焊接机械手的结构设计

中期报告

撰写内容要求：

设计（论文）进展状况:

本阶段的主要任务是完成了外文文献的翻译，对机械手结构设计进行了更深层次的分析和理解，包括机械结构的设计和结构受力的分析。通过以上分析，基本上完成了机械手的三维装配图，同时深刻体会到solidworks软件功能的强大；大概了解了机械结构在选用过程中所依据的原则。

1.在参考了大量文献资料的情况下，否定了开题报告中拟采用的谐波齿轮传动型机械手。原因是现有的谐波减速器尺寸过大（最小的刚轮直径为25cm），超过了设计要求的工作区间(0cm-45cm)。因此决定采用另一种结构形式。

2.由动力型旋转关节和前、下两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。

3.整体效果如图1

图1

设计整体为4个自由度。分别为：

焊枪相对于小臂回转；

小臂相对大臂回转；

大臂相对机架回转；

机架在水平有一个腰部回转。

电机采用伺服电机。

4.设计的工作原理如下：

5.首先腰部回转使机械手和焊点处于同一平面；接着大臂回转，小臂回转，调节焊枪和焊点的距离，使焊枪能够接触到焊点。最后腕部回转，使焊枪能够垂直于焊点，以完成焊接作业。

6.设计出机械手腕部回转，小臂回转的机械结构如图2。

图2

左侧为电机，带动轴转动，轴和腕部刚性连接，从而带动腕部回转。轴和小臂壳体之间加一个深沟球轴承，以抵消径向力，达到相对转动的目的；小臂壳体和腕部加一个角接触球轴承，以抵消径向力和轴向力，从而使他们可以产生相对转动。

7.腰部回转结构设计如图3

图3

电机安装在底座上，带动一个小齿轮，小齿轮带动大齿轮，大齿轮和壳体刚性连接。壳体和底座间加一个角接触球轴承以实现相对转动。

存在问题及解决措施:

1.确定大体参数。

机械臂为大臂小臂两节，要求工作区间0cm-45cm，为满足工作区间要求，所以需要扩大1/3倍。因为A2+B2≥2ab。所以当c一定时，a=b机械臂为最短。602=2A2。即A ≈42.43cm，取60cm。

2.大臂相对于腰部回转应该采用什么方式传动？

由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有:

(l)结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻。

(2)传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时。角度

变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减小整机的低频振动;

(3)回差要小，即由止转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度;

(4)寿命长、价格低。

为了减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴的运动。

齿轮带的传动比计算公式为：

i=N1/N2=Z1/Z2

3.不能熟练的运用三维软件，在做装配图过程中总是出现报警等命令，致使工作无法正常进行。

其次，对机械结构的理解还不是很到位等。

通过与同学的探讨及老师的指点，使我对自己的毕业设计有了更深一步的认识。我深深明白了设计与实际要紧密结合，要多动脑，勤思考。平时要多练习软件。

后期工作安排:

1-2周：计算并核算选型。

3-4周：绘制设计相关的零件图和装配图。

5-6周：撰写毕业论文。

7周：准备答辩。

指导教师签字：

年月日

注：1）正文：宋体小四号字，行距20磅，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。

2）中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。

开题报告

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

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年第4期

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摘要

本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。

本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。

在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。

本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。

关键词：机械手；谐波减速器；结构设计

Abstract

The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism；structure design of large, small arm and wrist rotation. This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the.

The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed.

The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management.

KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design

目录

1 绪论 (1)

1.1 机器人简介 (1)

1.1.1 机器人的发展及应用 (2)

1.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义 (4)

1.1.3 机器人的组成 (6)

1.2 机械手的组成 (8)

1.3 本文主要研究工作 (10)

2 机械手的总体结构 (11)

2.1 机械手总体结构的类型 (11)

2.2 设计具体采用方案 (12)

3 机械手腰部机座 (14)

3.1 机械手腰部机座结构的设计 (14)

3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案 (14)

3.3 电动机的选择 (15)

3.4 减速器的选择 (16)

3.5 键的选择 (17)

4 机械手手臂的结构设计 (19)

4.1 设计具体采用方案 (20)

4.2 大臂电动机的选择 (20)

4.3 大臂减速器的相关计算 (21)

4.4 小臂电动机的选择 (22)

4.5 小臂减速器的相关计算 (23)

5 机械手腕部的结构方案设计 (26)

5.1 腕部电动机的选择 (26)

5.2 腕部减速器的选择 (26)

6 轴承的选用与校核 (28)

7 结论 (38)

参考文献 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。

致谢................................................................................................................. 错误!未定义书签。毕业设计（论文）知识产权声明................................................. 错误!未定义书签。毕业设计（论文）独创性声明 ...................................................... 错误!未定义书签。

1 绪论

1 绪论

1.1 机器人简介

工业机器人（英语：industrial robot。简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统[1]。”

工业机器人在经历了长期发展后，已经成为制造业中不可缺少的核心设备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域意外的各个行业。这些机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.1.1 机器人的发展及应用

1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1956年在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。

1962年—1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。

1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。

1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经

完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

2006年6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。

机器人的未来发展将很快，应用范围更大，如设计工业、农业、运输、医药、科学研究等各个方面。

总的趋势是提高工作精度和运动速度，增加机构的自由度以提高通用性和灵活性。降低结构自重，逐步采用标准化的模块式组合结构，开发传感器技术和机器人语言，同时根据内部信息和环境信息来控制机器人，采用计算机仿真技术以及实现机器人的智能化。工业机器人的发展正从各个方面显露出它的强大势头。从近几年来国际工业机器人会议上综合的情况来看，工业机器人发展的重点是具有智能的高级机器人以及低成本、稳定可靠的用于自动化生产的机器人。

空间探索、能源问题和人工智能是当代科学技术三大课题。人工智能主要内容之一就是关于智能机器人的研究。感受外界信息，理解和记忆信息，规划行动，人机对话，是智能机器人发展的四个主要问题。在空间探索领域中，机器人技术具有美好的发展前景和广泛的应用价值，空间自动加工工厂；开发宇宙空间的高级自治系统；在空间装配的自重复系统等。

本世纪以来，人类开始有计划地开发海洋，开发食物、能源和物质来源。机器人是现代科学技术发展成果之一。人们常常把新出现的技术用来制造机器人，再将机器人应用到新技术领域中去。为适应时代发展的需要，人们把大部分智能技术结合起来，使之向更高级的机器人——智能机器人发展，这已成为机器人的一个发展方向。

相对于人来说，工业机器人的工作准确性高，工作速度高，负载能力大，耐久力强，重复性好，所以工业机器人获得了广泛应用，显示了很好的效能。

从目前情况看，工业机器人的研究、制造和使用者都希望能更加扩大其应用范围，例如：由计算机控制的具有适应性控制的装配用机器人、焊接机器人、实现连续轨迹控制的机器人、清理铸件的机器人，建筑用机器人，地下工作机器人，消防用机器人，城市垃圾处理机器人，看护病人的机器入，协助料理残废人生活的机器人，海洋开发机器人，空间开发机器人等。