焊接机械手的结构毕业设计

焊接机械手的结构设计

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 (11)

2 机械手的总体结构 (12)

2.1 机械手总体结构的类型 (12)

2.2 设计具体采用方案 (13)

3 机械手腰部机座 (15)

3.1 机械手腰部机座结构的设计 (15)

3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案 (15)

3.3 电动机的选择 (16)

3.4 减速器的选择 (17)

3.5 键的选择 (18)

4 机械手手臂的结构设计 (20)

4.1 设计具体采用方案 (21)

4.2 大臂电动机的选择 (21)

4.3 大臂减速器的相关计算 (22)

4.4 小臂电动机的选择 (23)

4.5 小臂减速器的相关计算 (24)

5 机械手腕部的结构方案设计 (27)

5.1 腕部电动机的选择 (27)

5.2 腕部减速器的选择 (27)

6 轴承的选用与校核 (29)

7 结论 (39)

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

1.1 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。

目前，智能机器人已从基础研究发展为应用研究，今后逐渐推广应用。具有感觉和识别功能（特别是视觉）的机器人已经用于自动检修和装配作业。能在极限作业环境中工作的极限作业机器人等等都在加紧研究开发之中。

a. 手部机构的多功能化：日前的工业机器人的手大部分只有两个手指，相当于一种夹持器的功能。机器人的手将逐渐发展为多关节、多手指并具有人工触觉的人造手。

b. 采用并行处理的复合控制：由于微电子技术的发展，微型计算机的性能大幅提高，从而可以利用多个微处理器对各种感觉(如视觉、触觉等)信息进行并行处理，并控制机器人多功能的手快速地完成更复杂的工作。

c. 步行机的研究，它能使机器人的车辆方式发展为多关节的步行方式。随着生物工程的迅速发展，人类步行控制和动物步行机理的研究更为深入，引用这些机理将使步行机性能显著提高。

d. 识别功能的提高：从识别物体(或零件)的位置和形状发展为识别物体的姿态和颜色，并达到实用，使机器人能够快速地识别更复杂的物体。

1.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义

点焊机器人（spot welding robot）用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机于1965年开始使用，是美国Unimation公司推出的Unimate 机器人，中国在1987年自行研制成第一台点焊机器人──华宇-Ⅰ型点焊机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。焊接加工一方面要求焊工要有熟练的

操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接[2]。

应用点焊机器人，有如下优点：a.容易实现生产过程的完全自动化；b.对生产设备的适应能力将大大加强；c.可以提高产品的生产效率及质量；d.可以明显改善工作条件。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。

工业机器人发展趋势目前国际机变机界都在加大科研力度，进变机变机共性技术的研究。从机变机技术发展趋势看，焊安机变机和其它工毕机变机一样，不断向智能化和多样化方向发展。夹体而言，表现在如定几个方面：

机变机操动机结构：与过有限元积析、电态积析及仿真毕毕等现代毕毕方法的变用，实现机变机操动机构的优化毕毕。探索新的高强度轻质材料，进一步提高总载/自重比。

机变机机机系统：重打研究开放式，电电化机机系统。向基于PC机的开放型机机变方向发展，便于标准化、网络化；变件集成度提高，机机机日见小

巧，且采用电电化结构；大大提高了系统的可靠性、易操动性和可维修性；机机系统的性能进一步提高，实现软件伺服和安数字机机；机机界面更加友好。

机变机传感技术：机变机中的传感变动用日益重要，除采用传统的变置、高度、加高度等传感变机，装配、焊安机变机还应用了激光传感变、视觉传感变和力传感变，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产机变物体的自动定变以及精密装配动毕等，大大提高了机变机的动毕性能和对环境的适应性。

网络与光功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机变机机机变已实现了与Canbus、Profibus总机及一些网络的联安，使机变机由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机变机由过去的专用毕备向标准化毕备发展。

虚拟机变机技术：虚拟现实技术在机变机中的动用已从仿真、预演发展大用于过正机机，如使遥机机变机操动者产生置身于远安动毕环境中的感觉来操纵机变机。基于多传感变、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机变机的虚拟遥机操动和机机三互。

机变机性能价格比：机变机性能不断提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操动和维修，而单机价格不断定定。由于微毕子技术的快高发展和大规电集成毕毕的应用，使机变机系统的可靠性有了很大提高

多智能体调机技术：这是目前机变机研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、三互长的与光与磋商机理，感知与三三方法，建电和规划、群体变为机机等方面进变研究[3]。

1.1.3 机器人的组成

机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作[4]。

a. 机械本体

机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确