fa鋼絲網(wǎng)架焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。fa鋼絲網(wǎng)架焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中文摘要緒 論根據(jù)建材市場(chǎng)的需求和國(guó)家關(guān)于創(chuàng)新發(fā)展新型墻體材料政策的實(shí)施，國(guó)家對(duì)建筑用材有了更加嚴(yán)格的要求，建筑節(jié)能越來(lái)越得到人們的高度重視。我國(guó)全面展開了建筑節(jié)能工作，迄今為止國(guó)家已對(duì)全國(guó)50%以上的地區(qū)下達(dá)節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和要求的文件。傳統(tǒng)的通過(guò)高溫?zé)Y(jié)黏土形成的紅磚作為墻體材料的生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，并極度浪費(fèi)資源與能源，成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最大障礙之一。鋼絲網(wǎng)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(jià)格低廉等優(yōu)

2、點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑與民用建筑框架結(jié)構(gòu)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(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，使得在生產(chǎn)生活中很多人力難以實(shí)現(xiàn)任務(wù)通過(guò)機(jī)器人得以完成，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。特別是焊接機(jī)器人在高質(zhì)、高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。在當(dāng)前服役的各類工業(yè)機(jī)器人中，焊接機(jī)器人占了很大比例，其中日本是世界上擁有機(jī)器人最多的國(guó)家，焊接機(jī)器人占到日本機(jī)器人總量的35%2。 工業(yè)機(jī)器人又稱機(jī)械手，由機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置組成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、能在三維空間完成各種作業(yè)任務(wù)的機(jī)電一體化設(shè)備，它不但具有人對(duì)環(huán)境狀

3、態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，同時(shí)還具有機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境強(qiáng)的能力。它對(duì)提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著十分重要的作用3。目前，我國(guó)的珍珠巖行業(yè)整體水平較差，大多以小企業(yè)為主，生產(chǎn)設(shè)備比較陳舊，能耗高，生產(chǎn)效率較低，綜合起來(lái)并不能體現(xiàn)鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板的優(yōu)越性。尤其在鋼絲網(wǎng)架生產(chǎn)最后一道工序的焊接作業(yè)中采用手工焊接，自動(dòng)化程度低，影響了企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。本文在吸取已有生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為提高鋼絲網(wǎng)架焊接作業(yè)的自動(dòng)化程度設(shè)計(jì)了焊接機(jī)械手，使珍珠巖墻體的制備機(jī)械達(dá)到較高的自動(dòng)化水平，以大力提高生產(chǎn)效率。通過(guò)引用新設(shè)備、新技術(shù)，可以大大降低產(chǎn)品的人力資源成本，加速珍

4、珠巖材料在建材市場(chǎng)中的應(yīng)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(dòng)了我國(guó)珍珠巖工業(yè)的發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由以上背景綜合起來(lái)不難發(fā)現(xiàn)，鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板墻體材料有巨大的市場(chǎng)潛力，也是應(yīng)我國(guó)發(fā)展綠色墻體材料的進(jìn)程而生。為提高墻體材料生產(chǎn)制造的效率，有必要開展對(duì)鋼絲網(wǎng)架珍珠巖焊接機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)珍珠巖夾芯板焊接作業(yè)的自動(dòng)化。 本文的主要章節(jié)如下:第1章：簡(jiǎn)要介紹了本課題研究的焊接機(jī)械手的工作環(huán)境。第2章：焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)作業(yè)要求機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的選型，并卻確定機(jī)械手自由度，材料的選用，機(jī)械手主桿件尺寸的確定。第3章：完成了機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與

5、驅(qū)動(dòng)方式的選擇。第4章：機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：根據(jù)機(jī)械手的主要桿件尺寸并利用三維建模SolidWorks軟件完成焊接機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)，繪制各個(gè)工件的三維圖。第5章：選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)件級(jí)專業(yè)件，并完成裝配工作。繪制主要零件二維工程圖?？偨Y(jié)與展望：總結(jié)本文主要工作，及這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)工作進(jìn)行展望。 1 焊接機(jī)械手的工作環(huán)境鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板是以膨脹珍珠巖為芯材，中間埋設(shè)S型鋼絲骨架，芯材兩面覆以鋼絲平網(wǎng)，通過(guò)焊接將鋼絲網(wǎng)與S型骨架焊成一體，并以水泥砂漿作面層的復(fù)合墻板，鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。鋼絲網(wǎng)架是由平網(wǎng)和S型鋼絲焊接而成，網(wǎng)架厚度約為76mm；內(nèi)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(nèi)固定有S型鋼型骨架4。圖1-1 鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板目前夾芯板的成型工藝一般由機(jī)械成網(wǎng)和手工成板兩部分組成。機(jī)械成網(wǎng)是鋼絲網(wǎng)焊接機(jī)組(如PMH-25型機(jī)組)完成。鍍鋅鋼絲經(jīng)轉(zhuǎn)盤放線架、縱絲調(diào)直機(jī)調(diào)直、剪網(wǎng)機(jī)切割、平網(wǎng)點(diǎn)焊機(jī)、卸網(wǎng)架等焊接成100mm×100mm的平網(wǎng)格板；彎曲機(jī)將調(diào)直的鍍鋅鋼絲彎曲成若干S型鋼絲，構(gòu)成軸向網(wǎng)架；平網(wǎng)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(jī)下壓制成型；成型芯板再經(jīng)翻轉(zhuǎn)，除去壓制外模，疊放后進(jìn)入烘干窯烘烤。機(jī)械

