附件四： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱 激光管材焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課題類型 工程設(shè)計(jì) Y 導(dǎo)師姓名學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)班級一、選題依據(jù)：1、選題的目的及意義：隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，各種材料應(yīng)運(yùn)而生，相應(yīng)的加工方法也層出不窮，各種新加工方法、新技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。管材件的應(yīng)用越來越多,相應(yīng)的加工方法也隨之增多.而且越來越多的場合對管材件的質(zhì)量、精度等有了越來越高的要求?，F(xiàn)在的企業(yè)公司使用的火焰、激光切割機(jī)在很多情況下只能完成平面構(gòu)件的加工切割，很難實(shí)現(xiàn)對三維實(shí)體表面的加工，而激光切割機(jī)器人的應(yīng)用正好能夠適應(yīng)這種變化，而且相關(guān)的技術(shù)發(fā)展也越來越快，并且這種機(jī)器人的開發(fā)對保證管材構(gòu)件的切割質(zhì)量、切割精度，延長管件的使用時(shí)間，降低管件相應(yīng)的加工制造成本，都有著非常重要的意義。由于管材加工應(yīng)用的場合日益增多，同時(shí)隨著人們對其認(rèn)知度的提高，該產(chǎn)品將會有更加廣大的發(fā)展前景。現(xiàn)在，國外在這方面的技術(shù)基本成熟，但國內(nèi)各單位對這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上。所以應(yīng)該從基本做起，開展一些基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容之一。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：（1）工業(yè)機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人開始于 70 年代初期，其發(fā)展過程大體可分為三個(gè)部分：70 年代的孕育期；80 年代的研發(fā)期；90 年代的應(yīng)用期。而今經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。當(dāng)前我國已經(jīng)制造出部分機(jī)器人的關(guān)鍵部件，開發(fā)出點(diǎn)焊、弧焊、裝配、搬運(yùn)、沖壓、注塑、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)很多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批與其相關(guān)技術(shù)的研究人員也涌現(xiàn)出來。部分有關(guān)科研機(jī)構(gòu)以及企業(yè)院所已擁有了工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)和編程技術(shù)；點(diǎn)焊、弧焊以及大型機(jī)器人的自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的研發(fā)和加工技術(shù)等。有些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。在西歐等發(fā)達(dá)國家里，工業(yè)機(jī)器人的自動化成套設(shè)備已經(jīng)成長為自動化設(shè)備的標(biāo)榜和未來的發(fā)展方向。國外在農(nóng)業(yè)機(jī)械、電子、汽車等行業(yè)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用了工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線，這不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了加工效率，而且降低了工傷事故的發(fā)生率。全球很多國家在近半個(gè)多世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)踐說明，工業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)自動化制造生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)制造效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力向前發(fā)展的有效途徑和方法。日本工業(yè)機(jī)器人行業(yè)早在上世紀(jì) 90 年代就已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用了第一和第二類工業(yè)機(jī)器人，并且達(dá)到了其工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷史的輝煌時(shí)期?，F(xiàn)如今已經(jīng)在發(fā)展三、四類工業(yè)機(jī)器人的道路上取得了舉世矚目的偉大成就。日本的下一代機(jī)器人發(fā)展重點(diǎn)包括：高速化技術(shù)、低成本技術(shù)、小型化技術(shù)、提高可靠性技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、高精度技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、觸覺和視覺傳感器技術(shù)等。 根據(jù)日本在 2007 年制定的一份計(jì)劃，日本到 2050 年工業(yè)機(jī)器人規(guī)模將達(dá)到 1.4 兆日元，擁有百萬工業(yè)機(jī)器人。假如一個(gè)工業(yè)機(jī)器人等同于 10 個(gè)勞動力的話，其工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模就相當(dāng)于千萬個(gè)勞動力，是現(xiàn)在日本全部勞動人口的 15%。（2）焊接機(jī)及相關(guān)技術(shù)在機(jī)械制造過程中，零部件焊接常用方式包括手工焊接、半自動焊接及數(shù)控焊接。手工焊接簡單方便，但是手工焊接質(zhì)量差、加工誤差大、浪費(fèi)材料多、后續(xù)加工的工作量多，同時(shí)其勞動條件比較惡劣，生產(chǎn)效率很低。半自動焊接中的仿形焊接機(jī)，其焊接構(gòu)件的質(zhì)量好，因?yàn)槠涫褂孟嚓P(guān)模具，不適合于單件小批量和大型件的加工。其它型號的半自動焊接機(jī)雖然降低了勞動者的勞動強(qiáng)度，但其功能簡單，只適合一些形狀比較規(guī)則的構(gòu)件加工。數(shù)控焊接相對手動及半自動焊接來說，能有效地提高構(gòu)件焊接的質(zhì)量和效率，降低勞動者的勞動強(qiáng)度。 數(shù)控焊接機(jī)是根據(jù)圖樣以及數(shù)控裝置的相關(guān)規(guī)定，編制出焊接加工程序，由電腦根據(jù)程序的要求進(jìn)行運(yùn)算，控制割嘴沿著圖樣要求的軌跡運(yùn)動進(jìn)行焊接加工。1958 年，英國氧氣公司（BOC）研制出第一臺數(shù)控氣割機(jī)，使焊接領(lǐng)域進(jìn)入了高科技自動化階段。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)控焊接機(jī)在焊接能源方面和數(shù)控控制系統(tǒng)方面都取得了很大的發(fā)展，焊接能源已經(jīng)由當(dāng)初單一的火焰能源焊接發(fā)展為現(xiàn)在的多種能源( 激光、等離子、火焰、高壓水射流)焊接方式；數(shù)控焊接機(jī)的控制系統(tǒng)已經(jīng)由當(dāng)初的功能簡單、編程復(fù)雜、自動化程度不高發(fā)展到具有功能齊全、網(wǎng)絡(luò)化、圖形化、智能化的控制方式； 驅(qū)動系統(tǒng)也從開始的步進(jìn)驅(qū)動、模擬伺服驅(qū)動發(fā)展到今天的全數(shù)字式伺服驅(qū)動。我國的數(shù)控焊接機(jī)從 20 世紀(jì) 70 年代由分離元件開始起步，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成應(yīng)用微機(jī)控制焊接機(jī)。生產(chǎn)制造公司也逐年增加，現(xiàn)在生產(chǎn)各類焊接機(jī)的公司已近 40 家，世界四大著名的焊接機(jī)專業(yè)制造商，也先后來到中國投資建廠生產(chǎn)多種規(guī)格的焊接機(jī)。我國焊接機(jī)行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展歷程，在專業(yè)技術(shù)上有了很大的提高。