節(jié)如下:第1章：簡要介紹了本課題研究的焊接機械手的工作環(huán)境。第2章：焊接機械手的總體方案設計：根據作業(yè)要求機械結構設計特點，進行本設計機構的選型，并卻確定機械手自由度，材料的選用，機械手主桿件尺寸的確定。第3章：完成了機械手傳動系統(tǒng)設計與

5、驅動方式的選擇。第4章：機械手各部分結構的設計：根據機械手的主要桿件尺寸并利用三維建模SolidWorks軟件完成焊接機械手的機械結構裝置設計，繪制各個工件的三維圖。第5章：選擇合適的標準件級專業(yè)件，并完成裝配工作。繪制主要零件二維工程圖。總結與展望：總結本文主要工作，及這次畢業(yè)設計的經驗，并對后續(xù)學習工作進行展望。 1 焊接機械手的工作環(huán)境鋼絲網架珍珠巖夾芯板是以膨脹珍珠巖為芯材，中間埋設S型鋼絲骨架，芯材兩面覆以鋼絲平網，通過焊接將鋼絲網與S型骨架焊成一體，并以水泥砂漿作面層的復合墻板，鋼絲網架珍珠巖夾芯板結構如圖1-1所示。鋼絲網架是由平網和S型鋼絲焊接而成，網架厚度約為76mm；內填膠

6、凝壓制成型的膨脹珍珠巖芯板，厚度約為5Omm，珍珠巖內固定有S型鋼型骨架4。圖1-1 鋼絲網架珍珠巖夾芯板目前夾芯板的成型工藝一般由機械成網和手工成板兩部分組成。機械成網是鋼絲網焊接機組(如PMH-25型機組)完成。鍍鋅鋼絲經轉盤放線架、縱絲調直機調直、剪網機切割、平網點焊機、卸網架等焊接成100mm×100mm的平網格板；彎曲機將調直的鍍鋅鋼絲彎曲成若干S型鋼絲，構成軸向網架；平網在兩邊定位固定，用專用工具為S型鋼絲定位；膨脹珍珠巖顆粒與泡花堿、憎水劑等材料按配方比例混合后，定量送人裝有S型鋼絲的模具中，在壓力機下壓制成型；成型芯板再經翻轉，除去壓制外模，疊放后進入烘干窯烘烤。機械

7、成網的加工過程可由可編程控制器控制，工作可靠，操作簡單，自動化程度較高。圖1-2 鋼絲網架的生產工藝流程圖 出窯后在焊臺上手工成板，用點焊機將S網的凸點分別焊在兩邊的平網上，脫去芯板內?？蚝蠼洐z驗、包裝人庫，從而制成整體式S型穿絲焊接成鋼絲網架芯板。手工成板過程現階段未實現自動化，要耗費大量的人力和時間，鋼絲網架生產工藝流程和焊接生產現場如圖1-2和圖1-3所示。在此情況下，單一通過手工焊接難以滿足焊接質量和焊接效率的要求，使得鋼絲網架珍珠巖夾芯板的產量難以有較大的提升，因而迫切需要提高焊接過程的自動化程度。圖1-3 鋼絲網架焊接的生產現場 2 焊接機械手的總體方案設計 焊接機械手的操作機一般

8、是由機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器（夾持器和焊槍）及動力裝置組成的機械裝置，如同人一樣，它主要通過旋轉副和移動副連接而成，只需6個自由度便可達到空間任意位姿。機械手的結構參數直接影響其工作性能，合理的結構設計可以提高機械手工作的可靠性和效率，具有良好的經濟性和有用性。 焊接機械手機械設計的特點是由它的獨特結構決定的。一般來說，機械設計需保證所設計的機械裝置能在極限負載條件下正常的工作，而焊接機械手的主要工作是實現焊接作業(yè)，負載較小且其極限負載的降低可通過降低運動速度來實現。2.1 方案要求 針對現在國內鋼絲網架珍珠巖夾芯板的生產過程，其鋼絲網架焊接主要作業(yè)采用手工作業(yè)，生產效率和自動化水平低。由

9、此，本文設計焊接機械手實現其生產工序中鋼絲網架焊接部分的自動化。根據現場的工作需要和實體板材的參數，如圖1-1所示，其工作要求為: (1) 焊接對象為鋼絲平網與S型鋼絲相交的凸點，夾芯板的橫截面積為2500mm×1200mm，板材厚度為100mm，焊點共12排25列，起點A距離板材兩邊緣各50mm，相鄰焊點之相距100mm； (2) 機械手在給定板材工作范圍內能連續(xù)運動，點焊固定的離散點，運動的時間盡可能短； (3) 機械手的參數設計要根據實體板材的已知尺寸確定，既要滿足機械手達到板材的最遠點B，又要滿足機械手達到距離板材的最近點C； (4) 焊點強度要求:焊點的抗拉力330N，無過

