1、畢業設計說明書2008屆 5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設計學生姓名 方 君 學 號 04081205 院 系 工學院機電系 專 業 機械設計制造及其自動化指導教師 黃德中 5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設計摘要據不完全統計，全世界在役的工業機器人中大約有將近一半的工業機器人用于各種形式的焊接加工領域，焊接機器人應用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產領域代替焊工從事焊接任務的工業機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設計的，而大多數的焊接機器人其實就是通用的工業機器人裝上某種焊接工具而構成的。在多任務環境中，一臺機器人甚至可以完成

2、包括焊接在內的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務，因此，從某種意義上來說，工業機器人的發展歷史就是焊接機器人的發展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗、穩定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業機器人的出現使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質量和提高焊接效率。本次我所設計的機器人為五自由度弧焊機器人。本說明書對本次設計的主要考慮內容進行了敘述和講解，包括機器人的總體設計以及傳動系統的構成與設計，電動機的選擇，圓錐齒輪的設計與校核，諧波減速器的原理以及選擇，腕部

3、轉動軸的校核，齒形帶規格的選擇以及滾動軸承的選擇與校核等。由于設計經驗不足以及理論知識的匱乏，本次設計肯定存在許多不足之處，望答辯老師諒解并不吝賜教。關鍵詞 焊接機器人；齒形帶傳動；諧波減速器；五自由度design 5 degree-of-freedom welding robot overall and big arm and waist ABSTRCTAccording to incomplete statistics, nearly half of the world's industrial robots in service are used for welding. The

4、 most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for

5、welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi-task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the

6、 development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditi

7、ons, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding.The robot I designed is a DOF arc wel

8、ding robot. The design statement mainly include design of robot's drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and

9、its checking and so on.KEY WORDS welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 5-DOF目錄中文摘要 英文摘要 目錄 前言 1 1 緒論 3 2 畢業設計基本思路 4 總體所涉及思路及內容 5設計傳動方案 5 3 焊接機器人腰部與大部設計 73.1 腰部結構設計 73.1.1 電動機的選擇 73.1.2 諧波減速器介紹及選擇 8 3.1.3 軸的設計與校核 10 3.1.4 軸承的設計計算與核 113.1.5 齒輪設計計算與校核 123.2 大臂結構設計 153.2.1 電動機的選擇 1

10、53.2.2 諧波減速器的選擇 15 3.2.3 軸的設計與校核 164總 18參考文獻 19致謝 20前言焊接機器人之所以能夠占據整個工業機器人總量的40%以上，與焊接這個特殊的行業有關，焊接作為工業“裁縫”，是工業生產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，焊接的工作環境又非常惡劣，焊接質量的好壞對產品質量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義：    （1）穩定和提高焊接質量,保證其均一性。焊接參數如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人

11、的因素影響較小,降低了對工人操作技術的要求，因此焊接質量是穩定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質量的均一性。    （2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。    （3）提高勞動生產率。機器人沒有疲勞，一天可24小時連續生產，另外隨著高速高效焊接技術的應用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。    （4）產品周期明確，容易控制產品產量。機器人的生產

12、節拍是固定的，因此安排生產計劃非常明確。    （5）可縮短產品改型換代的周期,減小相應的設備投資?？蓪崿F小批量產品的焊接自動化。機器人與專機的最大區別就是他可以通過修改程序以適應不同工件的生產。我國開發工業機器人晚于美國和日本，起于20世紀70年代，早期是大學和科研院所的自發性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺工業機器人問世。而在國外，工業機器人已經是個非常成熟的工業產品，在汽車行業得到了廣泛的應用。鑒于當時的國內外形勢，國家“七五”攻關計劃將工業機器人的開發列入了計劃，對工業機器人進行了攻關，特別是把應用作為考核的重要內容，這樣就把機器人技術和用戶緊密結合起

13、來，使中國機器人在起步階段就瞄準了實用化的方向。與此同時于1986年將發展機器人列入國家“863”高科技計劃。在國家“863”計劃實施五周年之際，鄧小平同志提出了“發展高科技，實現產業化”的目標。在國內市場發展的推動下，以及對機器人技術研究的技術儲備的基礎上，863主題專家組及時對主攻方向進行了調整和延伸，將工業機器人及應用工程作為研究開發重點之一，提出了以應用帶動關鍵技術和基礎研究的發展方針，以后又列入國家“八五”和“九五”中。經過十幾年的持續努力，在國家的組織和支持下，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