當(dāng)前，具有一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力的公司有金鳳公司、無錫華聯(lián)、中船 611 所及深圳博力昌等企業(yè)，年產(chǎn)數(shù)控火焰焊接機(jī)達(dá)2000 余套。其產(chǎn)品性能已經(jīng)接近國外同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，并且有少數(shù)指標(biāo)超過了國外標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量在逐步提高，完全有能力滿足國內(nèi)不同用戶需求，代替了部分進(jìn)口產(chǎn)品，還有部分產(chǎn)品出口。但在某些特殊焊接及專用系統(tǒng)開發(fā)方面同外國公司相比還有一定的差距。從各種類型的數(shù)控焊接機(jī)的應(yīng)用情況來看，國內(nèi)生產(chǎn)制造的數(shù)控焊接機(jī)的整機(jī)性能、技術(shù)水平等各種參數(shù)水平都取得了很大的進(jìn)步，逐步趕上了國際的先進(jìn)水平，滿足了用戶的需求，進(jìn)一步提升了市場競爭力。國內(nèi)部分產(chǎn)品在很多方面已經(jīng)形成了各自獨(dú)有的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“ 多功能、自動化和高可靠性”。在有些方面，產(chǎn)品的技術(shù)性能參數(shù)已經(jīng)超越了國外的產(chǎn)品。 （ 3） 激光焊接及相關(guān)技術(shù)激光焊接加工技術(shù)廣闊的應(yīng)用市場，另外加上現(xiàn)代相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，促使國內(nèi)外相關(guān)的科技工作者對激光焊接加工技術(shù)進(jìn)行不斷深入的研究開發(fā)，推動著激光焊接技術(shù)不斷地向前更好、更快的發(fā)展。焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。截止 2005 年，全世界在役工業(yè)機(jī)器人約為 91.4 萬臺，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了 50 萬臺以上，成為“機(jī)器人王國”，其次是美國和德國，在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增加，僅 2005 年就達(dá) 12.1 萬臺。我國自上世紀(jì) 70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過40％，焊接機(jī)器人的增長率超過了 60％；2004 年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400 臺，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過 9000 臺，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域：2005 年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了 5000 臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6％，遠(yuǎn)小于韓國所占的 15％，更遠(yuǎn)小于日本所占的 69％。這對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前，焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大前景。3、主要參考文獻(xiàn)[1] 邱宣懷等編 .機(jī)械設(shè)計(jì)(第三版). 北京:高等教育出版社,1989.10[2] 張展主編.機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊 .機(jī)械工業(yè)出版社.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.5[3] 邱麗芳等編 .機(jī)械原理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004[4] 宗光華等編.機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐 .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004[5] 劉延俊.液壓與氣壓傳動[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[6] 林明星.電氣控制與可編程控制器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.[7] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.[8] 濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2001.二、 研究(設(shè)計(jì))內(nèi)容： 針對常見截面形狀（如圓形、方形、三角形、橢圓形等） 、常見截面尺寸管材，設(shè)計(jì)利用激光進(jìn)行工件焊接的專用機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)。收集資料，了解國內(nèi)外焊接設(shè)備、激光焊接技術(shù)、管材加工設(shè)備、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)，選定合理參數(shù)，進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度校合，繪制相關(guān)裝配圖和必要零件圖，完成論文翻譯和畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。三、研究(設(shè)計(jì))方法及技術(shù)路線：本設(shè)計(jì)以增強(qiáng)設(shè)備局部專用性，簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)思路，同時(shí)采用新型結(jié)構(gòu)方案，增強(qiáng)其通用性。開發(fā)出針對常見截面形狀（如圓形、方形、三角形、橢圓形等） 、常見截面尺寸管材進(jìn)行焊接加工的，能滿足各種型材焊接加工的空間要求，并能進(jìn)行一些成形工件焊接的，一種簡易的激光焊接專用機(jī)器人。1) 查閱相關(guān)資料，了解管材激光焊接專用機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。2）掌握設(shè)計(jì)過程所需的基本知識，為設(shè)計(jì)作好充分準(zhǔn)備。3）畫出結(jié)構(gòu)草圖，根據(jù)自己的思路進(jìn)行設(shè)想，構(gòu)建機(jī)械模型并在草稿紙上體現(xiàn)出來。查閱相關(guān)手冊，選擇合理的機(jī)械零件。4）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、受力分析，在此基礎(chǔ)上確定零件尺寸；并對關(guān)鍵零件尺寸進(jìn)行校核。5）繪制總裝圖及零件圖。6）撰寫設(shè)計(jì)說明書。7）整理各種設(shè)計(jì)資料，按照要求裝訂入袋。四、時(shí)間安排：第 7 周～第 9 周：畢業(yè)實(shí)習(xí)，查閱資料、外文翻譯、文獻(xiàn)綜述第 9～10 周：熟悉課題，撰寫開題報(bào)告第 10 周：確定設(shè)計(jì)方案，完成機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第 11 周～第 13 周：畫裝配圖和零件圖第 14 周：撰寫設(shè)計(jì)說明書第 15 周～第 16 周：驗(yàn)收評閱、答辯及成績評定五、預(yù)期成果：通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，鞏固機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)有關(guān)機(jī)構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)的知識，對機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識得到強(qiáng)化。所設(shè)計(jì)機(jī)器人應(yīng)能比較方便地完成以圓管為代表的管材的焊接加工。不少于 3 張零號圖，設(shè)計(jì)說明書 1 份。