10、燒現象； (5) 焊點質量要求:為保證鋼絲網架的承載能力，不允許過多漏焊、脫焊；網架漏焊、脫焊點不應超過總焊點數的8%，且脫焊點不能集中在一起，連續(xù)脫焊點不應多于2個；靠近邊緣200mm區(qū)段內的焊點不允許有脫焊、虛焊現象。圖2-1 鋼絲網架平面圖2.2 機械結構設計特點 機械手的結構設計應根據它的實際應用工種來決定。對于機械手而言，增加桿件的尺寸雖然可以提高機械手的局部剛度和承載能力，但整體的結構變笨重，體積變得過大，質量增加，翻來過來對剛度的要求更高，動態(tài)性能可能會因為慣量J的增加而變差，靈活度變弱，精度也隨之變低，且各關節(jié)電機的驅動功率也會隨質量的增加而提高，在電機的選擇上更為嚴格，都增加

11、了機械手的設計成本。 本課題中焊接機械手的主要目的是準確定位到鋼絲網架的各個焊點并實現焊接作業(yè)。焊接機械手結構設計的主要思路是在滿足作業(yè)任務要求的前提下，盡量減輕機械結構的體積和質量，減少傳動系統(tǒng)的復雜性，實現穩(wěn)定傳動與精確定位，使得焊接機械手的靈活性和穩(wěn)定性并存。2.3 機構選型 機器人按照結構形式可分為關節(jié)型機器人和非關節(jié)型機器人。在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有更多的絕對工作空間和相對空間，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活。關節(jié)型機器人各個關節(jié)的自由度高，可由移動自由度和轉動自由度的不同形式組合而成，它決定了機器人手臂的運動坐標形式和空間運動范圍5。焊接機械手完成焊接

12、作業(yè)，相對于在其他工業(yè)上應用的機械手來說，本文所設計的機械手在根據工作任務所需達到位姿方面相對簡單。本文最初設計的兩種方案：方案一：采用直線導軌式，即如同機床的導軌的設計方法，直接采用三條導軌，通過三個步進電機來使焊槍和夾持部分一起移動到需要焊接的位置，并完成焊接工作，優(yōu)缺點：成本低，工作速度快，機器的剛度好，能將其改為生產線工作，操作控制簡單，遇到問題易檢修，適用于二維平面的焊接任務。（但直線導軌采用絲桿傳動，在焊接工作中可能存在焊渣掉去導軌中，從而影響精度。因為精度難以保證，并可能因為精度的原因，使有的點在焊接過程中出現漏焊無法達到最初的目的）。方案二：六自由度的擬人形態(tài)焊接機械手，具有多

13、個旋轉關節(jié)的關節(jié)型機器人，可以達到工作空間所需的各個位姿，同時具有良好的可擴展性，良好的能換性，可改裝成它用機械手。優(yōu)點：機器手的適應工作能力更強，能夠適應三維空間的焊接任務，工作靈活性更高，同樣能安裝在生產線上進行工作，方便移動安裝工作，最大的優(yōu)點是只需更換焊接頭部分（末端執(zhí)行器）即可將焊接機械手變?yōu)槠渌ぷ鳈C械手（如換成電動螺絲刀、鉗子，剪刀來實現拆彈和爆破工作，完成極其危險的工作）。綜合各類因素，最終根據各自的優(yōu)缺點設計方案選定為六自由度的焊接機械手。機械手結構方案如圖2-2。圖2-2機械手的結構方案圖機械手末端執(zhí)行器上裝有傳感器，控制系統(tǒng)采用半封閉式，根據傳感器反饋的位置和系統(tǒng)給定程序

14、進行運動。（本設計對控制部分不作具體研究）2.4 自由度的確定 焊接作業(yè)一般是定義在空間直角坐標中的。確定焊槍的位置需要三個獨立參數x, y, z；在作業(yè)時焊槍的自轉用以保證末端執(zhí)行器與鋼絲網保持2個垂直，即：與網架面垂直，與焊機處鋼絲垂直。在這種情況下，才能保證達到最好的焊接效果，所以描述焊槍的姿態(tài)有三個獨立參數6。因此，用機械手實現焊槍的位姿需要至少六個自由度。底座與腰部旋轉、肩部、肘關節(jié)和手腕部分的上下擺動、旋轉、左右擺動共六個自由度實現末端執(zhí)行器的位姿。 本課題研究的焊接機械手具有六個自由度，腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)各部分之間的運動通過轉動副實現。初步確定焊接機械手的結構方案如圖