14、品，能夠實現小批量生產。我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標機械手，成功地應用于上海牌轎車底盤的焊接?！耙黄笔俏覈钤缫M焊接機器人的企業，1984起先后從KUKA公司引進了3臺點焊機器人，用于當時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機器人應用于前圍總成的焊接，并于1988年開發了機器人車身總焊線 。    80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產

15、轎車，雖然是國外的二手設備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人?？梢哉f90年代以來的技術引進和生產設備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產提高到規?；a，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎設施建設的高速發展帶動了工程機械行業的繁榮，工程機械行業也成為較早引用焊接機器人的行業之一。近年來由于我國經濟的高速發展，能源的大量需求，與能源相關的制造行業也都開始尋求自動化焊接技術，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直

16、處于穩步增長態勢。據2001年統計，全國共有各類焊接機器人1040臺，汽車制造和汽車零部件生產企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業中點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，其他行業大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業。焊接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從圖1中還能看出，我國焊接機器人的行業分布不均衡，也不夠廣泛。  進入21世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業迅猛發展，我國汽車行業的機器人安裝臺數迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺的數量增長。估計我國目前焊接機器人的

17、安裝臺數在4000臺左右。汽車行業焊接機器人所占的比例會進一步提高。  目前在我國應用的機器人主要分日系、歐系和國產三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產機器人主要是沈陽新松機器人公司產品。    目前在我國雖然已經具有自主知識產權的焊接機器人系列產品，但卻不能批量生產，形成規模，有以下幾個主要原因：    國內機器人價格沒有優勢。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7-8萬美元降

18、低到2-3萬美元，使我國自行制造的普通工業機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發展相應的零部件產業，如伺服電機、減速機等需要進口，使價格難以降低，所以機器人生產成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一點也間接影響了國內機器人的發展。對于機器人的最大用戶-汽車白車身生產廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產機器人幾乎找不到表演的舞臺。    我們應該承認國產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。國外工業機器人是個非常成熟的工業產品，經歷了30多年的發展歷程，而且在實際生產中不斷地完善和提

19、高，而我國則處于一種單件小批量的生產狀態。    國內機器人生產廠家處于幼兒期，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品，單靠企業的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產企業及使用國產機器人系統的企業給予一定的政策和資金支持，加速我國國產機器人的發展。在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內的示教再現型工業機器人的產業化關鍵技術作為重點研究內容之一，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，產品的標準化、通用化、模塊化、列化設計?；『笝C器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發、激光

20、發射器的選用、成像系統、視覺圖像處理技術、視覺跟蹤與機器人協調控制、焊接機器人的離線示教編程及工作站系統動態仿真等。在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰，只有一方面緊跟世界科技發展的潮流，研究與開發具有自主知識產權的基礎制造裝備。另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現有的先進技術!盡快縮短和別人的差距，并通過應用研究和二次開發，實現技術創新和關鍵設備的產業化，提高我國制造業在國際舞臺上的地位。1.緒論些圖是整個焊接系統的示意圖:5自由度焊接機器人系統由弧焊機器人，焊接電源，焊槍送絲機構，回轉雙工位變位機，工件夾具和控制系統組成。2我的畢業設計基本思路總體設計思路及內容本次設計的機器人是五自由度

21、、關節型焊接機器人。自由度高，采用直流伺服電機驅動、微機控制，結構緊湊，工作范圍大，動作靈活，不僅用于弧焊作業，還可以用于搬運和裝配作業。腰部和大、小臂的傳動采用諧波傳動，腕擺和腕轉除采用諧波齒輪外還均采用齒形帶傳動和錐齒輪傳動，傳動比準確，精度高，結構緊湊，耐油、耐磨性好。大臂上裝有氣動平衡機構，使大臂驅動力矩減小，且使示教操作輕便。本次設計的焊接機器人的結構圖如下圖所示：1 機座 2轉臺 3腰座 4腕部 5小臂 6大臂圖1-1焊接機器人結構圖設計內容主要是5自由度焊接機器人的工作原理設計，腰部與大臂主要機構的設計與計算,主要零部件的設計與校核，裝配圖的繪制以及主要零部件圖紙繪制等。腰部傳動

