开题报告 焊接机械手的结构设计

毕业设计（论文）综述

背景和研究意义:

机器人的机械设计与一般的机械设计相比，既具有类似性，又有其独特性。从机构学的角度来看，机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节连接起来的开式运动链。与一般机构相比，机器人的开链结构型式具有灵巧性和空间可达性等，但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的，机械误差和弹性变形的累计，影响机器人的刚度和精度。因此，机器人的机械设计既要满足强度要求，又要考虑刚度和精度。另一方面，机器人的机械结构，特别是关节传动系统，是整个机器人伺服系统中的一个组成部分，无论是结构的紧凑性、灵巧性，还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能，都比一般机构有更高的要求。

对焊接机械手的结构设计进行研究，目的是寻找在不同要求下最优的机械结构，以最大效益的满足生产需要。

国内外相关研究情况:

点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为3大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有1～3个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有5～6个自由度，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。

焊接机器人基本上都属于电动机驱动的工业机器人、液压驱动的工业机器人这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg 以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒 4 个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：

机械手机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器。实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下 3 种：

1、机床式这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的3个运动。是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，这种形式的机械手优点是运动学模型

简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。

2、全关节式这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。

3、平面关节式这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用。

机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国 PUMA 机械手为例来简述其内部机构，它是由机座、大臂、小臂、手腕 4 部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。

每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是4种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。其技术关键是要保证传动双向无间隙 ( 即正反传动均无间隙 ) ，这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。

主要内容及研究方案、研究方法或措施

主要内容：

本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。

进行机械手的原理方案设计，比较并提出系统的总体方案。

根据技术要求进行系统的结构设计，同时对焊接机械手的驱动系统、机械手和焊接设备的机械接口等内容进行设计。

技术要求：

腰部回转最大角度280度；

摆动最大角度120度；

直线位移范围0-450mm，

研究方案、研究方法或措施：

先把本设计模块化处理，它包含选型（坐标型式），腰部回转，手臂俯仰，直线位移，焊枪与手臂结合5部分。细化每部分的设计思路如下表：

1 2 3 4

坐标型式直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节式

腰部回转齿轮传动蜗轮蜗杆带传动

手臂俯仰齿轮传动蜗轮蜗杆带传动

直线位移齿条传动液压传动气压传动滚珠丝杠副

焊枪手臂结合夹持式吸附式

如图可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288种

本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。

方案一：直角坐标式机械手，蜗轮蜗杆传动，直线位移液压传动，焊枪手臂结合吸附式。

方案二：关节式机械手，齿轮传动，直线位移滚珠丝杠副。焊枪手臂夹持式。

方案三：直角坐标式机械手，齿轮传动，直线位移齿条传动，焊枪手臂结合夹持式。

方案四：球坐标式机械手，齿轮传动，直线位移气压传动，焊枪手臂结合吸附式。

本设计中要求腰部回转和手臂俯仰，加工范围较大；尽可能减少机体空间更优；并要求进行电焊，因此对位置精度要求较高；焊枪要长时间工作。

因此选用方案二为最优方案。

本课题研究的重点及难点，前期已开展工作

重点：

1、原理方案的确定

2、主要参数的确定

3、机身的结构设计与校核

难点：

各个部分的准确定位；

合理的机械结构以满足设计要求；

前期已开展工作：

在对焊接机械手有足够的了解之后，对设计提出构想，初步构想如图：

在设计中，机械手的关节均采用转动关节的形式，每个关节由两个箱体所组成。两个箱体之间安装有能够承受径向和轴向载荷的深沟球轴承，通过轴承的传递实现一个相对转动，即能实现一个转动的自由度。

由于电机转速过快，需要减速。因此箱体内部集成了一个谐波减速器，电机安装在与箱体1相连的连杆A内部，电机转子的转动通过谐波减速器减速传递到箱体2，箱体2带动与其相连的连杆B实现转动。

关节传动原理如图所示：

本设计采用模块化设计，故关节均采用上述的结构，分别为两种运动:俯仰和回转。需要实现回转动作的关节，把连杆安装在箱体的中轴线上;需要实现俯仰动作的关节，把连杆安装在箱体的侧壁。

对于直线位移部分：

导轨副的选用：需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

丝杆螺母副的选用：伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。

完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）

1-3周：接受设计任务，查阅相关资料，了解课题的背景和发展状况。

4-5周：了解学习常用机械手设计的基础知识，初步原理方案的提出。

6周：设计方案的优化比较，论证并选择最优方案。

7-8周：机械手腰部回转结构的设计。

9-10周：机械手摇臂结构的设计。

11-12周：机械手与焊接设备的机械接口设计。

13：设计机械手与焊接设备的接口。

14-15周：绘制相关设计的零件图和装配图。

16-17周：撰写毕业论文。

19周：准备答辩。

5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）

指导教师：年月日

6 所在系审查意见：

系主管领导：年月日

参考文献

[1]李雷阵，胡小建，王求.《全国机械装备先进制造技术{广州)高峰论坛》.文集：机械工业出

版社，2005

[2]李坤，杨家军.《5自由度焊接机械手的运动学研究》：机器人技术，机械工程师2007

年第4期

[3]张建民.《机电一体化系统设计》第三版.高等教育出版社

[4]尹志强.《系统设计课程设计指导书》.机械工业出版社

[5]张利萍.液压传动系统及设计[M].北京：化学工业出版社，2005:1-402.

[6]杨东邦.机械CAD制图与标准应用[M].北京：中国标准出版社，1998

[7]Hoostetter GH.Design of Feed Control System.CBS College Publishing.1982

[8]王政.焊接工装夹具及变位机械fMl.北京:机械工业出版社，2003.

[9]张建民.机电一体化系统设计网.北京:北京理工大学出版社，2006.

[10]何家金.机械电气自动控制网.重庆:重庆大学出版社，2002.

[11]周骥平，林岗.机械制造自动化技术网.北京:机械工业出版社，2007.

[12]吴宗泽.机械零件设计手册[K1.北京:机械工业出版社，2003.

[13]孙树栋.《工业机器人技术基础》.西北工业大学出版社2006.4,75-76.

[14]孙杏初.《关节型机器人主连杆参数的优化设计》北京航空航天大学学报.1996.510一 512

[15]Craig JJ.Introduction to Roborics[J].New York:Addison Wesky PublishingCo.,1989

[16]Y u. M. Gelfgat. Rotating fields as means to control the hydrodynamics and heat transfer in the

processes of bulksingle crystal growth [J]. Crystal Growth, 1999,8(198/199).