15、2-2所示。腰部轉動關節(jié)實現機器人本體除機座固定以外的所有部分的轉動；肩關節(jié)和肘關節(jié)都是轉動關節(jié)，可以在一定范圍內調整大臂、小臂、焊槍與鋼絲網間的位姿(位置和姿態(tài))；腕關節(jié)包括兩個關節(jié)，分別實現焊槍的俯仰和擺動。2.5 材料的選擇機器人手臂所用材料的選擇應綜合手臂的工作環(huán)境和任務要求來考慮，并滿足機器人的設計和制作要求。機械手的設計思路是從工作任務出發(fā)，最終要求機器人手臂要完成各種運動。因此，在選定對材料時，一個方面的要考慮到材料是作為運動的部件，它應是輕型材料。另一方面，手臂在運動過程相對比較慢，運動中易會產生振動，振動必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對質量、剛度、阻尼進行綜

16、合考量，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。此外，機械手的機座是直接固定用的，并不需要運動，在選材時僅需考慮剛度成本即可，機座底板較厚，本文直接采用鑄鐵鑄造而成。機器人手臂做為一種伺服機構，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、結構性、質量等性質一起考慮。也就是機械手手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素7。為節(jié)省驅動力矩，機械手臂在選擇材料時盡量在滿足強度條件下選擇最輕型材料，查閱各種資料本文終選定為碳素結構鋼和合金結構鋼等高強度鋼。合金結構鋼一般分為調質結構鋼和表面硬化結構鋼，這類材料強度好，尤其是合金結構鋼強度增加

17、了45倍、彈性模量E大、抗變形能力強，相對質強比小，是應用最廣泛的材料。本文軸類零件選用40Cr，板材選用45鋼。2.6 機械手的主桿件尺寸利用罰函數法，建立目標函數，進行有約束的非線性規(guī)劃求解可以得到主桿件的尺寸8。根據 DH( denavit hartenberg) 方法，建立基座坐標系并在每個連桿上建立各桿件坐標系，如圖2-3所示。圖2-3 六自由度機械手的連桿坐標系圖2-3 中，為腰部回轉角，為大臂俯仰角，為小臂俯仰角，為腕關節(jié)俯仰角，為腕關節(jié)旋轉角，為腕關節(jié)擺動角；為肩部與地面高（），其中1200mm機座安裝高度，根據具體工作環(huán)境而改變，為大臂長，為小臂長，為腕關節(jié)中心到焊槍末端的距

18、離（其中包括：一個轉動部分、一個擺動部分和一個夾持部分）。各連桿及關節(jié)的參數如下所示：， 注：其中值為0，表示數值比較小，在總長不變的情況下，應用在具體設計繪圖過程中可有適當的變動，不作過細注釋。（本數據是將鋼絲網架平放在工作臺上，做出的優(yōu)化數據，不能代表網架安放非平放時一定適用。）3 傳動機構的設計與驅動方式的選擇機械手的運動主要是通過各類電動機伺服驅動器經過各種傳動裝置減速后驅動負載的，或通過液壓傳動等方式。本文在末端執(zhí)行器夾持部分的驅動力上就是采用的電磁力來驅動的。驅動方式的選擇好壞將直接影響到機械手的運動平穩(wěn)性和控制精度。3.1 傳動機構的設計 一般常用的機械傳動機構有齒輪傳動、帶傳動

19、、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動等。根據實際工況在選擇傳動方式均有自身的優(yōu)缺點，在實際應用中，對于同一機械，在不同的位置，設計者通常會根據其不同的工作要求，多采用不同種類的傳動方式，這樣通過不同傳動方式的組合來達到最優(yōu)的效果9。 由于一般的驅動系統(tǒng)輸出力矩較小，帶負載能力弱，通常利用傳動機構來增加力矩以提高帶負載能力。但由于工業(yè)的發(fā)展，現在市場出現很多相對而言較大輸出力矩的電機，因此出現很多直接采用電機軸為驅動方式的機械產品。本設計中也借鑒了此種傳動方式。3.2 驅動方式的選擇 機械手的驅動裝置是帶動各個關節(jié)運動到達指定位置的動力源。常見的驅動方式有電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動三種。氣壓驅