7、成網(wǎng)的加工過(guò)程可由可編程控制器控制，工作可靠，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高。圖1-2 鋼絲網(wǎng)架的生產(chǎn)工藝流程圖 出窯后在焊臺(tái)上手工成板，用點(diǎn)焊機(jī)將S網(wǎng)的凸點(diǎn)分別焊在兩邊的平網(wǎng)上，脫去芯板內(nèi)?？蚝蠼?jīng)檢驗(yàn)、包裝人庫(kù)，從而制成整體式S型穿絲焊接成鋼絲網(wǎng)架芯板。手工成板過(guò)程現(xiàn)階段未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，鋼絲網(wǎng)架生產(chǎn)工藝流程和焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1-2和圖1-3所示。在此情況下，單一通過(guò)手工焊接難以滿足焊接質(zhì)量和焊接效率的要求，使得鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板的產(chǎn)量難以有較大的提升，因而迫切需要提高焊接過(guò)程的自動(dòng)化程度。圖1-3 鋼絲網(wǎng)架焊接的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 2 焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 焊接機(jī)械手的操作機(jī)一般

8、是由機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器（夾持器和焊槍）及動(dòng)力裝置組成的機(jī)械裝置，如同人一樣，它主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副連接而成，只需6個(gè)自由度便可達(dá)到空間任意位姿。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響其工作性能，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高機(jī)械手工作的可靠性和效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和有用性。 焊接機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是由它的獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定的。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)計(jì)需保證所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置能在極限負(fù)載條件下正常的工作，而焊接機(jī)械手的主要工作是實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)，負(fù)載較小且其極限負(fù)載的降低可通過(guò)降低運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.1 方案要求 針對(duì)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板的生產(chǎn)過(guò)程，其鋼絲網(wǎng)架焊接主要作業(yè)采用手工作業(yè)，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平低。由

9、此，本文設(shè)計(jì)焊接機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)工序中鋼絲網(wǎng)架焊接部分的自動(dòng)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作需要和實(shí)體板材的參數(shù)，如圖1-1所示，其工作要求為: (1) 焊接對(duì)象為鋼絲平網(wǎng)與S型鋼絲相交的凸點(diǎn)，夾芯板的橫截面積為2500mm×1200mm，板材厚度為100mm，焊點(diǎn)共12排25列，起點(diǎn)A距離板材兩邊緣各50mm，相鄰焊點(diǎn)之相距100mm； (2) 機(jī)械手在給定板材工作范圍內(nèi)能連續(xù)運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)焊固定的離散點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間盡可能短； (3) 機(jī)械手的參數(shù)設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)體板材的已知尺寸確定，既要滿足機(jī)械手達(dá)到板材的最遠(yuǎn)點(diǎn)B，又要滿足機(jī)械手達(dá)到距離板材的最近點(diǎn)C； (4) 焊點(diǎn)強(qiáng)度要求:焊點(diǎn)的抗拉力330N，無(wú)過(guò)

10、燒現(xiàn)象； (5) 焊點(diǎn)質(zhì)量要求:為保證鋼絲網(wǎng)架的承載能力，不允許過(guò)多漏焊、脫焊；網(wǎng)架漏焊、脫焊點(diǎn)不應(yīng)超過(guò)總焊點(diǎn)數(shù)的8%，且脫焊點(diǎn)不能集中在一起，連續(xù)脫焊點(diǎn)不應(yīng)多于2個(gè)；靠近邊緣200mm區(qū)段內(nèi)的焊點(diǎn)不允許有脫焊、虛焊現(xiàn)象。圖2-1 鋼絲網(wǎng)架平面圖2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)它的實(shí)際應(yīng)用工種來(lái)決定。對(duì)于機(jī)械手而言，增加桿件的尺寸雖然可以提高機(jī)械手的局部剛度和承載能力，但整體的結(jié)構(gòu)變笨重，體積變得過(guò)大，質(zhì)量增加，翻來(lái)過(guò)來(lái)對(duì)剛度的要求更高，動(dòng)態(tài)性能可能會(huì)因?yàn)閼T量J的增加而變差，靈活度變?nèi)?，精度也隨之變低，且各關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率也會(huì)隨質(zhì)量的增加而提高，在電機(jī)的選擇上更為嚴(yán)格，都增加

11、了機(jī)械手的設(shè)計(jì)成本。 本課題中焊接機(jī)械手的主要目的是準(zhǔn)確定位到鋼絲網(wǎng)架的各個(gè)焊點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)。焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要思路是在滿足作業(yè)任務(wù)要求的前提下，盡量減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)的體積和質(zhì)量，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳動(dòng)與精確定位，使得焊接機(jī)械手的靈活性和穩(wěn)定性并存。2.3 機(jī)構(gòu)選型 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式可分為關(guān)節(jié)型機(jī)器人和非關(guān)節(jié)型機(jī)器人。在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有更多的絕對(duì)工作空間和相對(duì)空間，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活。關(guān)節(jié)型機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度高，可由移動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的不同形式組合而成，它決定了機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式和空間運(yùn)動(dòng)范圍5。焊接機(jī)械手完成焊接