指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師： 年 月 日注：課題類型填寫：工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、軟件工程、理論研究等，同時(shí)注明 X—真實(shí)課題；Y —模擬課題；Z —虛擬課題。1專 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )題目:管材焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)院名稱 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 導(dǎo)師姓名 2015 年 6 月 2 日2目 錄摘 要 .4Abstract .7第一章 緒論 .81.1 選題的目的及意義 .81.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 81.2.1 工業(yè)機(jī)器人 81.2.2 焊接機(jī)及相關(guān)技術(shù) 91.2.3 激光焊接及相關(guān)技術(shù) 101.3 本課題研究的內(nèi)容 .101.4 研究方案的確定 111.4.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案的確定 111.4.2 機(jī)器人傳動方案的確定 .13第二章 焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 162.1 焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 162.2 設(shè)計(jì)性能指標(biāo) 16第三章 焊接機(jī)器人零部件計(jì)算 183.1 絲杠的選型 .183.1.2 X 軸絲杠參數(shù)的計(jì)算 .183.1.3 Y 軸絲杠的選型 .223.1.4 Z 軸絲杠的選型 .2233.1.5 滾珠絲杠副的密封與潤滑 223.2 伺服電機(jī)的選型 233.2.1 伺服電機(jī)簡介 233.2.2 電機(jī)的選擇依據(jù) .233.2.3 電機(jī)的選型計(jì)算 .233.3 導(dǎo)軌型號的選擇 243.3.1 X 軸軌道的選擇 .243.3.1 Y 軸軌道的選擇 .273.3.1 Z 軸軌道的選擇 .273.4 軸承的選型 .273.4.1X 軸軸承的選擇 .273.4.2 Y 軸軸承的選擇 .283.4.2 Z 軸軸承的選擇 .283.5 聯(lián)軸器的選擇 283.5.1 X 軸聯(lián)軸器的選擇 283.5.2 Y 軸聯(lián)軸器的選擇 283.5.3 Y 軸聯(lián)軸器的選擇 283.6 機(jī)座以及連接板的設(shè)計(jì) 29第四章 結(jié)論 30參考文獻(xiàn)： .31致謝 324摘 要隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來越大，而且焊接技術(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。國內(nèi)焊接機(jī)器人應(yīng)用雖已具有一定規(guī)模，但與我國焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠(yuǎn)。因此，大力研究并推廣焊接機(jī)器人技術(shù)勢在必行。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是運(yùn)用機(jī)械原理和機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人的實(shí)踐和方法。本次設(shè)計(jì)，是在了解焊接機(jī)器人在國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)而掌握焊接機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對手臂和腕部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理布置了液壓缸。同時(shí)了解機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)及運(yùn)動控制學(xué)。為工業(yè)上焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論參考、設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：焊接機(jī)器人 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電動機(jī) 滾珠絲杠5AbstractWith the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Key word: Welding robot；mechanical structure design；Stepper motor; Ball screw6第一章 緒論1．1 選題的目的及意義：隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，各種材料應(yīng)運(yùn)而生，相應(yīng)的加工方法也層出不窮，各種新加工方法、新技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。管材件的應(yīng)用越來越多,相應(yīng)的加工方法也隨之增多.而且越來越多的場合對管材件的質(zhì)量、精度等有了越來越高的要求?，F(xiàn)在的企業(yè)公司使用的火焰、激光切割機(jī)在很多情況下只能完成平面構(gòu)件的加工切割，很難實(shí)現(xiàn)對三維實(shí)體表面的加工，而激光切割機(jī)器人的應(yīng)用正好能夠適應(yīng)這種變化，而且相關(guān)的技術(shù)發(fā)展也越來越快，并且這種機(jī)器人的開發(fā)對保證管材構(gòu)件的切割質(zhì)量、切割精度，延長管件的使用時(shí)間，降低管件相應(yīng)的加工制造成本，都有著非常重要的意義。由于管材加工應(yīng)用的場合日益增多，同時(shí)隨著人們對其認(rèn)知度的提高，該產(chǎn)品將會有更加廣大的發(fā)展前景?，F(xiàn)在，國外在這方面的技術(shù)基本成熟，但國內(nèi)各單位對這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上。所以應(yīng)該從基本做起，開展一些基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容之一。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1.2.1 工業(yè)機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人開始于 70 年代初期，其發(fā)展過程大體可分為三個(gè)部分：70年代的孕育期；80 年代的研發(fā)期；90 年代的應(yīng)用期。而今經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。當(dāng)前我國已經(jīng)制造出部分機(jī)器人的關(guān)鍵部件，開發(fā)出點(diǎn)焊、弧焊、裝配、搬運(yùn)、沖壓、注塑、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)很多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批與其相關(guān)技術(shù)的研究人員也涌現(xiàn)出來。部分有關(guān)科研機(jī)構(gòu)以及企業(yè)院所已擁有了工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)和編程技術(shù)；點(diǎn)焊、弧焊以及大型機(jī)器人的自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的研發(fā)和加工技術(shù)等。有些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。在西歐等發(fā)達(dá)國家里，工業(yè)機(jī)器人的自動化成套設(shè)備已經(jīng)成長為自動化設(shè)備的標(biāo)榜和未來的發(fā)展方向。國外在農(nóng)業(yè)機(jī)械、電子、汽車等行業(yè)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用了工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線，這不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了加工效率，而且降低了工傷事故的發(fā)生率。