（定稿）毕业设计_SMART机器人结构设计.rar

由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求，般工人已难以胜任这工作此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因而，此此题的提出就有十分重要的意义。

此次设计主要研究设计关节型弧焊机械手的机械本体部分，即由腰部大臂和小臂组成的个关节的机械本体的结构设计。

设计主要通过腰部的旋转和大小臂的俯仰来实现机械手的空间自由度的运动。

在设计过程中主要参照国内外已成功研制的机械手本体部分的设计，依照机械手的设计要求和准则，在此基础上进轴的设计校核.齿轮的设计选择材料压力角的选择齿数和模数的选择齿宽系数确定齿轮的传动精度齿轮的校核第四章关节型机器人大臂结构设计.电动机的选择.计算传动装置的总传动比和分配各级传动比.轴的设计计算轴转速转矩和输入功率计算轴尺寸的确定轴的设计校核.齿轮的设计选择材料压力角的选择齿数和模数的选择齿宽系数确定齿轮的传动精度齿轮的校核第五章关节型机器人小臂结构设计.电动机的选择.计算传动装置的总传动比和分配各级传动比.轴的设计计算轴转速转矩和输入功率计算轴尺寸的确定轴的设计校核.齿轮的设计选择材料压力角的选择齿数和模数的选择齿宽系数确定齿轮的传动精度齿轮的校核第六章总结与展望参考文献致谢附录第章引言.题目来源与分析随着现代科技的迅猛发展，机器人机械手技术已广泛应用于人类社会的各个领域。

在制造业中诞生的工业机器人是继动力机计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新代生产工具。

应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之，也是新技术革命的个重要内容。

机器人机械手的应用是个国家工业自动化水平的重要标志。

我国机器人机械手的应用数量增长异常迅猛。

专家预测，到年拥有量将达到台，到年，市场容量将达十几万台套。

其中焊接机器人占据了整个工业机器人总量的以上。

弧焊技术作为现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。

近年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产的生产率保证产品质量实现焊接生产的自动化智能化越来越得到焊接生产企业的重视。

归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义稳定和提高焊接质量，保证其均性。

焊接参数采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量稳定。

产品周期明确，容易控制产品产量。

机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。

可实现小批量产品的焊接自动化。

机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。

改善了工人的劳动条件。

提高劳动生产率。

正文是作者对研究工作的详细表述。

.研究目的本课题型机器人结构设计来源于生产实践中。

由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求，般工人已难以胜任这工作此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因而，此课题的提出就有十分重要的意义。

课题要求设计的机器人具有个自由度腰关节回转大臂关节俯仰小臂关节俯仰。

其工作指标为腕部最大负载，腰部旋转范围在之间，大臂和小臂的运动范围在之间，三个关节的最大线速度为，工作空间球体半径为。

此次设计主要研究设计关节型弧焊机械手的机械本体部分，即由腰部大臂和小臂组成的个关节的机械本体的结构设计。

设计主要通过腰部的旋转和大小臂的俯仰来实现机械手的空间自由度的运动。

在设计过程中主要参照国内外已成功研制的机械手本体部分的设计，依照机械手的设计要求和准则，在此基础上进行改进和优化，使其结构设计合理简单紧凑，动作灵活，能够应用于弧焊作业及搬运与装配作业。

.国内外发展及研究现状国内外焊接机器人技术的发展我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于世纪年代。

早期是大学和科研院所的自发性的研究。

到年代中期，全国没有台工业机器人问世。

而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。

经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术控制技术关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。