12、作業(yè)，相對(duì)于在其他工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)械手來(lái)說(shuō)，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手在根據(jù)工作任務(wù)所需達(dá)到位姿方面相對(duì)簡(jiǎn)單。本文最初設(shè)計(jì)的兩種方案：方案一：采用直線導(dǎo)軌式，即如同機(jī)床的導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法，直接采用三條導(dǎo)軌，通過(guò)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)使焊槍和夾持部分一起移動(dòng)到需要焊接的位置，并完成焊接工作，優(yōu)缺點(diǎn)：成本低，工作速度快，機(jī)器的剛度好，能將其改為生產(chǎn)線工作，操作控制簡(jiǎn)單，遇到問(wèn)題易檢修，適用于二維平面的焊接任務(wù)。（但直線導(dǎo)軌采用絲桿傳動(dòng)，在焊接工作中可能存在焊渣掉去導(dǎo)軌中，從而影響精度。因?yàn)榫入y以保證，并可能因?yàn)榫鹊脑颍褂械狞c(diǎn)在焊接過(guò)程中出現(xiàn)漏焊無(wú)法達(dá)到最初的目的）。方案二：六自由度的擬人形態(tài)焊接機(jī)械手，具有多

13、個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，可以達(dá)到工作空間所需的各個(gè)位姿，同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性，良好的能換性，可改裝成它用機(jī)械手。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器手的適應(yīng)工作能力更強(qiáng)，能夠適應(yīng)三維空間的焊接任務(wù)，工作靈活性更高，同樣能安裝在生產(chǎn)線上進(jìn)行工作，方便移動(dòng)安裝工作，最大的優(yōu)點(diǎn)是只需更換焊接頭部分（末端執(zhí)行器）即可將焊接機(jī)械手變?yōu)槠渌ぷ鳈C(jī)械手（如換成電動(dòng)螺絲刀、鉗子，剪刀來(lái)實(shí)現(xiàn)拆彈和爆破工作，完成極其危險(xiǎn)的工作）。綜合各類因素，最終根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)方案選定為六自由度的焊接機(jī)械手。機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案如圖2-2。圖2-2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案圖機(jī)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(jù)傳感器反饋的位置和系統(tǒng)給定程序

14、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。（本設(shè)計(jì)對(duì)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(biāo)中的。確定焊槍的位置需要三個(gè)獨(dú)立參數(shù)x, y, z；在作業(yè)時(shí)焊槍的自轉(zhuǎn)用以保證末端執(zhí)行器與鋼絲網(wǎng)保持2個(gè)垂直，即：與網(wǎng)架面垂直，與焊機(jī)處鋼絲垂直。在這種情況下，才能保證達(dá)到最好的焊接效果，所以描述焊槍的姿態(tài)有三個(gè)獨(dú)立參數(shù)6。因此，用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)焊槍的位姿需要至少六個(gè)自由度。底座與腰部旋轉(zhuǎn)、肩部、肘關(guān)節(jié)和手腕部分的上下擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、左右擺動(dòng)共六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿。 本課題研究的焊接機(jī)械手具有六個(gè)自由度，腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)各部分之間的運(yùn)動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)。初步確定焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案如圖

15、2-2所示。腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體除機(jī)座固定以外的所有部分的轉(zhuǎn)動(dòng)；肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整大臂、小臂、焊槍與鋼絲網(wǎng)間的位姿(位置和姿態(tài))；腕關(guān)節(jié)包括兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別實(shí)現(xiàn)焊槍的俯仰和擺動(dòng)。2.5 材料的選擇機(jī)器人手臂所用材料的選擇應(yīng)綜合手臂的工作環(huán)境和任務(wù)要求來(lái)考慮，并滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路是從工作任務(wù)出發(fā)，最終要求機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，在選定對(duì)材料時(shí)，一個(gè)方面的要考慮到材料是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)比較慢，運(yùn)動(dòng)中易會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜

16、合考量，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。此外，機(jī)械手的機(jī)座是直接固定用的，并不需要運(yùn)動(dòng)，在選材時(shí)僅需考慮剛度成本即可，機(jī)座底板較厚，本文直接采用鑄鐵鑄造而成。機(jī)器人手臂做為一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。也就是機(jī)械手手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素7。為節(jié)省驅(qū)動(dòng)力矩，機(jī)械手臂在選擇材料時(shí)盡量在滿足強(qiáng)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(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼一般分為調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和表面硬化結(jié)構(gòu)鋼，這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加

17、了45倍、彈性模量E大、抗變形能力強(qiáng)，相對(duì)質(zhì)強(qiáng)比小，是應(yīng)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(jī)械手的主桿件尺寸利用罰函數(shù)法，建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)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(jù) DH( denavit hartenberg) 方法，建立基座坐標(biāo)系并在每個(gè)連桿上建立各桿件坐標(biāo)系，如圖2-3所示。圖2-3 六自由度機(jī)械手的連桿坐標(biāo)系圖2-3 中，為腰部回轉(zhuǎn)角，為大臂俯仰角，為小臂俯仰角，為腕關(guān)節(jié)俯仰角，為腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角，為腕關(guān)節(jié)擺動(dòng)角；為肩部與地面高（），其中1200mm機(jī)座安裝高度，根據(jù)具體工作環(huán)境而改變，為大臂長(zhǎng)，為小臂長(zhǎng)，為腕關(guān)節(jié)中心到焊槍末端的距

18、離（其中包括：一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分、一個(gè)擺動(dòng)部分和一個(gè)夾持部分）。各連桿及關(guān)節(jié)的參數(shù)如下所示：， 注：其中值為0，表示數(shù)值比較小，在總長(zhǎng)不變的情況下，應(yīng)用在具體設(shè)計(jì)繪圖過(guò)程中可有適當(dāng)?shù)淖儎?dòng)，不作過(guò)細(xì)注釋。（本數(shù)據(jù)是將鋼絲網(wǎng)架平放在工作臺(tái)上，做出的優(yōu)化數(shù)據(jù)，不能代表網(wǎng)架安放非平放時(shí)一定適用。）3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)各類電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)各種傳動(dòng)裝置減速后驅(qū)動(dòng)負(fù)載的，或通過(guò)液壓傳動(dòng)等方式。本文在末端執(zhí)行器夾持部分的驅(qū)動(dòng)力上就是采用的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)的。驅(qū)動(dòng)方式的選擇好壞將直接影響到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和控制精度。3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 一般常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)