全球很多國家在近半個(gè)多世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)踐說明，工業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)自動化制造生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)7制造效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力向前發(fā)展的有效途徑和方法。 日本工業(yè)機(jī)器人行業(yè)早在上世紀(jì) 90 年代就已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用了第一和第二類工業(yè)機(jī)器人，并且達(dá)到了其工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷史的輝煌時(shí)期?，F(xiàn)如今已經(jīng)在發(fā)展三、四類工業(yè)機(jī)器人的道路上取得了舉世矚目的偉大成就。日本的下一代機(jī)器人發(fā)展重點(diǎn)包括：高速化技術(shù)、低成本技術(shù)、小型化技術(shù)、提高可靠性技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、高精度技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、觸覺和視覺傳感器技術(shù)等。 根據(jù)日本在 2007 年制定的一份計(jì)劃，日本到 2050 年工業(yè)機(jī)器人規(guī)模將達(dá)到 1.4 兆日元，擁有百萬工業(yè)機(jī)器人。假如一個(gè)工業(yè)機(jī)器人等同于 10 個(gè)勞動力的話，其工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模就相當(dāng)于千萬個(gè)勞動力，是現(xiàn)在日本全部勞動人口的 15%。1.2.2 焊接機(jī)及相關(guān)技術(shù)在機(jī)械制造過程中，零部件焊接常用方式包括手工焊接、半自動焊接及數(shù)控焊接。手工焊接簡單方便，但是手工焊接質(zhì)量差、加工誤差大、浪費(fèi)材料多、后續(xù)加工的工作量多，同時(shí)其勞動條件比較惡劣，生產(chǎn)效率很低。半自動焊接中的仿形焊接機(jī)，其焊接構(gòu)件的質(zhì)量好，因?yàn)槠涫褂孟嚓P(guān)模具，不適合于單件小批量和大型件的加工。其它型號的半自動焊接機(jī)雖然降低了勞動者的勞動強(qiáng)度，但其功能簡單，只適合一些形狀比較規(guī)則的構(gòu)件加工。數(shù)控焊接相對手動及半自動焊接來說，能有效地提高構(gòu)件焊接的質(zhì)量和效率，降低勞動者的勞動強(qiáng)度。 數(shù)控焊接機(jī)是根據(jù)圖樣以及數(shù)控裝置的相關(guān)規(guī)定，編制出焊接加工程序，由電腦根據(jù)程序的要求進(jìn)行運(yùn)算，控制割嘴沿著圖樣要求的軌跡運(yùn)動進(jìn)行焊接加工。1958 年，英國氧氣公司（BOC）研制出第一臺數(shù)控氣割機(jī)，使焊接領(lǐng)域進(jìn)入了高科技自動化階段。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)控焊接機(jī)在焊接能源方面和數(shù)控控制系統(tǒng)方面都取得了很大的發(fā)展，焊接能源已經(jīng)由當(dāng)初單一的火焰能源焊接發(fā)展為現(xiàn)在的多種能源( 激光、等離子、火焰、高壓水射流)焊接方式；數(shù)控焊接機(jī)的控制系統(tǒng)已經(jīng)由當(dāng)初的功能簡單、編程復(fù)雜、自動化程度不高發(fā)展到具有功能齊全、網(wǎng)絡(luò)化、圖形化、智能化的控制方式； 驅(qū)動系統(tǒng)也從開始的步進(jìn)驅(qū)動、模擬伺服驅(qū)動發(fā)展到今天的全數(shù)字式伺服驅(qū)動。我國的數(shù)控焊接機(jī)從 20 世紀(jì) 70 年代由分離元件開始起步，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成應(yīng)用微機(jī)控制焊接機(jī)。生產(chǎn)制造公司也逐年增加，現(xiàn)在生產(chǎn)各類焊接機(jī)的公司已近 40 家，世界四大著名的焊接機(jī)專業(yè)制造商，也先后來到中國投資建廠生產(chǎn)多種規(guī)格的焊接機(jī)。我國焊接機(jī)行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展歷程，在專業(yè)技術(shù)上有了很大的提高。當(dāng)前，具有一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力的公司有金鳳公司、無錫華聯(lián)、中船 611 所及深圳博力昌等企業(yè)，年產(chǎn)數(shù)控火焰焊接機(jī)達(dá) 2000 余套。其8產(chǎn)品性能已經(jīng)接近國外同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，并且有少數(shù)指標(biāo)超過了國外標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量在逐步提高，完全有能力滿足國內(nèi)不同用戶需求，代替了部分進(jìn)口產(chǎn)品，還有部分產(chǎn)品出口。但在某些特殊焊接及專用系統(tǒng)開發(fā)方面同外國公司相比還有一定的差距。從各種類型的數(shù)控焊接機(jī)的應(yīng)用情況來看，國內(nèi)生產(chǎn)制造的數(shù)控焊接機(jī)的整機(jī)性能、技術(shù)水平等各種參數(shù)水平都取得了很大的進(jìn)步，逐步趕上了國際的先進(jìn)水平，滿足了用戶的需求，進(jìn)一步提升了市場競爭力。國內(nèi)部分產(chǎn)品在很多方面已經(jīng)形成了各自獨(dú)有的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“多功能、自動化和高可靠性” 。在有些方面，產(chǎn)品的技術(shù)性能參數(shù)已經(jīng)超越了國外的產(chǎn)品。 1.2.3 激光焊接及相關(guān)技術(shù)激光焊接加工技術(shù)廣闊的應(yīng)用市場，另外加上現(xiàn)代相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，促使國內(nèi)外相關(guān)的科技工作者對激光焊接加工技術(shù)進(jìn)行不斷深入的研究開發(fā)，推動著激光焊接技術(shù)不斷地向前更好、更快的發(fā)展。焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。截止2005 年，全世界在役工業(yè)機(jī)器人約為 91.4 萬臺，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了 50 萬臺以上，成為“機(jī)器人王國”，其次是美國和德國，在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增加，僅 2005 年就達(dá) 12.1 萬臺。我國自上世紀(jì) 70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過 40％，焊接機(jī)器人的增長率超過了 60％；2004 年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破 1400 臺，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過 9000 臺，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域：2005 年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了 5000 臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6％，遠(yuǎn)小于韓國所占的 15％，更遠(yuǎn)小于日本所占的 69％。這對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前，焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大前景。91.3 本課題研究的內(nèi)容針對常見截面形狀（如圓形、方形、三角形、橢圓形等） 、常見截面尺寸管材，設(shè)計(jì)利用激光進(jìn)行工件焊接的專用機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)。1.4 研究方案的確定1.4.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案的確定這里針對管材加工的典型構(gòu)件—圓管的加工為例，對各種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，并最終確定方案。