20、動的工作介質是高壓空氣，操作簡單易于編程，但其帶負載能力小，體積大，位置精度低；液壓驅動以高壓油為工作介質，能得到較大的動力，雖然精度上較氣壓驅動有了提高，但液體對溫度變化敏感，易造成泄露并對環(huán)境造成污染，并且液壓和氣壓驅動都易產生巨大的噪聲。而電動機驅動具有啟動轉矩大、控制靈活、使用方便等優(yōu)點在機器人設計中的得到廣泛應用。驅動電機主要包括三大類:直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機。直流伺服電機便于調速，具有良好的機械特性，但直流電動機的動態(tài)特性差，尤其是在低速運轉條件下，同時其轉動慣量和尺寸較大，因此不便于在有較高精度要求的機器人中使用；交流伺服電機主要用于閉環(huán)控制，通常用于位置精度和速度

21、要求高的機器人中；步進電機主要適用于開環(huán)控制系統(tǒng)，具有控制性能好、可實現速度和位置的精確控制、以及體積小等優(yōu)點，常用于控制系統(tǒng)簡單、成本低的簡易機器人中。本設計中采用步進電機就能滿足實際使用的要求。步進電機有三種基本類型：永磁式、變磁阻式（反應式）和永磁感應子式（混合式）。其中永磁感應子式步進電機又稱混合式（HB）步進電機，他綜合了永磁式和磁阻式電機的特性。因為集合了兩者的優(yōu)點，無論是在定位轉矩、還是在輸出轉矩方面都比其他兩種電機有所提高。這類電動機具有優(yōu)良的分辨率、輸出轉矩和加速度等特性，典型的步距角為，對于大功率電機而言，可以如圖3-1所示制作成多段轉子10。圖3-1 單段體和多段體混合式

22、步進電機此部分選自微特電機應用技術手冊第580581頁。這也是為什么本文在在設計時，在有些部位直接采用電機軸的根本原因，因為它的步距角為，步距角十分小，不在采用變速裝置的情況下，可直接滿足本設計的機械手的運動所需角度，采用電機軸不斷使的機械手的結構簡單，質量大大減輕，材料的剛度要求更低，同時采用多段體混合式步進電機完全可以滿足焊接機械比較小的結構和相對較小的轉矩要求，可能此種設計在電機上的成本比常規(guī)方法所選的電機成本高些，但由于省去減速設備的設計，也方便安裝和后期的維護，編程時不用考慮其他因素，使得綜合起來成本大大降低，所以此法合理。機械手的肩關節(jié)和肘關節(jié)分別安裝一個步進驅動電機，實現各個關節(jié)

23、的旋轉運動和俯仰運動，而腕關節(jié)安裝有兩個步進電機，分別完成俯仰和擺動。焊接機械手的各關節(jié)在驅動電機的相互協(xié)調下運動，末端執(zhí)行器可達到預想的位置完成焊接作業(yè)。這通過計算后可直接采用電機軸進行設計，可滿足工作任務的要求。末端執(zhí)行器的夾緊部分采用電磁力驅動來實現夾緊工作。其原因在本文的（4-1末端執(zhí)行器的設計）中給出了具體的說明和兩種方案的對比。在機械手的腰關節(jié)驅動力的選擇時，充分考慮到如果機械手的整個手臂再完全伸直狀態(tài)時，重心和機座的距離很遠，根據公式，使得此部分在轉動時所需要的轉矩不較大，如果直接采用電機軸很難實現腰部的轉動。根據公式： ， 因而需要采用減速傳動機構來增大轉矩，從而提供電動機的帶

24、負載能力。機械手傳動機構的特點有：(1) 傳動剛度大，即在相同的扭矩下，由驅動器的輸出軸到關節(jié)的轉軸角度變形小，這樣可減輕整機的低頻振動，提高固有頻率，避免產生共振而對機械手造成巨大的損害，或隱藏重大安全隱患。(2) 結構緊湊，即具有相同的傳動比和傳動功率時，體積相對較小，重量較輕輕。(3) 回程差小，即空行程要小，這樣可提高位置控制精度。(4) 使用壽命長，便于維修。(5) 設計成本和維護成本低。諧波傳動是一種大傳動比的減速機構，經過對諧波減速器相關資料的查閱，了解到諧波傳動是利用一個構件的可控制的彈性變形來實現機械運動的傳遞。與一般齒輪傳動相比，諧波齒輪傳動有以下優(yōu)點：傳動比大，目前市場上

25、的諧波齒輪傳動比一般為100，可達到200以上，“范圍寬、結構簡單、體積小、重量輕；同時參與嚙合的齒輪對數比其他齒輪傳動多，承載能力大，且阻尼較大；傳動精度高，在相同制造精度下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的精度至少高一級；齒側間隙便于調整，易獲得零側隙傳動。傳動效率高，單級傳動效率約為65%-90%。其缺點是:由于柔輪的疲勞強度問題，限制了輸入速度；扭轉剛度低，尤其是在低扭矩情況下，這限制了它在機器人中的應用；當輸入轉速等于或者是嚙合頻率的2倍、4倍、6倍時，會產生明顯的振動，這對于低速運動的連接件很不?！币蚨驹O計中將此種傳動方式排除在外。 最后綜合所學傳動結構的優(yōu)缺點、傳動機構的基本要求以