19、、鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)等。根據(jù)實(shí)際工況在選擇傳動(dòng)方式均有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于同一機(jī)械，在不同的位置，設(shè)計(jì)者通常會(huì)根據(jù)其不同的工作要求，多采用不同種類的傳動(dòng)方式，這樣通過(guò)不同傳動(dòng)方式的組合來(lái)達(dá)到最優(yōu)的效果9。 由于一般的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出力矩較小，帶負(fù)載能力弱，通常利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩以提高帶負(fù)載能力。但由于工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)出現(xiàn)很多相對(duì)而言較大輸出力矩的電機(jī)，因此出現(xiàn)很多直接采用電機(jī)軸為驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)中也借鑒了此種傳動(dòng)方式。3.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置的動(dòng)力源。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)三種。氣壓驅(qū)

20、動(dòng)的工作介質(zhì)是高壓空氣，操作簡(jiǎn)單易于編程，但其帶負(fù)載能力小，體積大，位置精度低；液壓驅(qū)動(dòng)以高壓油為工作介質(zhì)，能得到較大的動(dòng)力，雖然精度上較氣壓驅(qū)動(dòng)有了提高，但液體對(duì)溫度變化敏感，易造成泄露并對(duì)環(huán)境造成污染，并且液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)都易產(chǎn)生巨大的噪聲。而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的得到廣泛應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括三大類:直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流伺服電機(jī)便于調(diào)速，具有良好的機(jī)械特性，但直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性差，尤其是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，同時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和尺寸較大，因此不便于在有較高精度要求的機(jī)器人中使用；交流伺服電機(jī)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(jī)器人中；步進(jìn)電機(jī)主要適用于開環(huán)控制系統(tǒng)，具有控制性能好、可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制、以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，常用于控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低的簡(jiǎn)易機(jī)器人中。本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)就能滿足實(shí)際使用的要求。步進(jìn)電機(jī)有三種基本類型：永磁式、變磁阻式（反應(yīng)式）和永磁感應(yīng)子式（混合式）。其中永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)又稱混合式（HB）步進(jìn)電機(jī)，他綜合了永磁式和磁阻式電機(jī)的特性。因?yàn)榧狭藘烧叩膬?yōu)點(diǎn)，無(wú)論是在定位轉(zhuǎn)矩、還是在輸出轉(zhuǎn)矩方面都比其他兩種電機(jī)有所提高。這類電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的分辨率、輸出轉(zhuǎn)矩和加速度等特性，典型的步距角為，對(duì)于大功率電機(jī)而言，可以如圖3-1所示制作成多段轉(zhuǎn)子10。圖3-1 單段體和多段體混合式

22、步進(jìn)電機(jī)此部分選自微特電機(jī)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)第580581頁(yè)。這也是為什么本文在在設(shè)計(jì)時(shí)，在有些部位直接采用電機(jī)軸的根本原因，因?yàn)樗牟骄嘟菫椋骄嘟鞘中?，不在采用變速裝置的情況下，可直接滿足本設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)所需角度，采用電機(jī)軸不斷使的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量大大減輕，材料的剛度要求更低，同時(shí)采用多段體混合式步進(jìn)電機(jī)完全可以滿足焊接機(jī)械比較小的結(jié)構(gòu)和相對(duì)較小的轉(zhuǎn)矩要求，可能此種設(shè)計(jì)在電機(jī)上的成本比常規(guī)方法所選的電機(jī)成本高些，但由于省去減速設(shè)備的設(shè)計(jì)，也方便安裝和后期的維護(hù)，編程時(shí)不用考慮其他因素，使得綜合起來(lái)成本大大降低，所以此法合理。機(jī)械手的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)分別安裝一個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)

23、的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)，而腕關(guān)節(jié)安裝有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別完成俯仰和擺動(dòng)。焊接機(jī)械手的各關(guān)節(jié)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相互協(xié)調(diào)下運(yùn)動(dòng)，末端執(zhí)行器可達(dá)到預(yù)想的位置完成焊接作業(yè)。這通過(guò)計(jì)算后可直接采用電機(jī)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，可滿足工作任務(wù)的要求。末端執(zhí)行器的夾緊部分采用電磁力驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊工作。其原因在本文的（4-1末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)）中給出了具體的說(shuō)明和兩種方案的對(duì)比。在機(jī)械手的腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的選擇時(shí)，充分考慮到如果機(jī)械手的整個(gè)手臂再完全伸直狀態(tài)時(shí)，重心和機(jī)座的距離很遠(yuǎn)，根據(jù)公式，使得此部分在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩不較大，如果直接采用電機(jī)軸很難實(shí)現(xiàn)腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)公式： ， 因而需要采用減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增大轉(zhuǎn)矩，從而提供電動(dòng)機(jī)的帶