（1） 直角坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案圖 2-1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)：這種機(jī)器人有三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，這三個(gè)關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置。這種機(jī)器人在 x、y、z 軸上的運(yùn)動是獨(dú)立的，運(yùn)動方程可獨(dú)立處理，且方程是線性的，因此很容易通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，它可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，剛性最大，它的精度和位置分辨率不隨工作場合變化，容易達(dá)到高精度。后兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度實(shí)現(xiàn)了激光頭相對于工件的位置，有效控制了激光束的方向和角度，能夠保證切割加工的順利進(jìn)行。缺點(diǎn)：它的操作范圍小，運(yùn)動速度小，密封性不好。尤其對圓截面管材類的構(gòu)件，進(jìn)行環(huán)周式切割加工時(shí)不容易完成，在直角坐標(biāo)系中完成此類加工，對編程控制和精度保證不利。2.圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案10圖 2-2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案這種機(jī)器人有兩個(gè)滑動關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置。這種機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角，與直角坐標(biāo)相比，工作范圍大，計(jì)算簡單，還可以伸入型腔內(nèi)進(jìn)行加工。但是，他的手臂可以到達(dá)的空間受到限制，不能到達(dá)近立柱或近地面的空間。圓柱坐標(biāo)工作空間為圓柱形，這對以圓截面管材為代表的管材切割加工是很有利的。對圓管材進(jìn)行環(huán)周式切割時(shí)，只需要軸線與管材軸線平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)即可，對于其他截面形狀的部件，只需要再對圓柱坐標(biāo) y、z 移動副進(jìn)行控制?？傊@種方案在一定程度上更適應(yīng)對圓柱形管材進(jìn)行的切割加工。但是，在這種方案下，對管材進(jìn)行環(huán)周式切割時(shí)，會存在激光頭位于工件切口下方的情況，這時(shí)，切割產(chǎn)生的一些廢料、金屬鐵屑會對相應(yīng)的構(gòu)件如激光頭、以及與激光頭相連的附屬物等產(chǎn)生損害，如果這些廢料進(jìn)入配合間的空隙，會增加磨損，減少其壽命。另外，這種方案很難適合一些近似平面的加工，如尺寸較大大的橢圓面構(gòu)件、截面積比較大的方形管件等 [1]。3.球坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案11圖 2-3 球坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案這種機(jī)器人采用球坐標(biāo)系，它用一個(gè)滑動關(guān)節(jié)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置。這種機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，中心支架附近的工作范圍大。但是該坐標(biāo)極其復(fù)雜，難于控制。在這種方案下，對管件進(jìn)行切割加工、刻畫，將激光束定位在相應(yīng)的空間加工位置時(shí)，必須要同時(shí)使用前三個(gè)自由度移動配合，這樣就會增加定位誤差。另外，當(dāng)加工較長管件時(shí)，其加工范圍會受到限制，這種結(jié)構(gòu)方案下的機(jī)器人，對于切割加工空間范圍要求大，能適應(yīng)加工面在三個(gè)方向上分布比例較均勻的場合，對于類似管件在一個(gè)方向上的長度很大的構(gòu)件，以及橫截面比較對稱的構(gòu)件，不是非常適合和實(shí)用 [1]。根據(jù)以上的分析比較，此次設(shè)計(jì)采用以下方案：圖 2-4 結(jié)構(gòu)方案這種方案下，機(jī)器人具有六個(gè)自由度。y、z 移動副與 x 移動副構(gòu)成一個(gè)直角坐標(biāo)系，同時(shí)還與工件回轉(zhuǎn)軸 c 軸組成一個(gè)圓柱型坐標(biāo)系，這不但能適應(yīng)像圓管類的構(gòu)件的加工，還能對其他一些非圓截面的構(gòu)件進(jìn)行加工。這種方案使直角坐標(biāo)系機(jī)器人與圓柱型機(jī)器人的特點(diǎn)和性能形成優(yōu)勢互補(bǔ)的狀態(tài)，大大提高了加工效率，能夠滿足多種場合下的生產(chǎn)加工需要。1.4.2 機(jī)器人傳動方案的確定我們常見的幾種能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動，而且能夠在確定的位置上實(shí)現(xiàn)停止的傳動方式主要有：氣壓傳動、液壓傳動和螺旋傳動。以下是這幾種傳動方式的特點(diǎn)。（1）氣缸傳動氣壓傳動的工作原理是將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。使氣缸在直線上作往復(fù)直線運(yùn)動的。作往復(fù)直線運(yùn)動的氣缸可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸 4 種。氣缸的根據(jù)工作所需載荷的大小來確定活塞桿上的力。由此來選擇氣缸時(shí)應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；12但缸徑過大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時(shí)耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。氣壓傳動的優(yōu)點(diǎn)：① 用空氣為工作介質(zhì)，具有易于取得，用后可直接排入大氣，處理方便，利于保護(hù)環(huán)境的特點(diǎn)。② 因空氣粘度很小，在管道中流動時(shí)能量損失較小，因而便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。③ 氣動動作迅速，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)簡單，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充等問題。④工作環(huán)境適應(yīng)性好，且工作安全可靠。氣壓傳動的缺點(diǎn)：① 運(yùn)動平穩(wěn)性較差。② 不易獲得較大的輸出力和力矩。③ 有較大的排氣噪聲。（2）液壓傳動液壓傳動的工作原理是液壓泵將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，在經(jīng)過經(jīng)過各種控制閥的控制，傳遞給各種執(zhí)行元件從而轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。液壓傳動的工作介質(zhì)一般為礦物油液壓油。液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵） 、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)） 、控制元件（各種閥） 、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)：① 體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。② 運(yùn)動平穩(wěn)，能在低速下穩(wěn)定運(yùn)動。③ 在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。2000：1④易實(shí)現(xiàn)自動化。⑤壽命較長。⑥零件已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和使用方便。液壓傳動的缺點(diǎn)：① 不能保證嚴(yán)格的傳動比。② 較多的能量損失。③ 對油溫的變化敏感。④元件精度高，造價(jià)較高。⑤出現(xiàn)故障的原因較復(fù)雜，查找困難。（3）螺旋傳動螺旋傳動是利用螺桿和螺母的嚙合來傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動。主要用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。