22、由伺服電機傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到軸，軸通過軸承固定，再通過齒輪機構帶動整個腰部機構運動。大臂傳動由伺服電機傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到大臂軸，軸通過軸承固定，通過大臂軸帶動平衡汽缸運動實現整個大臂機構運動。3焊接機器人大臂與腰部設計3.1.1電動機選擇：由查表得，以及考慮到安全系數S,一般取S=1.5，大致確定P至少大于1KW有下表可選取合適的電動機。綜合以上數據130SYX-01型號伺服電機，其參數如下：額定轉矩=4N/M額定轉速=3000r/min額定電壓=160V額定電流峰值轉矩=32N/M電樞電阻電框電感諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發展起來的一種新型減

23、速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 （1）傳動原理 它主要由三個基本構件組成：（1）帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當于行星齒輪；（3）波發生器H，它相當于行星架。當波發生器為主動時，凸輪在柔輪內轉動，就近使柔輪及薄壁軸承發生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙離

24、）剛輪的齒間，在波發生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內，再將它們裝入柔輪內。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態，即柔輪的外齒與剛輪的內齒沿齒高嚙合。這是嚙合區，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態，簡稱脫開；在波發生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區段內，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態，稱之為嚙出。 波發生器在柔輪內轉動時，迫使柔輪產生連續的彈性變形，此時波發生器的連續轉動，就使柔輪齒的嚙入嚙合嚙出脫開這四種狀態

25、循環往復不斷地改變各自原來的嚙合狀態。這種現象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉動變為輸出的低速轉動。 對于雙波發生器的諧波齒輪傳動，當波發生器順時針轉動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態而成嚙合狀態，而原來脫開狀態就成為嚙入狀態。同樣道理，嚙出變為脫開，嚙合變為嚙出，這樣柔輪相對剛輪轉動（角位移）了1/4齒；同理，波發生器再轉動1/8周時，重復上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發生器相對剛輪轉動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環一樣，兩者在任何瞬間，在節圓上轉過的弧長必須相等。由

26、于柔輪比剛輪在節圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉動，從而實現了減速的目的。 波發生器的連續轉動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節圓的任一點，隨著波發生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。（二）特點 1承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數（重疊系數）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=70500。 3體積小、重量輕。 4傳動效率高、壽命長。 5傳動平穩、無沖擊，無噪音，運動精度高。

27、6由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復雜。諧波減速器在國內于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產，并形成系列化。廣泛應用于電子、航天航空、機器人等行業，由于它的獨特優點，在化工行業的應用也逐漸增多。 （三）減速器的選擇根據電動機的參數，有機械設計手冊表15-2-129查表選出諧波減速器型號為：XB1-120-150。XB1為產品代號，120機型，150表示減速比。其參數為：輸入功率輸入轉速=3000r/min輸出轉矩=450N/M輸出轉速=20r/min（一）軸材料選擇軸的材料選用45鋼，調質處理，=360 MPa。（二）軸的校核軸因

28、為是豎直的，本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。故只對軸扭矩進行校核。對軸進行簡化計算：從齒輪計算中得到轉矩T，得到的扭矩圖：有圖可知，危險截面在C面。在C面：扭轉應力：= m =T/=3820 /29217=0.13 MPa 在C無須進行彎轉應力校核，也無須根據第三強度理論進行強度校核。軸的材料選用45鋼，調質處理，=360 MPa，遠遠大于最大應力，故合適。3.1.4 軸承選擇并校核機構中有多個軸承，現在選取一圓錐滾子軸承校核。簡圖如下：(1 驗算軸承平均壓力p(單位為MPa =247N式中：B軸承寬度，mm(根據寬徑比B/d確定p軸瓦材料的許用壓力，單位為MPa(

29、2 驗算軸承的pv值(單位為MPa·m/s×·m/sv軸徑圓周速度，即滑動速度，m/spv軸承材料的pv許用值，MPa·m/s3.驗算滑動速度v(單位為m/sv為許用滑動速度，單位為m/s根據這些數據查機械設計第七版表12-2選擇軸承為耐磨鑄鐵HT300?；瑒虞S承和軸承座的配合為過渡配合，定為，IT6=13,IT7=21基準孔H7的下偏差EI=0,上偏差為軸瓦m的下偏差由此得，?；瑒虞S承和軸的配合為間隙配合，定為，IT6=13,IT7=21基準軸h6的上偏差es=0,下偏差為ei=esIT6=(013=13孔H7的下偏差EI=0孔H7的上偏差ES=EI+