24、負(fù)載能力。機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)有：(1) 傳動(dòng)剛度大，即在相同的扭矩下，由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸角度變形小，這樣可減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)，提高固有頻率，避免產(chǎn)生共振而對(duì)機(jī)械手造成巨大的損害，或隱藏重大安全隱患。(2) 結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)比和傳動(dòng)功率時(shí)，體積相對(duì)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(zhǎng)，便于維修。(5) 設(shè)計(jì)成本和維護(hù)成本低。諧波傳動(dòng)是一種大傳動(dòng)比的減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)對(duì)諧波減速器相關(guān)資料的查閱，了解到諧波傳動(dòng)是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞。與一般齒輪傳動(dòng)相比，諧波齒輪傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大，目前市場(chǎng)上

25、的諧波齒輪傳動(dòng)比一般為100，可達(dá)到200以上，“范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；同時(shí)參與嚙合的齒輪對(duì)數(shù)比其他齒輪傳動(dòng)多，承載能力大，且阻尼較大；傳動(dòng)精度高，在相同制造精度下，諧波齒輪傳動(dòng)比一般齒輪傳動(dòng)的精度至少高一級(jí)；齒側(cè)間隙便于調(diào)整，易獲得零側(cè)隙傳動(dòng)。傳動(dòng)效率高，單級(jí)傳動(dòng)效率約為65%-90%。其缺點(diǎn)是:由于柔輪的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題，限制了輸入速度；扭轉(zhuǎn)剛度低，尤其是在低扭矩情況下，這限制了它在機(jī)器人中的應(yīng)用；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速等于或者是嚙合頻率的2倍、4倍、6倍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，這對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的連接件很不?！币蚨驹O(shè)計(jì)中將此種傳動(dòng)方式排除在外。 最后綜合所學(xué)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求以

26、及現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)任務(wù)要求，本文選用齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的組合方式作為機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于腰部關(guān)節(jié)是個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，速度要求不高，但腰部關(guān)節(jié)需要帶動(dòng)除機(jī)座以外的其他部件轉(zhuǎn)動(dòng)，故要有較大的轉(zhuǎn)矩，采用減速的齒輪傳動(dòng)可以達(dá)到腰部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)要求，本文腰關(guān)節(jié)綜合體積與工作任務(wù)最后直接選用帶減速器的步進(jìn)電機(jī)。具體計(jì)算數(shù)據(jù)和公式在第四章各個(gè)部分的設(shè)計(jì)給出。4 機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.1 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器也就是機(jī)械手的手部，安裝在機(jī)械手的最末端，機(jī)械手與產(chǎn)品網(wǎng)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(guò)程中，既要保證末端執(zhí)行器到達(dá)的點(diǎn)是正確的，就是說(shuō)機(jī)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(wǎng)保持2個(gè)垂直，即：與網(wǎng)架面垂直，與焊機(jī)處鋼絲垂直。在這種情況下，才能保證達(dá)到最好的焊接效果。這兩個(gè)垂直由機(jī)械手的機(jī)身的各個(gè)關(guān)節(jié)的6個(gè)自由度來(lái)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)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(jìn)行焊接工作。（夾持所需的加緊力大約為100N左右）夾持部分設(shè)計(jì)2種方案進(jìn)行選擇：方案一：采用液壓為驅(qū)動(dòng)力的夾緊裝置。優(yōu)點(diǎn)：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(qū)動(dòng)力的夾緊裝置。優(yōu)點(diǎn)：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(jìn)行對(duì)比，液壓式雖然比電磁式可實(shí)現(xiàn)更大的夾緊力，對(duì)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(wǎng)，其夾緊力只需100N左右，焊接后網(wǎng)架是直接在板內(nèi)部的，對(duì)其機(jī)構(gòu)精度沒(méi)有很高的要求，在夾緊時(shí)產(chǎn)生的沖擊對(duì)其沒(méi)有任何影響。其中液壓式其總體占用空間會(huì)遠(yuǎn)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(hù)。液壓式用一定的時(shí)間后可能會(huì)出現(xiàn)漏油的情況，對(duì)環(huán)境有污染，很重要的一個(gè)原因是此部分離焊槍太近，焊接時(shí)會(huì)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(xiǎn)。從市場(chǎng)價(jià)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(shí)，選擇電磁式更為合理。在末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)的中，