按 工 作 特 點(diǎn) ， 螺 旋 傳 動 用 的 螺 旋 分 為 傳 力 螺 旋 、 傳 導(dǎo) 螺 旋 和 調(diào) 整 螺 旋 。13以 下 是 他 們 的 特 點(diǎn) 。 ① 傳 力 螺 旋 :以 傳 遞 動 力 為 主 ,它 用 較 小 的 轉(zhuǎn) 矩 產(chǎn) 生 較 大 的 軸 向 推 力 ,一 般 為 間 歇 工 作 ,工 作 速 度 不 高 ， 而 且 通 常 要 求 自 鎖 ， 例 如 螺 旋 壓 力 機(jī) 和 螺旋 千 斤 頂 上 的 螺 旋 。② 傳 導(dǎo) 螺 旋 ： 以 傳 遞 運(yùn) 動 為 主 ， 常 要 求 具 有 高 的 運(yùn) 動 精 度 ， 一 般 在 較 長時(shí) 間 內(nèi) 連 續(xù) 工 作 ， 工 作 速 度 也 較 高 ， 如 機(jī) 床 的 進(jìn) 給 螺 旋 （ 絲 杠 ） 。③ 調(diào) 整 螺 旋 ： 用 于 調(diào) 整 并 固 定 零 件 或 部 件 之 間 的 相 對 位 置 ， 一 般 不 經(jīng) 常轉(zhuǎn) 動 ， 要 求 自 鎖 ， 有 時(shí) 也 要 求 很 高 精 度 ， 如 機(jī) 器 和 精 密 儀 表 微 調(diào) 機(jī) 構(gòu) 的 螺 旋 。按 螺 紋 間 摩 擦 性 質(zhì) ， 螺 旋 傳 動 可 分 為 滑 動 螺 旋 傳 動 和 滾 動 螺 旋 傳 動 。 滑 動 螺旋 傳 動 又 可 分 為 普 通 滑 動 螺 旋 傳 動 和 靜 壓 螺 旋 傳 動 。螺 旋 傳 動 的 優(yōu) 點(diǎn) ：① 能 夠 獲 得 很 大 的 減 速 比 和 力 的 增 益 ， 因 而 可 用 較 小 的 轉(zhuǎn) 矩 來 獲 得 較 大的 軸 向 推 力 ， 常 用 于 起 重 、 夾 緊 等 。② 它 的 傳 動 精 度 較 高 ， 能 夠 準(zhǔn) 確 的 調(diào) 整 直 線 運(yùn) 動 的 距 離 和 位 置 ， 常 用 于精 密 機(jī) 械 和 測 量 儀 器 ， 特 別 適 用 于 一 些 機(jī) 構(gòu) 的 微 細(xì) 調(diào) 節(jié) 。③ 螺 旋 傳 動 還 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 自 鎖 ， 對 于 水 平 推 力 的 運(yùn) 動 機(jī) 構(gòu) ， 也 能 在 任 意 位置 得 到 精 確 定 位 ， 如 水 平 運(yùn) 動 的 機(jī) 床 工 作 臺 進(jìn) 給 機(jī) 構(gòu) 。④螺 旋 傳 動 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 傳 動 過 程 平 穩(wěn) ， 無 噪 聲 。螺 旋 傳 動 的 缺 點(diǎn) ： 機(jī) 械 效 率 一 般 較 低 ， 特 別 是 具 有 自 鎖 時(shí) 性 效 率 將 低 于50%。 螺 旋 機(jī) 構(gòu) 常 用 于 功 率 不 大 的 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 和 微 調(diào) 裝 置 中 。綜 上 ， 經(jīng) 過 分 析 三 種 傳 動 機(jī) 構(gòu) 的 特 點(diǎn) ， 液 壓 傳 動 和 氣 壓 傳 動 的 工藝與螺旋傳動相比較復(fù)雜，成本較高，為 了 實(shí) 現(xiàn) 定 位 板 能 夠 準(zhǔn) 確 的 定 位 到 合 適 位置 的 目 的 ， 在簡單、經(jīng)濟(jì)、可行的基礎(chǔ)上確定的最佳方案是螺旋傳動。14第二章 焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案2.1 焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案利 用 伺 服 電 機(jī) 通 過 聯(lián) 軸 器 帶 動 滾 珠 絲 杠 轉(zhuǎn) 動 ， 絲 杠 帶 動 鏈 接 螺 母 的 工 作臺 進(jìn) 行 線 性 運(yùn) 動 ， 工 作 臺 簡 圖 （ 圖 2.1） 以 及 工 作 臺 流 程 圖 （ 圖 2.2） 如下 :2.1 工作臺流程圖152.2 工作臺流程圖2.2 設(shè)計(jì)性能指標(biāo)（1）本設(shè)計(jì)的 X 方向行程:800mm ；Y 方向行程:500mm；Z 方向行程：240mm；（2）定位機(jī)構(gòu)參考尺寸:1200 900mm 860mm?（3）最高運(yùn)動速度 4000mm/min（4）加減速時(shí)間：1s（5）定位精度： 0.5mm?（6）工作臺和工件最大物重質(zhì)量：180kg（7）工作臺表面滑動摩擦系數(shù)：0.05（8）工作壽命:每天 8 小時(shí)，工作 8 年，250 天/年16第三章 焊接機(jī)器人零部件計(jì)算3.1 絲杠的選型絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動機(jī)構(gòu)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動的理想部件。3.1.2 X 軸絲杠參數(shù)的計(jì)算工 件 與 工 作 臺 的 最 大 質(zhì) 量 ： 180kg最 大 行 程 ： Smax1=800mm定 位 精 度 ： ±0.2mm摩 擦 系 數(shù) ： μ =0.02最 大 相 對 速 度 ： Nmax=1200r/min最 快 進(jìn) 給 速 度 ： Vmax=6000mm/min17（ 1） 計(jì) 算 導(dǎo) 程根 據(jù) 電 動 機(jī) 最 大 速 度 和 最 快 進(jìn) 給 速 度）（ m5206maxh??NVP（ 2） 計(jì) 算 負(fù) 載 條 件 計(jì) 算 軸 向 平 均 負(fù) 載 （ Pm） 和 平 均 轉(zhuǎn) 速 (Nm)各 種 工 作 模 式 下 軸 向 負(fù) 載 的 計(jì) 算 加 速 時(shí) : 23-3-max s 012601t ???V?NWP 2.68.915.8ga ????μ軸 向 負(fù) 載2） 勻 速 時(shí) ： 0.bμ軸 向 負(fù) 載3） 減 速 時(shí) ： M.451.0.3c ???μ軸 向 負(fù) 載 ?各 動 作 模 式 1 次 循 環(huán) 所 需 時(shí) 間 （ s） 見 表 3-1表 3-1 各 動 作 模 式 1 次 循 環(huán) 所 需螺 距 為 4mm 時(shí) 的 負(fù) 載 條 件 見 表 3-2表 3-2 螺 距 為 4mm 時(shí) 的 負(fù) 載 條 件根 據(jù) 公 式 31n213331m t·. t· t· ）（ NNFFF??n21t.t·?負(fù) 載 條 件 計(jì) 算 軸 向 平 均 負(fù) 載 （ Fm） 和 平 均 轉(zhuǎn) 速 (Nm)Fm = 348N Nm=1206r/min計(jì)算壽命：動 作 模 式 加 速 勻 速 減 速 總 時(shí) 間時(shí) 間 2 6.2 2 10.2動 作 模 式 加 速 勻 速 減 速軸 向 負(fù) 載 628.2 88.2 451.8轉(zhuǎn) 速 750 1200 750所 需 時(shí) 間 比 率 19.6% 60.8% 19.6%18計(jì)算公式 63mw10·fa????????FCLh6N60s·L?式中 L——回轉(zhuǎn)時(shí)間 r（見表 3-3）——壽命時(shí)間 Km???Ca——額定動載荷 Nf w——載荷系數(shù)（見表 3-4）表 3-4 絲杠壽命表 3-4 載荷系數(shù)表 3-5 靜態(tài)完全系數(shù) f d使用條件 f d 的下限值一般運(yùn)動 1~2伴隨有沖擊與振動運(yùn)動 2~3表 3-6 精度系數(shù) ????主機(jī)類別 Lh（h）一般機(jī)床、組合機(jī)床 10000數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床 15000工程機(jī)械 5000~10000自動控制系統(tǒng) 15000測量系統(tǒng) 15000使用條件 f w平穩(wěn)無沖擊 1.0~1.2一般運(yùn)動 1.2~1.5伴隨有沖擊振動運(yùn)動 1.5~2.019精度等級 1,2,3, 4,5, 7 10???? 1.0 0.9 0.8 0.7表 3-7 精度系數(shù) ????可靠性/% 90 95 96 97 98 99???? 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.214)、計(jì)算動載荷 Ca′根據(jù)工作狀態(tài)，取 f w=1.2計(jì)算公式 Ca′=（ 60×Nm ×L h） 1/3·Fm ·f w100fafc=9754(N)式中 ——精度系數(shù) （見表 3-6）????