26、及現場的作業(yè)任務要求，本文選用齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動的組合方式作為機械手的傳動機構。由于腰部關節(jié)是個轉動關節(jié)，速度要求不高，但腰部關節(jié)需要帶動除機座以外的其他部件轉動，故要有較大的轉矩，采用減速的齒輪傳動可以達到腰部關節(jié)的轉動要求，本文腰關節(jié)綜合體積與工作任務最后直接選用帶減速器的步進電機。具體計算數據和公式在第四章各個部分的設計給出。4 機械手各部分機械結構的設計4.1 末端執(zhí)行器的設計末端執(zhí)行器也就是機械手的手部，安裝在機械手的最末端，機械手與產品網架直接接觸的重要工作部件。其上裝有夾持部分和用于焊接的焊槍等。在焊接過程中，既要保證末端執(zhí)行器到達的點是正確的，就是說機械手整體要有較高的精度

27、和靈活性；也要求保證末端執(zhí)行器與鋼絲網保持2個垂直，即：與網架面垂直，與焊機處鋼絲垂直。在這種情況下，才能保證達到最好的焊接效果。這兩個垂直由機械手的機身的各個關節(jié)的6個自由度來協(xié)調實現，并通過傳感器和反饋系統(tǒng)協(xié)同完成（半閉環(huán)系統(tǒng)）。末端執(zhí)行器主要作用是夾持和焊接工作，夾持好了后進行焊接工作。（夾持所需的加緊力大約為100N左右）夾持部分設計2種方案進行選擇：方案一：采用液壓為驅動力的夾緊裝置。優(yōu)點：夾緊力大，有良好的持續(xù)力作用其上，穩(wěn)定持續(xù)性好，有一定的緩沖的作用，沖擊小。方案二：采用電磁力為驅動力的夾緊裝置。優(yōu)點：總體體積小，安裝方便，在電壓充足的情況下，能有較大的加緊力和持續(xù)性。兩種方案

28、進行對比，液壓式雖然比電磁式可實現更大的夾緊力，對加工工件的沖擊更小，但考慮到所要加工的工件是焊接鋼絲網，其夾緊力只需100N左右，焊接后網架是直接在板內部的，對其機構精度沒有很高的要求，在夾緊時產生的沖擊對其沒有任何影響。其中液壓式其總體占用空間會遠大于電磁式，還需要考慮到液壓管的安裝，電磁式只需用電線，易于安裝維護。液壓式用一定的時間后可能會出現漏油的情況，對環(huán)境有污染，很重要的一個原因是此部分離焊槍太近，焊接時會有電火花，液壓油大多都是易燃的，假如發(fā)生漏油十分危險。從市場價格考慮，電磁式也比液壓式便宜的多12。綜上所述，在兩者都滿足工作需要時，選擇電磁式更為合理。在末端執(zhí)行器的設計的中，

29、需要注意一下要求；尺寸滿足工作需求，因為鋼絲網格每個格子是100×100mm，機械手的夾持部分寬度不能超過100mm，夾子在張開時，上下兩個點不能超過200mm，否則夾持部分伸不進去，無法完成焊接任務。機械手要有較高的精度和靈活性，級機械手的機身和末端執(zhí)行器不能過大過重，即在選擇合適電機和材料的同時要考慮到其體積和重量的影響。夾持部分通過電磁力來夾擊，因為在夾緊時中間有鋼絲，夾緊的大小和位置基本固定，但在松開時，如果同樣通過電磁力的和話，可能張開的超過工作值200mm以內，或因為重力的原因下面?zhèn)€直接與地面成垂直狀態(tài)了，角度過大，使得電磁力在下次夾緊時失效。機械手的夾持部分如圖4-1、

30、圖4-2所示： 圖4-1夾持部分張開時結構圖 圖4-2 夾持部分夾緊時結構圖其中電磁吸盤是通過沉頭螺釘與末端執(zhí)行器手指相連，保證連接安全，同時在加緊時不會產生干涉。在保證夾持部分回位，機械手的手指與手體的連接孔設計有鍵槽，在安裝是通過鍵使手指與軸銷連在一起運動，在軸銷上裝有特定結構的彈簧與手有個相對位置固定，從而保證在電磁力卸后回到指定位置，軸銷的這頭安有擋銷。其中手體有卡位的突出部分，加工有卡位槽，特定彈簧安裝結構如圖4-3所示，特定彈簧結構如圖4-4所示13。 圖4-3 特定彈簧安裝結構圖圖4-4 特定彈簧結構圖末端執(zhí)行器手指軸銷根據其工作性能的要求設計為如圖4-5所示。其中開有與手指相連