30、IT7=21由此得，。，3.1.5 齒輪的設計與校核齒輪參數計算及其校核：材料：高速級小齒輪選用鋼調質，齒面硬度為250HBS。高速級大齒輪選用鋼正火，齒面硬度為220HBS。齒輪計算，查課本表得: 。 材料彈性系數Z Z=189.8(N/mm（表15-17） 重合度系數Z=（4-）/3）=0.9（表15-18） 節點區域系數Z Z=2.5(圖15-22 螺旋角系數Z Z=1 (式15-34 計算應力循環次數N：N=60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×108N= N/i=6.6×10/4.2=1.571&

31、#215;108表10-4得： 。故 。查課本表10-21圖得： 。故 。由設計計算公式（10-9a）進行試算即 轉矩 載荷系數K:K= KKKK 7級精度制造，查課本表10-3得：載荷系數，取齒寬系數 計算中心距： 考慮計算原因取 則取 傳動比：i=齒寬：取大齒輪： ,小齒輪： 大端分度圓直徑 d=m=4×36=144，d=m=4×71=284齒頂圓直徑 d= d+2mcos=144+6cos13.3924=236.87，d= d+2mcos=284+6cos76.6076=295.900齒根圓直徑d= d=63-2.4cos13.3924=55.966d= d-2.4m

32、cos2=276-2.4×cos76.6076=86.532齒輪錐距  R=1/2=135.998大端圓周速度 v=dn/60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s，齒寬b= 0.4×135.998=64.14選齒輪精度為7級=（0.10.2）R=（0.10.2）305.500=30.0560.1取=10，=14,c=10輪寬 L=（0.10.2）d=（0.10.2）93=12.4L=（0.10.2）d=（0.10.2）×291=39按齒面接觸強度設計：所以安全。驗算輪齒彎曲強度：查課本表10-5得： 最小齒寬計

33、算： 所以安全。查課本第162頁表11-2知選用7級的的精度是合適的。以上課本為 機械設計（第七版）。3.2.1電動機選擇：電動機功率計算：以上是大致受理圖，得出電機需帶動的扭矩。T=cos*F*S=cos*12*10*/1000=78N/MT=9550*P/nN=60r/min所以輸出功率P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。因為功率經過整個傳動系統后不變，所以電機至少需要也為490W,即?？紤]到安全系數S,一般取，所以P至少大于有下表可選取合適的電動機。根據電動機的參數，有機械設計手冊表15-2-129查表選出諧波減速器型號為：XB1-100-125。XB1為

34、產品代號，120機型，150表示減速比。其參數為：輸入功率輸入轉速=3000r/min輸出轉矩=240/M輸出轉速=24r/min一、軸的結構設計根據軸承的要求和機構本身的性能要求，等到軸的尺寸如附圖：軸的材料選用45鋼，調質處理，=360 MPa。二、軸的校核軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對軸扭矩進行校核。A,B處為相同兩個槽，受扭矩相同，C處也是受扭矩影響大之處。故腰對B,C兩處進行校核。對軸進行簡化計算：從電動機計算中得到轉矩T，計算A,B處扭矩為得到的扭矩圖：有圖可知，其受理情況一直，每處受到扭矩一樣，故可隨機選取一點。在B面：=17×17

35、×17×。=T/=6238/964=6.47MPa 在C面：扭轉應力：= m =T/=2387.5 /73249=0.03 MPa 在C無須進行彎轉應力校核，也無須根據第三強度理論進行強度校核。軸的材料選用45鋼，調質處理，=360 MPa，遠遠大于最大應力，故合適。4總結經過六個月的不懈努力，我的畢業設計終于接近尾聲了。在做畢業設計之前，我就深知其重要性。他是大學教學的最后一個環節，對畢業生在大學所學知識的一次綜合運用，是保證畢業生質量的必然要求。所以我認真地去完成其中的每一個細節，包括設計中的設計原理、計算、圖紙及撰寫設計說明書等。不懂就去查質料，去請教老師和同學。不放過其中不懂的知識點。經過畢業設計之后，我更加深刻地體會到了畢業設計的重要意義。通過畢業設計，我對大學四年所學的理論知識和基本技能作了一次綜合運用。對許多以前所學的專業知識進行了系統復習。包括：理論力學、材料力學、機械原理、機械零件、機械設計、機械制