国内外焊接机器人的应用状况国际上年代是焊接机器人在生产中应用发展最快的年。

我国工厂从年代开始，应用焊接机器人的步伐也显著加快。

进入世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加。

目前在我国应用的机器人主要分日系欧系和国产三种。

日系中主要有安川松下不二越川崎等公司的产品。

欧系中主要有德国的瑞典的意大利的及奥地利的公司。

国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。

目前国内外应用较多的焊接机器人系统有如下几种形式.焊接机器人工作站单元通过变位机与机器人协调运动实现焊接。

.焊接机器人生产线焊接机器人生产线比较简单的是把多台工作站单元用工件输送线连接起来组成条生产线。

.焊接柔性生产线。

柔性线也是由多个站组成，不同的是被焊工件都装卡在统形式的托盘上，而托盘可以与线上任何个站的变位机相配合并被自动卡紧。

这样每个站无需作任何调整就可以焊接不同的工件。

二目前焊接机器人的结构形式焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。

机器人由机器人本体和控制柜硬件及软件组成。

而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，包括其控制系统送丝机弧焊焊枪钳等部分组成。

机器人结构包含手臂手腕手抓和行走机构等部分，它实现机器人的运动机能，完成规定的各种操作。

操作臂通常是由系列连杆通过关节顺次相连的开链式。

工业机器人常用的两种关节是旋转关节和移动关节。

机器人的运动是由手臂和手腕的运动组合而成的。

通常手臂部分有个关节，用以改变手腕参考点的位置成为定位机构手腕部分也有个关节，通常这个关节轴线相交，用来改变末端件如手爪的姿态，称为定向机构，整个操作臂可以看成是定位机构连接定向机构。

目前世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节式机器人，绝大部分有个轴。

其中，轴可将末端工具送到不同的空间位置，而轴解决工具姿态的不同要求。

机器人手臂的前个关节顺次连接的个连杆，形成定位机构。

个关节的种类决定了操作臂工作空间的形式。

通常分为直角坐标式机器人，圆柱坐标式机器人，球极坐标式机器人，机器人和关节式机器人五种形式。

第二章关节型机器人总体设计.确定基本技术参数机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案.圆柱坐标型这种运动形式是通过个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。

它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。

.直角坐标型直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。

它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高结构简单，但机体所占空间体积大灵活性较差。

.球坐标型又称极坐标型，它由两个转动和个直线移动所组成，即个回转，个俯仰和个伸缩运动组成，其工作空间图形为个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑工作空间范围大的特点，但结构复杂。

.关节型关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。

其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强能抓取靠进机座的物体。

.平面关节型采用两个回转关节和个移动关节两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小形状。

在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。

它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。

对以上五种方案进行比较方案不能够完全实现本课题所要求的动作方案二体积大，灵活性差方案三结构复杂方案五无法实现本课题的动作。

结合本课题综合考虑决定采用方案四关节型机器人。

此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。

额定负载目前，国内外使用的工业机器人中，其负载能力的范围很大，最小的额定负载在以下，最大可达。

负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。

其中应包括机器人末端执行器的重量抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。

本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最大载荷是。

操作机的驱动系统设计关节型机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。

通常的机器人驱动方式有以下四种.步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。

但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。

.直流伺服电机直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。

其安装维修方便，成本低。

.交流伺服电机交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵些。

随着可关断晶闸管，大功率晶闸管和场效应管等电力电子器件脉冲调宽技术和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。

采用位位三环位置速度电流全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。

三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。

.液压伺服马达液压伺服马达具有较大的功率体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为个合适的选择方案。

但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。

为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。

常用的驱动器有电机和液压气动驱动装置等。

其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。

电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。

所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。

因为它具有体积小转矩大输出力矩和电流成比例伺服性能好反应快速功率重量比大，稳定性好等优点。

本课题的机器人将采用直流伺服电动机。

因为它具有体积小转矩大输出力矩和电流成比例伺服性能好反应快速功率重量比大，稳定性好等优点。

确定关节型机器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。

根据任务要求，要实现机器人焊接功能，则机器人的工作范围要广，所以我选择了立柱式的配置方式。

其特点是占地面积小，工作范围大，机器人手臂可绕立柱回转。

根据分析，可将机器人的参数列在表中表关节型机器人的主要参数项目技术要求结构型式关节型自由度数运动范围最大速度∕腕部最大负荷驱动方式直流伺服驱动重复定位精度.控制方式∕操作方式示教再现，离线编程存储容量质量操作机控制柜输入∕输出∕位电源相安装环境.关节型机器人本体结构设计机器人本体结构的传动设计机械手的个传动系统分别实现了腰部与底座的回转以及大臂的俯仰和小臂的俯仰。

腰部的回转，大臂和小臂的俯仰都是通过电机带动二级齿轮减速器传动来实现的。

机器人主要由腰部与基座组成的回转基座以及大臂小臂组成。

回转基座是个铝制的整体铸件。

大臂和小臂的结构形式相似，都由铝制的整体铸件骨架组成。

铸件既作臂的承力骨架，又作电机和内部二级减速器以及转轴的支承座。

大臂上装有大臂和小臂的驱动电机，电机输出端装有对应的二级减速器组件。

大臂和小臂关节都采用了二级圆柱减速器直接驱动。

所设计机器人本体结构的特