29、需要注意一下要求；尺寸滿足工作需求，因?yàn)殇摻z網(wǎng)格每個(gè)格子是100×100mm，機(jī)械手的夾持部分寬度不能超過(guò)100mm，夾子在張開時(shí)，上下兩個(gè)點(diǎn)不能超過(guò)200mm，否則夾持部分伸不進(jìn)去，無(wú)法完成焊接任務(wù)。機(jī)械手要有較高的精度和靈活性，級(jí)機(jī)械手的機(jī)身和末端執(zhí)行器不能過(guò)大過(guò)重，即在選擇合適電機(jī)和材料的同時(shí)要考慮到其體積和重量的影響。夾持部分通過(guò)電磁力來(lái)夾擊，因?yàn)樵趭A緊時(shí)中間有鋼絲，夾緊的大小和位置基本固定，但在松開時(shí)，如果同樣通過(guò)電磁力的和話，可能張開的超過(guò)工作值200mm以內(nèi)，或因?yàn)橹亓Φ脑蛳旅鎮(zhèn)€直接與地面成垂直狀態(tài)了，角度過(guò)大，使得電磁力在下次夾緊時(shí)失效。機(jī)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(shí)結(jié)構(gòu)圖 圖4-2 夾持部分夾緊時(shí)結(jié)構(gòu)圖其中電磁吸盤是通過(guò)沉頭螺釘與末端執(zhí)行器手指相連，保證連接安全，同時(shí)在加緊時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干涉。在保證夾持部分回位，機(jī)械手的手指與手體的連接孔設(shè)計(jì)有鍵槽，在安裝是通過(guò)鍵使手指與軸銷連在一起運(yùn)動(dòng)，在軸銷上裝有特定結(jié)構(gòu)的彈簧與手有個(gè)相對(duì)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(jié)構(gòu)如圖4-3所示，特定彈簧結(jié)構(gòu)如圖4-4所示13。 圖4-3 特定彈簧安裝結(jié)構(gòu)圖圖4-4 特定彈簧結(jié)構(gòu)圖末端執(zhí)行器手指軸銷根據(jù)其工作性能的要求設(shè)計(jì)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(shí)會(huì)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，為減小摩擦力，表面需要進(jìn)行精加工。同時(shí)因?yàn)槭终葡鄬?duì)比較大如果因使用磨損而和軸銷一起更換會(huì)加大使用成本，本設(shè)計(jì)在手掌采用滑動(dòng)軸承式設(shè)計(jì)出安裝了軸瓦襯套，同時(shí)在軸瓦的選擇上，為滿足手掌的設(shè)計(jì)，而不改變整體結(jié)構(gòu)，軸瓦設(shè)計(jì)成整體式，同時(shí)機(jī)械手手臂整體是一直需要運(yùn)動(dòng)的，采用油潤(rùn)滑不方便，也可能會(huì)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。因此需要考慮耐磨性好，又具有自潤(rùn)滑作用的材料。查閱資料最終選定型號(hào)為G-95的又填料熱固性塑料PTFE。其特點(diǎn)是具有極好的耐磨性和良好的自潤(rùn)滑性14。 圖4-5 末端執(zhí)行器手指軸銷4.2 腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)是擬人

32、手腕特點(diǎn)設(shè)計(jì)，在功能上既能實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然在旋轉(zhuǎn)一定角度后，再擺動(dòng)就可以看成是上下擺動(dòng)了。其中擺動(dòng)角度能實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)角度能實(shí)現(xiàn)。腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4-6、腕關(guān)節(jié)電機(jī)和固定軸銷安裝結(jié)構(gòu)如圖4-7和旋轉(zhuǎn)部分安裝結(jié)構(gòu)如圖4-8所示15。圖4-6 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)正視圖圖4-7 腕關(guān)節(jié)電機(jī)和固定軸銷安裝結(jié)構(gòu)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(hào)為608CE，安裝時(shí)要保證軸承與電機(jī)的同軸度，因此在加工時(shí)軸承孔有較高精度要求。電機(jī)通過(guò)雙頭螺柱和螺母與手腕相連。在連接時(shí)另一邊直接采用電機(jī)軸做為連接軸，又是通過(guò)專用電機(jī)鍵與手體（如同人的手掌部分）相互連接。機(jī)械結(jié)構(gòu)都是采用強(qiáng)度較高的合

33、金結(jié)構(gòu)鋼，厚度都是常用的810mm，因而最易出現(xiàn)強(qiáng)度問(wèn)題的就是電機(jī)軸，直接做為連接軸，既要承載轉(zhuǎn)矩，也要承載一半的質(zhì)量。電機(jī)軸的校核：根據(jù)鋼的密度，整個(gè)手的體積V可計(jì)算出手的質(zhì)量，重心在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸80mm處。則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩為：其中電機(jī)選用億星科技生產(chǎn)的型號(hào)為57BYG4502C的混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的基本參數(shù)：步距角0.9/1.8°，二相四線，驅(qū)動(dòng)電壓24V，相電流1.5A，保持轉(zhuǎn)矩1.8N.m，軸頸為8mm，長(zhǎng)度76mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.22Kg².cm2 ，重量0.6kg。安全系數(shù)n為：能滿足工作需求。電機(jī)的功率:。電機(jī)的轉(zhuǎn)速n為380r/min。通過(guò)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算公式得：最

34、小軸徑：即所選的電機(jī)的電機(jī)軸必須大于7mm，才能滿足強(qiáng)度要求。本電機(jī)軸頸為8mm，因而能夠保證保安全工作，不用老因電機(jī)軸損害而要更換整個(gè)電機(jī)。在腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)部分的安裝式，為使機(jī)構(gòu)體積小，在設(shè)計(jì)時(shí)給出的安裝空間很有限，為方便此位置電機(jī)的安裝，將最初設(shè)計(jì)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(zhuǎn)部分安裝結(jié)構(gòu)圖軸承的安裝同上手腕處，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的軸承型號(hào)同樣都選擇608CE，在加工安裝時(shí)也需考慮到同軸度的問(wèn)題，對(duì)加工精度有一定要求?？紤]到手臂相對(duì)比較細(xì)，普通螺釘會(huì)對(duì)安裝和維修帶來(lái)極大的不便，結(jié)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(hào)為GB/T832-1988。螺釘結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。圖4-9 開槽帶孔球面圓柱頭螺釘結(jié)構(gòu)圖4.3 肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)焊接機(jī)械手的手臂是由大臂和小臂兩個(gè)臂桿組成，手臂的運(yùn)動(dòng)通過(guò)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)采用相同的設(shè)計(jì)方法，都是直接采用電機(jī)機(jī)構(gòu)來(lái)傳遞動(dòng)力。其工作要求是，能夠?qū)崿F(xiàn)很小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，并滿足扭矩要求，既能夠帶動(dòng)前面小臂和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人所用電機(jī)為微電機(jī)，在查閱微特電機(jī)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)得出結(jié)論，直接采用永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)，做成電機(jī)軸。能夠?qū)崿F(xiàn)工作要求（原因在上面的2.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇中給出具體說(shuō)明）。此種選擇具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)性高、適用范圍廣