——可靠性系數(shù) （見表 3-7）????5） 、計(jì)算靜載荷 Coa′ （N）計(jì)算公式 C o a′=f a·F max=1×348=348（N）式中 f d——靜態(tài)完全系數(shù)（見表 3-5）6） 、估算滾珠絲杠底徑 d2m=a ??2????0 ?????? ??0=??0 ??式中 a——支撐方式系數(shù)，一端固定一端自由或游動時(shí)為 0.078，兩端固定或鉸接時(shí)取 0.039L——滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間距離計(jì)算得 d2m=41.9由以上估算初選滾珠絲杠型號為 5005——3 型3.絲杠的校核（1） 、計(jì)算預(yù)緊力 ????= Fm/3 = 116 N ????（2） 、滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性校驗(yàn)20597????=??1??2105??42??2??1= ??'????????式中 ——安全系數(shù)，絲杠垂直安裝為 1/2 水平安裝時(shí)為 1/3 ??1——支撐系數(shù) （見表 3-8）??2——絲杠最大手壓長度????1——滾珠絲杠副最大軸向壓縮載荷??'????????（3） 、計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速 Nc、 r/min 7-2s120ldf·r·d60Nc???AgIE???式中 λ ·f——與安裝方法有關(guān)的常數(shù)d1——絲杠底徑 mmls ——絲杠支承間距 mmα——安全系數(shù) α=0.5表 3-8 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) λ、f（4）臨界載荷 Pa(N)???? ??????????=4×348=1392[S] 絲杠是安全的,不會失穩(wěn)，該絲杠合適。3.1.3 Y 軸絲杠的選型選型方法及校驗(yàn)方法同 X 軸絲杠3.1.4 Z 軸絲杠的選型選型方法及校驗(yàn)方法同 X 軸絲杠3.1.5 滾珠絲杠副的密封與潤滑滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護(hù)套來防止灰塵及雜質(zhì)進(jìn)入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母兩端即可。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在裝配是放進(jìn)滾珠螺母滾道內(nèi)定期潤滑，而使用潤滑油時(shí)應(yīng)注意經(jīng)常通過注油孔注油。3.2 伺服電機(jī)的選型3.2.1 伺服電機(jī)簡介伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題。22（2）穩(wěn)定性：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)將不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。故適用于有高速響應(yīng)要求的場合。（3）轉(zhuǎn)速：高速時(shí)性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到每分鐘 2000～3000 轉(zhuǎn)。（4）及時(shí)性：電機(jī)加速，減速的動態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)。（5）適應(yīng)性：抵抗過載能力強(qiáng)，能承受高于額定轉(zhuǎn)矩三倍的負(fù)載，特別適用于有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合。（6）舒適性：噪音和發(fā)熱明顯降低。3.2.2 電機(jī)的選擇依據(jù)電機(jī)要承受兩種形式的力矩：加/減速力矩和恒定的負(fù)載力矩。以下是選擇伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)滿足的條件。（1）電動機(jī)以最大切削力矩運(yùn)行的時(shí)間應(yīng)在允許范圍內(nèi)。（2）機(jī)床無負(fù)載時(shí)，加在電動機(jī)上的力矩小于電動機(jī)的連續(xù)額定力矩的50%。否則，在加速或減速時(shí)電動機(jī)就可能過熱。（3）加或減速時(shí)間要短，要在電動機(jī)的允許范圍內(nèi)。通常，負(fù)載力矩幫助電動機(jī)的減速，故如果加速在允許時(shí)間內(nèi)完成的話，減速也可在相同時(shí)間內(nèi)完成。這樣我們只需計(jì)算加速力矩即可。（4）頻繁地定位和加（減）速會使電動機(jī)發(fā)熱，因此此時(shí)要計(jì)算電動機(jī)承受的力矩的均方根值 Trms，并使其小于電動機(jī)的額定力矩 Tc。（5）負(fù)載的慣量要小于電動機(jī)本身慣量的 3 倍。3.2.3 電機(jī)的選型計(jì)算預(yù)選電機(jī)型號為松下公司生產(chǎn)的 MDME402G1，功率為 4kw ，額定轉(zhuǎn)矩為19.1（N·m） 電機(jī)慣量為 37.6×10?4????·??2（1）計(jì)算絲杠慣量????=1????????42??=3.14×108×0.00775×0.02542×980 =25.7×10?4????·??2式中 L——絲杠的長度 m——剛密度 ?? 7.75??/??3r——絲杠的半徑 m（2）外部負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量????=????+??·(???2??） 2=25.7×10?4+180×( 0.0052×3.14)2=26.8×10?4????·??2（3）加上電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量23??=????+????+????=26.8×10?4+0.6×10?4+37.6×10?4=65×10?4????·??3式中 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量????=0.6×10?4????·??3（4）外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩????=?????2????×10?3=0.38??·??式中 F——外加軸向載荷——絲杠的導(dǎo)程???n——絲杠的傳動效率（5）預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩????=??????? （ 1???2）2?? ??2 ×10?3=0.022??·??式中 ????——滾 珠 絲 杠副 間 的 預(yù)緊 力 ????=????????/3 總扭矩為 0.42N·m故電機(jī)選型合適3.3 導(dǎo)軌型號的選擇3.3.1 X 軸軌道的選擇（1）導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件和運(yùn)動件兩大部分組成。運(yùn)動方向?yàn)橹本€的被稱做直線運(yùn)動導(dǎo)軌。該機(jī)構(gòu)對導(dǎo)軌的基本要求是導(dǎo)向精度高、運(yùn)動輕便平穩(wěn)、剛性高、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好。（2）導(dǎo)軌長度的計(jì)算以及初選型號導(dǎo)軌的長度：由于導(dǎo)軌長度影響工作臺的工作精度和高度，一般可根據(jù)滑塊導(dǎo)向部分的長度來確定導(dǎo)軌長度。公式為：L=H+S+△l-S1-S2其中: L——導(dǎo)軌長度H——滑塊的導(dǎo)向面長度S——滑塊行程△l——封閉高度調(diào)節(jié)量24S1——滑塊到上死點(diǎn)時(shí)，滑塊露出導(dǎo)軌部分的長度S2——滑塊到下死點(diǎn)時(shí)，滑塊露出導(dǎo)軌部分的長度由此計(jì)算導(dǎo)軌的長度為 Lx=880mm Ly=660mm lz=440mm為了滿足以上要求初選導(dǎo)軌型號為 GSBS35SL-1-K1-880-N3.導(dǎo)軌的校核由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查得這種導(dǎo)軌的額定動，靜載荷分別為Ca=11.3kN,Coa=14kN其中工作臺的最大重量為:G=120kg×10N=1200NF1=F2=F3=F4=1/4(G+F)=387N滾動導(dǎo)軌的額定壽命計(jì)算公式為：L=（ / ） KhfaCwcP??式中：L——額定壽命（km） ；——額定動載荷（KN） ；aP——當(dāng)量動載荷（ KN） ；——受力最大滑塊所受的載荷（KN） ；faZ——導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)；——指數(shù)，取 10/3；?K——額定壽命單位（KM） ，K=100km；——硬度系數(shù)；hf由于產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)定，導(dǎo)軌硬度不得低于 58HRC，故通常可取 =1hf——溫度系數(shù)，查表 3.11 得 =1tf tf表 3.11 溫度系數(shù)25工作溫度/ C010?100~150 150~200 200~250tf1 0．