31、的鍵槽，特定彈簧卡位槽，開口銷銷孔。兩頭與手掌接觸，工作時會有相對轉動，為減小摩擦力，表面需要進行精加工。同時因為手掌相對比較大如果因使用磨損而和軸銷一起更換會加大使用成本，本設計在手掌采用滑動軸承式設計出安裝了軸瓦襯套，同時在軸瓦的選擇上，為滿足手掌的設計，而不改變整體結構，軸瓦設計成整體式，同時機械手手臂整體是一直需要運動的，采用油潤滑不方便，也可能會出現漏油現象。因此需要考慮耐磨性好，又具有自潤滑作用的材料。查閱資料最終選定型號為G-95的又填料熱固性塑料PTFE。其特點是具有極好的耐磨性和良好的自潤滑性14。 圖4-5 末端執(zhí)行器手指軸銷4.2 腕關節(jié)設計本設計中的機械手的腕關節(jié)是擬人

32、手腕特點設計，在功能上既能實現左右擺動，又能實現旋轉運動。當然在旋轉一定角度后，再擺動就可以看成是上下擺動了。其中擺動角度能實現，旋轉角度能實現。腕關節(jié)結構如圖4-6、腕關節(jié)電機和固定軸銷安裝結構如圖4-7和旋轉部分安裝結構如圖4-8所示15。圖4-6 腕關節(jié)結構正視圖圖4-7 腕關節(jié)電機和固定軸銷安裝結構圖在圖4-7中可以看出，一邊在連接處安裝有軸承，軸承型號為608CE，安裝時要保證軸承與電機的同軸度，因此在加工時軸承孔有較高精度要求。電機通過雙頭螺柱和螺母與手腕相連。在連接時另一邊直接采用電機軸做為連接軸，又是通過專用電機鍵與手體（如同人的手掌部分）相互連接。機械結構都是采用強度較高的合

33、金結構鋼，厚度都是常用的810mm，因而最易出現強度問題的就是電機軸，直接做為連接軸，既要承載轉矩，也要承載一半的質量。電機軸的校核：根據鋼的密度，整個手的體積V可計算出手的質量，重心在關節(jié)轉軸80mm處。則關節(jié)轉矩為：其中電機選用億星科技生產的型號為57BYG4502C的混合式步進電機。電機的基本參數：步距角0.9/1.8°，二相四線，驅動電壓24V，相電流1.5A，保持轉矩1.8N.m，軸頸為8mm，長度76mm，轉動慣量 0.22Kg².cm2 ，重量0.6kg。安全系數n為：能滿足工作需求。電機的功率:。電機的轉速n為380r/min。通過軸的強度校核計算公式得：最

34、小軸徑：即所選的電機的電機軸必須大于7mm，才能滿足強度要求。本電機軸頸為8mm，因而能夠保證保安全工作，不用老因電機軸損害而要更換整個電機。在腕關節(jié)旋轉部分的安裝式，為使機構體積小，在設計時給出的安裝空間很有限，為方便此位置電機的安裝，將最初設計的六角螺釘改用成開槽帶孔球面圓柱頭螺釘，如圖4-8所示，以便于安裝和后期的維修工作。圖4-8 旋轉部分安裝結構圖軸承的安裝同上手腕處，肩關節(jié)和肘關節(jié)的軸承型號同樣都選擇608CE，在加工安裝時也需考慮到同軸度的問題，對加工精度有一定要求?？紤]到手臂相對比較細，普通螺釘會對安裝和維修帶來極大的不便，結合空余空間和工作要求，最終選定為開槽帶孔球面圓柱頭螺

35、釘，型號為GB/T832-1988。螺釘結構如圖4-9所示。圖4-9 開槽帶孔球面圓柱頭螺釘結構圖4.3 肩關節(jié)與肘關節(jié)設計焊接機械手的手臂是由大臂和小臂兩個臂桿組成，手臂的運動通過肩關節(jié)和肘關節(jié)的擺動來實現。本設計中的機械手肩關節(jié)和肘關節(jié)采用相同的設計方法，都是直接采用電機機構來傳遞動力。其工作要求是，能夠實現很小角度的轉動，并滿足扭矩要求，既能夠帶動前面小臂和末端執(zhí)行器的運動。機器人所用電機為微電機，在查閱微特電機應用技術手冊得出結論，直接采用永磁感應子式步進電機，做成電機軸。能夠實現工作要求（原因在上面的2.2驅動方式的選擇中給出具體說明）。此種選擇具有結構緊湊、工作平穩(wěn)性高、適用范圍廣