36、、瞬時(shí)由系統(tǒng)程序直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)到達(dá)指定角度等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)減速裝置上面的能耗，其傳動(dòng)效率高，質(zhì)量輕，操作方便，所以它有利于保證手臂定位的精確性和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。通過(guò)在滿足工作需求的情況下，節(jié)省了減速裝置的設(shè)計(jì)制造和后期的維護(hù)成本，選擇此種電機(jī)軸結(jié)構(gòu)是很合理的。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分別如圖4-10和圖4-12所示。圖4-10 肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖具體電機(jī)的選定，根據(jù)鋼的密度，根據(jù)轉(zhuǎn)軸以上的機(jī)械手的體積V可計(jì)算出其質(zhì)量，重心在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸800mm處。則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩為：由于關(guān)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩為86.24N.m，直接采用電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)力難以實(shí)現(xiàn)，為省去減速裝置的設(shè)計(jì)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查可購(gòu)買到減速裝置直接安裝在電機(jī)上，組裝成帶減速

37、器的步進(jìn)電機(jī)，即：行星減速器+步進(jìn)電機(jī)。其中電機(jī)選用億星科技生產(chǎn)的型號(hào)為57BYG250H的混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的基本參數(shù)：步距角0.9/1.8°，二相四線，驅(qū)動(dòng)電壓24V，相電流1.5A，保持轉(zhuǎn)矩1.8N.m，軸頸為8mm，長(zhǎng)度112mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.22Kg².cm2 ，重量0.6kg。行星減速器選用億星科技生產(chǎn)的57系列的行星減速器，選用傳動(dòng)比1：36的，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4-11所示。圖4-11 57系列減速機(jī)的具體結(jié)構(gòu)圖對(duì)減速機(jī)輸出軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核：安全系數(shù)n為：能滿足工作需求。電機(jī)的功率:。經(jīng)過(guò)減速器后的功率：。電機(jī)的轉(zhuǎn)速n為580r/min。通過(guò)軸的強(qiáng)度校核計(jì)

38、算公式得最小軸徑：本文所選用帶減速器的步進(jìn)電機(jī)的輸出軸為14mm，最后輸出扭矩為28.8N.m，都能滿足工作任務(wù)要求，設(shè)計(jì)合理。圖4-12 肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖具體電機(jī)的選定，同理上述計(jì)算過(guò)程，根據(jù)鋼的密度，根據(jù)轉(zhuǎn)軸以上的機(jī)械手的體積V可計(jì)算出其質(zhì)量，重心在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸1200mm處。則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩為：由于關(guān)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩為272.36N.m，選用行星減速器+步進(jìn)電機(jī)。其中電機(jī)選用億星科技生產(chǎn)的型號(hào)為86BYG250H的混合式步進(jìn)電機(jī)?；緟?shù)：機(jī)身尺寸86×86×150mm，扭矩為12N.m，轉(zhuǎn)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(chǎn)的86系列，傳動(dòng)

39、比為1：24。86系列具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖4-13所示。圖4-13 86系列減速機(jī)的具體結(jié)構(gòu)圖對(duì)減速機(jī)輸出軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核：安全系數(shù)n為：能滿足工作需求。同理通過(guò)驗(yàn)證剛度可滿足使用要求。裝配好后的行星減速器+步進(jìn)電機(jī)，帶減速器的步進(jìn)電機(jī)如圖4-14所示。圖4-14帶減速器的步進(jìn)電機(jī)具體結(jié)構(gòu)圖4.4 機(jī)座設(shè)計(jì)通常來(lái)說(shuō)，機(jī)座主要起支撐作用，機(jī)器人的手臂通常支撐在機(jī)座上。在本設(shè)計(jì)中，機(jī)座需要具有回轉(zhuǎn)的功能，實(shí)現(xiàn)手臂的整體回轉(zhuǎn)，它相當(dāng)于人的腰部，也可以將機(jī)座看作一種“特殊的手臂”。除此之外，它還用于支撐手臂、驅(qū)動(dòng)單元和傳動(dòng)部件的安裝固定及機(jī)械手整體與地面的安裝與固定等16。在機(jī)座設(shè)計(jì)中，需要滿足如下的基本

40、要求：首先，機(jī)座要具有足夠的剛度及剛度與質(zhì)量比；其次，要具有良好的熱穩(wěn)定性，因?yàn)闊嶙冃螘?huì)影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度；再者，要有較好的動(dòng)態(tài)特性，包括產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲小、整機(jī)的低階頻率高、各階頻率不引發(fā)共振、具有較大的動(dòng)剛度和阻尼等;另外，要具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性，方便后期的安裝、拆卸和維修等。根據(jù)工作任務(wù)，焊接機(jī)械手，在焊接鋼網(wǎng)時(shí)，每焊接完一個(gè)點(diǎn)，為節(jié)約焊接所用總時(shí)間會(huì)直接移動(dòng)到最近的點(diǎn)進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的焊接。2點(diǎn)的距離為100mm。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，在機(jī)械手伸長(zhǎng)到最遠(yuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)到最近的下一個(gè)點(diǎn)的腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的角度最小，這里僅對(duì)此時(shí)最小轉(zhuǎn)動(dòng)角進(jìn)行考察：焊接點(diǎn)到腰的距離：根據(jù)三角行余弦定理得， 因此，在電機(jī)和