90 0．73 0．60——接觸系數(shù)，查表 3.12；得 =0.81c cf表 3.12 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)1 2 3 4 5cf1．00 0．81 0．72 0．66 0．61——精度系數(shù)，查表 3.13；取 =1a af表 3.13 精度系數(shù)工作條件 af無外部沖擊或振動的低速運(yùn)動的場合，速度小于 15m/min 1~1.5無明顯沖擊或振動的場合，速度為 15~60m/min 1.5~2有外部沖擊或高速運(yùn)動的場合，速度大于 60m/min 2~3.5——載荷系數(shù)，查表 3.14；得 =1wf wf表 3.14 載荷系數(shù)精度等級 2 3 4 5wf1．0 1．0 0．9 0．9將數(shù)據(jù)帶入公式中即可算出 L=38279km壽命時(shí)間的計(jì)算當(dāng)行程長度一定，以 h 為單位的額定壽命為：hnLah 6.28430174.2602133????式中 ——壽命時(shí)間（h）L——額定壽命（km）——行程長度（m）a26——每分鐘往返次數(shù)2n由于一年有 250 個(gè)工作日，每天工作 8 小時(shí)。則預(yù)計(jì)的工作壽命年限為：年年3.148506.3h??L所以選擇該型號導(dǎo)軌合適3.3.1 Y 軸軌道的選擇Y 軸軌道的選擇同 X 軸軌道的選擇3.3.1 軸軌道的選擇Z 軸軌道的選擇同 X 軸軌道的選擇3.4 軸承的選型軸承是當(dāng)代機(jī)械設(shè)備中一種重要零部件。它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動過程中的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。3.4.1X 軸軸承的選擇（1）初選軸承型號考慮到該定位機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)以及絲杠的直徑大小初選圓錐滾子軸承代號60207 （2）軸承的校核基本額定動載荷： NCrr 5.12476027.07.0????取圓錐滾子軸承當(dāng)量動載荷 X 的值：X=1，Y=0.92則當(dāng)量動載荷為： YFXfPard 1257)09.8641(2.)( ????軸承壽命的計(jì)算： hCnLrh .8)1257.(0)(167030???軸承的預(yù)期壽命取 =25000hhL額定動載荷的計(jì)算：N9980N896017250281670n33hr ???PC所以選擇的軸承可以滿足壽命和強(qiáng)度的要求。273.4.2 Y 軸軸承的選擇Y 軸軸承的選擇方法同 X 軸軸承的選擇3.4.2 Z 軸軸承的選擇Z 軸軸承的選擇方法同 X 軸軸承的選擇3.5 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械傳動件。聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器三種。3.5.1 X 軸聯(lián)軸器的選擇（1）初選聯(lián)軸器根據(jù)該定位機(jī)構(gòu)傳遞載荷的是恒定的，機(jī)構(gòu)工作需要平穩(wěn)準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇剛性聯(lián)軸器。根據(jù)所需聯(lián)接兩周初選 GY5 （2）聯(lián)軸器的校核聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式： n950PKTAC???式中：K——工作情況系數(shù)P——輸出功率（kw）T——理論轉(zhuǎn)矩 N.m——計(jì)算轉(zhuǎn)矩 N.mCN——工作轉(zhuǎn)速 r/mi n則聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為(考慮動載荷及過載,取聯(lián)軸器工作情況系數(shù) K=1.5)：950PKTAC???= m192.1??NnT?經(jīng)計(jì)算選擇該聯(lián)軸器合適。3.5.2 Y 軸聯(lián)軸器的選擇Y 軸聯(lián)軸器的選擇同 X 軸聯(lián)軸器的選擇283.5.3 Y 軸聯(lián)軸器的選擇Z 軸聯(lián)軸器的選擇同 X 軸聯(lián)軸器的選擇3.6 機(jī)座以及連接板的設(shè)計(jì)機(jī)座是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既要承受其他零部件的重量和工作載荷，又能起保證各零部件相對位置的基準(zhǔn)作用。機(jī)座多采用鑄件。其基本特點(diǎn)是尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工面多，幾何精度和相對位置精度要求高。機(jī)座和連接板材料的選用，主要根據(jù)他們的使用要求，由于多數(shù)形狀較復(fù)雜，故一般采用鑄造，由于鑄鐵具有流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復(fù)雜的鑄件。在鑄造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。內(nèi)摩擦大、阻尼作用強(qiáng)，故動態(tài)剛性好等特點(diǎn)所以選用 HT200，其特點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度和塑性低，但鑄造性能和減震性能好。29第四章 結(jié)論畢業(yè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間就到了掃尾階段，在這段時(shí)間的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程中，我取得了長足的進(jìn)步。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是一個(gè)我以前所沒有接觸的。我對它來說完全是一個(gè)陌生者，經(jīng)過指導(dǎo)老師的幫助和對參考資料的拜讀，我已經(jīng)對焊接機(jī)器人有了一定的了解。機(jī)械自動化作為工業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向，它有著廣闊的市場，屬于實(shí)際需要去研制的一種項(xiàng)目。通過這次設(shè)計(jì)，提高了我分析和解決問題的能力，擴(kuò)寬和深化了學(xué)過的知識，掌握了設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用機(jī)身材料、國家標(biāo)準(zhǔn)、圖冊等工具書的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對未來工作的一種模擬。至此，完成了焊接機(jī)器人的主要部件的設(shè)計(jì)，其它輔助部件的設(shè)計(jì)如軸承主要遵循運(yùn)動平穩(wěn)，定位精度高的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。但由于工作實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的缺乏及知識面的不足，對一些參數(shù)和元件的選擇可能不是很合理，有一定的浪費(fèi)，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不夠完善。在以后我也一定要繼續(xù)學(xué)習(xí)，不斷提高自己的專業(yè)技能。30參考文獻(xiàn)：[1]徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 3[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.[2]徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 4[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.[3]徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 5[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[S]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．[5]張建民著.工業(yè)機(jī)器人[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2006. 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