36、、瞬時由系統(tǒng)程序直接控制電機轉動來到達指定角度等優(yōu)點，無減速裝置上面的能耗，其傳動效率高，質量輕，操作方便，所以它有利于保證手臂定位的精確性和運動的平穩(wěn)性。通過在滿足工作需求的情況下，節(jié)省了減速裝置的設計制造和后期的維護成本，選擇此種電機軸結構是很合理的。肩關節(jié)和肘關節(jié)結構分別如圖4-10和圖4-12所示。圖4-10 肘關節(jié)的結構圖具體電機的選定，根據鋼的密度，根據轉軸以上的機械手的體積V可計算出其質量，重心在關節(jié)轉軸800mm處。則關節(jié)轉矩為：由于關節(jié)運轉所需轉矩為86.24N.m，直接采用電機軸驅動力難以實現，為省去減速裝置的設計，根據市場調查可購買到減速裝置直接安裝在電機上，組裝成帶減速

37、器的步進電機，即：行星減速器+步進電機。其中電機選用億星科技生產的型號為57BYG250H的混合式步進電機。電機的基本參數：步距角0.9/1.8°，二相四線，驅動電壓24V，相電流1.5A，保持轉矩1.8N.m，軸頸為8mm，長度112mm，轉動慣量 0.22Kg².cm2 ，重量0.6kg。行星減速器選用億星科技生產的57系列的行星減速器，選用傳動比1：36的，具體結構參數如圖4-11所示。圖4-11 57系列減速機的具體結構圖對減速機輸出軸的強度進行校核：安全系數n為：能滿足工作需求。電機的功率:。經過減速器后的功率：。電機的轉速n為580r/min。通過軸的強度校核計

38、算公式得最小軸徑：本文所選用帶減速器的步進電機的輸出軸為14mm，最后輸出扭矩為28.8N.m，都能滿足工作任務要求，設計合理。圖4-12 肩關節(jié)的結構圖具體電機的選定，同理上述計算過程，根據鋼的密度，根據轉軸以上的機械手的體積V可計算出其質量，重心在關節(jié)轉軸1200mm處。則關節(jié)轉矩為：由于關節(jié)運轉所需轉矩為272.36N.m，選用行星減速器+步進電機。其中電機選用億星科技生產的型號為86BYG250H的混合式步進電機?；緟担簷C身尺寸86×86×150mm，扭矩為12N.m，轉軸14mm，電壓50V，電流5.6A，鍵槽5mm。行星減速器選用億星科技生產的86系列，傳動

39、比為1：24。86系列具體結構尺寸如圖4-13所示。圖4-13 86系列減速機的具體結構圖對減速機輸出軸的強度進行校核：安全系數n為：能滿足工作需求。同理通過驗證剛度可滿足使用要求。裝配好后的行星減速器+步進電機，帶減速器的步進電機如圖4-14所示。圖4-14帶減速器的步進電機具體結構圖4.4 機座設計通常來說，機座主要起支撐作用，機器人的手臂通常支撐在機座上。在本設計中，機座需要具有回轉的功能，實現手臂的整體回轉，它相當于人的腰部，也可以將機座看作一種“特殊的手臂”。除此之外，它還用于支撐手臂、驅動單元和傳動部件的安裝固定及機械手整體與地面的安裝與固定等16。在機座設計中，需要滿足如下的基本

40、要求：首先，機座要具有足夠的剛度及剛度與質量比；其次，要具有良好的熱穩(wěn)定性，因為熱變形會影響機械手的運動精度；再者，要有較好的動態(tài)特性，包括產生的振動噪聲小、整機的低階頻率高、各階頻率不引發(fā)共振、具有較大的動剛度和阻尼等;另外，要具有良好的結構工藝性和制造工藝性，方便后期的安裝、拆卸和維修等。根據工作任務，焊接機械手，在焊接鋼網時，每焊接完一個點，為節(jié)約焊接所用總時間會直接移動到最近的點進行下一個點的焊接。2點的距離為100mm。根據數學知識，在機械手伸長到最遠時，轉動到最近的下一個點的腰部轉動的角度最小，這里僅對此時最小轉動角進行考察：焊接點到腰的距離：根據三角行余弦定理得， 因此，在電機和