41、減速機(jī)構(gòu)的選擇上，要保證最后能保證實(shí)現(xiàn)這樣小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，太快會(huì)對(duì)機(jī)械手造成過(guò)大的撞擊，極大影響機(jī)械手的使用壽命。查微特電機(jī)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)各個(gè)電機(jī)的應(yīng)用范圍，并根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩的要求，本文綜合機(jī)械手體積考慮直接選用帶減速器的步進(jìn)電機(jī)，型號(hào) 86HB150GN010S-TF0?；緟?shù)如表4-1所示：表4-1 電機(jī)基本參數(shù)表帶減速器的步進(jìn)電機(jī)86HB150GN010S-TF0的機(jī)械尺寸圖如圖4-15所示。注：L=150mm 軸徑鍵槽=15mm圖4-15 步進(jìn)電機(jī)機(jī)械尺寸圖對(duì)該電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核，考察所需轉(zhuǎn)矩電機(jī)通過(guò)減速后的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比。設(shè)重心到腰部回轉(zhuǎn)中心的距離為?？傎|(zhì)量為。所需扭矩。最后輸出轉(zhuǎn)矩。經(jīng)

42、驗(yàn)證,滿足工作要求。機(jī)械手機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)工作環(huán)境和基本尺寸要求以及所選電機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)座結(jié)構(gòu)圖如圖4-16所示。圖4-16 機(jī)座的結(jié)構(gòu)圖圖4-17中，在設(shè)計(jì)時(shí)，為使鑄造開模方便，機(jī)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(guò)焊接固定在一起。機(jī)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(shí)也減輕重量，節(jié)約材料，同時(shí)方便安裝17。圖4-17 機(jī)座底板工藝設(shè)計(jì)機(jī)械手機(jī)座與腰部安裝結(jié)構(gòu)如圖4-18、圖4-19所示。圖4-18 手機(jī)座與腰部及電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)1圖4-19 手機(jī)座與腰部及電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)25 整體結(jié)構(gòu)圖由于機(jī)械手如同人的手臂一樣

43、，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較細(xì)長(zhǎng)，整體機(jī)構(gòu)圖放在一起比較小，具體細(xì)節(jié)在局部放大圖中。整體結(jié)構(gòu)圖如圖5-1、5-2、5-3所示。圖5-1 整體結(jié)構(gòu)圖1圖5-2 整體結(jié)構(gòu)圖2圖5-3 整體結(jié)構(gòu)圖3具體尺寸和配合尺寸在附件工程圖中標(biāo)出。 總結(jié)與展望根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作要求，分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)械手的現(xiàn)狀，本文在原有鋼絲網(wǎng)架生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上對(duì)工序的最后一步焊接工藝進(jìn)行分析，完成了鋼絲網(wǎng)架焊接機(jī)械手的方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板的生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化提供一定的理論依據(jù)。 本文所做的主要工作總結(jié)如下: (1) 創(chuàng)建了機(jī)械手的三維實(shí)體模型，并建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)末端執(zhí)行器的夾緊過(guò)程進(jìn)行的動(dòng)態(tài)分析和模擬。 (2) 針對(duì)焊接

44、作業(yè)的實(shí)際工作空間，運(yùn)用工作空間的數(shù)學(xué)模型和帶約束的非線性規(guī)劃方法優(yōu)化設(shè)計(jì)出最小包容工作空間的主連桿幾何參數(shù)進(jìn)行理解和設(shè)計(jì)運(yùn)用，并通過(guò)結(jié)合大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)和各類相關(guān)資料完成了本次設(shè)計(jì)。（3） 根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的需求，查閱關(guān)于機(jī)器人和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)資料，對(duì)于大學(xué)四年所學(xué)的機(jī)械電子工程有了更加深入的理解，同時(shí)也學(xué)習(xí)到了很多在大學(xué)課程中沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，如：本文涉及的機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器人對(duì)發(fā)展，機(jī)器人設(shè)計(jì)的方法，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，傳動(dòng)方式等。對(duì)微電機(jī)的應(yīng)用有了更加系統(tǒng)的了解，即微電機(jī)在機(jī)器人里的應(yīng)用。值得肯定的是學(xué)習(xí)了新的三維繪圖軟件（SolidWorks），現(xiàn)在能很熟練的應(yīng)用該軟件，該軟件不同

45、與之前在大學(xué)課程里所學(xué)的CAD和UG，充分感受到它的強(qiáng)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(lái)說(shuō)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)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(duì)將來(lái)的學(xué)習(xí)生活有著十分重大的影響。機(jī)器人技術(shù)和所學(xué)軟件，及這次設(shè)計(jì)的過(guò)程相信會(huì)成為未來(lái)的三年研究生學(xué)習(xí)中的一個(gè)良好鋪墊。 由于受到客觀條件和時(shí)間的局限，本文的工作仍然存在一些不足，有待于進(jìn)一步的豐富、改進(jìn)和完善。結(jié)合研究過(guò)程的體會(huì)，從總體上提出下一步研究的幾點(diǎn)設(shè)想:(1) 為了便于分析和計(jì)算，本文將機(jī)械手模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了關(guān)節(jié)的摩擦因素和外界振動(dòng)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(gòu)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(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究，在力學(xué)結(jié)構(gòu)上只是設(shè)計(jì)到靜力學(xué)研究考量，但對(duì)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題考慮仍有不足，可能導(dǎo)致在實(shí)際操作中對(duì)機(jī)械手造成部分損害，后續(xù)需加入對(duì)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題