41、減速機構的選擇上，要保證最后能保證實現這樣小角度的轉動，太快會對機械手造成過大的撞擊，極大影響機械手的使用壽命。查微特電機應用技術手冊各個電機的應用范圍，并根據所需轉矩的要求，本文綜合機械手體積考慮直接選用帶減速器的步進電機，型號 86HB150GN010S-TF0?；緟等绫?-1所示：表4-1 電機基本參數表帶減速器的步進電機86HB150GN010S-TF0的機械尺寸圖如圖4-15所示。注：L=150mm 軸徑鍵槽=15mm圖4-15 步進電機機械尺寸圖對該電機轉矩進行校核，考察所需轉矩電機通過減速后的輸出轉矩進行對比。設重心到腰部回轉中心的距離為?？傎|量為。所需扭矩。最后輸出轉矩。經

42、驗證,滿足工作要求。機械手機座結構設計根據工作環(huán)境和基本尺寸要求以及所選電機結構，機座結構圖如圖4-16所示。圖4-16 機座的結構圖圖4-17中，在設計時，為使鑄造開模方便，機座底板和殼體分開鑄造，鑄造完成后加工所需加工表面，再通過焊接固定在一起。機座底板最底下要與安裝表面接觸，如果整體是平面，難以保證平面度，并加大制造安裝成本。即易加工保證平面度，同時也減輕重量，節(jié)約材料，同時方便安裝17。圖4-17 機座底板工藝設計機械手機座與腰部安裝結構如圖4-18、圖4-19所示。圖4-18 手機座與腰部及電機安裝結構1圖4-19 手機座與腰部及電機安裝結構25 整體結構圖由于機械手如同人的手臂一樣

43、，相對來說比較細長，整體機構圖放在一起比較小，具體細節(jié)在局部放大圖中。整體結構圖如圖5-1、5-2、5-3所示。圖5-1 整體結構圖1圖5-2 整體結構圖2圖5-3 整體結構圖3具體尺寸和配合尺寸在附件工程圖中標出。 總結與展望根據生產現場的工作要求，分析國內外相關機械手的現狀，本文在原有鋼絲網架生產線的基礎上對工序的最后一步焊接工藝進行分析，完成了鋼絲網架焊接機械手的方案結構設計，為實現鋼絲網架珍珠巖夾芯板的生產設備自動化提供一定的理論依據。 本文所做的主要工作總結如下: (1) 創(chuàng)建了機械手的三維實體模型，并建立了其運動學模型，對末端執(zhí)行器的夾緊過程進行的動態(tài)分析和模擬。 (2) 針對焊接

44、作業(yè)的實際工作空間，運用工作空間的數學模型和帶約束的非線性規(guī)劃方法優(yōu)化設計出最小包容工作空間的主連桿幾何參數進行理解和設計運用，并通過結合大學四年所學知識和各類相關資料完成了本次設計。（3） 根據本次畢業(yè)設計內容的需求，查閱關于機器人和機械結構設計的相關資料，對于大學四年所學的機械電子工程有了更加深入的理解，同時也學習到了很多在大學課程中沒有學到的知識，如：本文涉及的機器人技術，機器人對發(fā)展，機器人設計的方法，機器人的驅動方式，傳動方式等。對微電機的應用有了更加系統(tǒng)的了解，即微電機在機器人里的應用。值得肯定的是學習了新的三維繪圖軟件（SolidWorks），現在能很熟練的應用該軟件，該軟件不同

45、與之前在大學課程里所學的CAD和UG，充分感受到它的強大和快捷，裝配方式的人性話，爆炸圖的效果，在三維圖生成二維圖的方便。總的來說，本次畢業(yè)設計對于對大學四年所學知識有了系統(tǒng)的匯總，有了更加深入的了解，也明白所喜歡的專業(yè)發(fā)展方向，對將來的學習生活有著十分重大的影響。機器人技術和所學軟件，及這次設計的過程相信會成為未來的三年研究生學習中的一個良好鋪墊。 由于受到客觀條件和時間的局限，本文的工作仍然存在一些不足，有待于進一步的豐富、改進和完善。結合研究過程的體會，從總體上提出下一步研究的幾點設想:(1) 為了便于分析和計算，本文將機械手模型進行了簡化，忽略了關節(jié)的摩擦因素和外界振動等干擾的影響，在后續(xù)的研究分析工作中可以充分考慮各構件連接處的摩擦和外界環(huán)境干擾等因素。 (2) 本文在軌跡規(guī)劃上對運動學進行了相關研究，在力學結構上只是設計到靜力學研究考量，但對動力學問題考慮仍有不足，可能導致在實際操作中對機械手造成部分損害，后續(xù)需加入對動力學問題