多关节型自动焊接机械手设计毕业设计(编辑修改稿)

多关节型自动焊接机械手设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

为自动上、下料用。 (2) 通用机械手 具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活 多样的机械手。 通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。 按结构分： . (1) 直角坐标 机械手 结构； (2) 圆柱坐标 机械手 结构； (3) 球坐标 机械手 结构； (4) 关节型 机械手 结构。 研究背景 、 国内外 现状及发展趋势 研究背景 据不完全统计，全世界在役的工业 机械手 中大约有一半的工业 机械手 用于各种形式的焊接加工领域，焊接 机械手 应用中最普遍的主要有两种形式，即电焊和电弧焊。 我们所说的焊接 机械手 其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业 机械 手。 这些焊接 机械手 中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接 机械手 其实就是通用贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页 工业 机械手 装上某种焊接工具而构成的。 焊接 机械手 具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。 截止 20xx 年，全世界在役工业 机械手 约为 万台，其中日本装备的工业 机械手 总量达到了 60 万台以上，成为“ 机械手 王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业 机械手 数量居世界前三位。 近几年，全球 机械手 的数量在迅速增加 ，仅 20xx 年就达 万台。 据不完全统计，近几年我国工业 机械手 呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过 40% ， 焊接 机械手 的增长率超过了 60%， 20xx 年我国新增 机械手 数量超过了 5000 台，但仅占亚洲新增数量的 6% ，远小于韩国所占的 15%，更远小于日本所占的 69%。 这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业 机械手 应用程度的提高受到限制。 当前焊接 机械手 的应用迎来了难 得的发展机遇。 一方面，随着技术的发展，焊接 机械手 的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着 机械手 应用及发展前景空间巨大。 研究的 国内外现状 国内 机械手 的研究与开发始于 20 世纪 70 年代，大致经历了 3 个阶段： 70 年代的萌芽期， 80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。 1972 年我国第一台工业机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械 手。 从第七个五年计划（ 19861990）开始，我国政 府将工业 机械手 的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业 机械手 ，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂 机械手 ，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊 机械手 ，大连机床研究所设计制造的氩弧焊 机械手 ，沈阳工业大学设计制造的装卸载 机械手 等等。 这些 机械手 的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学 机械手 研究所开发的，同时一系列的 机械手 关键部件也被开发出来，如 机械手 专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器， DCPWM 等等。 我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用 范围。 目前国内机械手主要用于机床贵州大学本科毕业论文（设计） 第 4 页 加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能等方面都不能满足工业生产发展的需要。 所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械 手 的同时，相应的发展通用机械 手 ，有条件的还要研制示教式机械 手 、计算机控制机械 手 和组合式机械 手 等。 同时也要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥 机械手 的作用。 此外，还应大力研究伺服型、记忆再现型以及具有触觉、视觉等性能的 机械手 ，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本 单元。 可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的 机械手 ，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大其应用范围。 国外 机械手 在机械制造行业中应用较多，发展也很快。 目前主要用在机床、横锻压力机的上下料以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。 国外 机械手 的发展趋势是大力研制具有某种智能的 机械手 ，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化反馈，并作出相应的变更。 如位置发生稍许偏差时，即能更 正并自行检测。 现在已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有向着高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势发展。 定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3m/s，最新产品达到 6 轴，负载 2Kg 的产品系统总重量已突破 100Kg。 随着 机械手 发展的深度和广度以及 机械手 智能水平的提高， 机械手 已在众多领域得到了应用。 从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。 如采矿 机械手 、建筑业 机械手 以及水电系统用于维护维修的 机械手 等。 尤其是将 机械手 、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从根本上改变了目前机械制造系统的人工操作状态。 在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在 机械手 工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。 据猜测，今后 机械手 将在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到广泛应用。 同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 机械手 的发展趋势 工业 机械手 技术发展与应用水乳交融。 在第一代工业 机械手 普及的基础上，第二代贵州大学本科毕业论文（设计） 第 5 页 已经推广，成为主 流安装机型，第三代智能 机械手 已占有一定比重。 以应用为龙头拉动工业 机械手 技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面： （ 1） 机械结构 以关节型为主流， 80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型 机械手 约占总量的 l／ 3(目前世界工业 机械手 总数约为 750000 台 )， 90 年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、 360 度全工作空间范围的垂直关节型 机械手 大量用于焊接和上、下料。 应 3K(炼钢、炼铁、铸锻 )行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型 机械手 应运而生。 （ 2） 控制技术 大多数采用 32 位 CPU，控制轴多达 27 轴， NC 技术和离线编程技术大量采用。 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多 机械手 的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。 基于 PC 的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。 （ 3） 驱动技术 上世纪 80 年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业 机械手 中。 日本 23 家 机械手 公司于 1998 年生产的 167 种型号 机械手 产品，其中采用 AC 伺服驱动的有 156 种，占 ％。 直接驱动技术则广泛用于装配 机械手 中。 （ 4） 智能化的传感器多有应用 在上述 167 种机型中，装有视觉传感器的有 94 种，占 ％，不少 机械手 装有两种传感器，有些 机械手 留下了多种传感器接口。 （ 5） 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的装配 机械手 最大合成速度为。 高精度 机械手 的位置重复性为正负 机械手 ，其最大合成速度达 80m/s。 而另一种并联机构的 NC 机械手 ，其位置重复性达 l um。 90 年代末的 机械手 一般都具有两、三种功能。 （ 6） 集成化与系统化 1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小 机械手 ，其循环时间只有 ，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一 柜，只有洗衣机变换器那样大小。 FANUC公司 20xx 年 9 月宣称它的控制器为世界最小。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 6 页 本设计 的 目的和意义 设计 目的 由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至危 及 生命。 以电焊为例 , 高温电弧光产生的紫外线和红外线 可 对 眼睛及皮肤 造成严重 损伤 ； 电弧焊接时，焊条中的焊芯、药皮和金属母材在电弧高温下熔化、蒸发、氧化、凝集，产生大量金属氧化物及其他物质的烟尘，长期吸入可引起焊工尘肺 ；各种焊件和焊条中均含有数量不等的锰，在通风不 好的 场所如船舱、锅炉或密闭 容器内焊 接 ， 会产生 含 有 锰的烟尘 ，人体 长期吸入可发生锰中毒。 焊接 机械手就在这样 的情况下 诞生了 ,它代替了工人自动化的完成各种焊接任务。 一方面，改善了工人劳动条件，使工人的安全得到一定保障；另一方面，焊接质量稳定、提高了劳动生产率。 本课题设计的机械手，是用于自动生产线上完成焊接任务的自动化装置。 它的执行系统由机座、立柱、手臂、手指组成。 驱动系统采用 电气驱动式电力驱动。 电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。 其特点是电源方便，响应快，驱动力较大 ， 信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。 驱动电机一般采 用步进电机 或 直流伺服电机为主要的驱动方式。 由于电机速度高，通常须采用减速机构。 因 此机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动。 这既可使机构简化，又可提高控制精度。 在此驱动方式下，通过控制系统（本课题设计的机械手控制系统采用 PLC 程序设计，可根据工件的变化要求随时更改相关控制参数）控制机械手的各个部分的动作，使立柱可以在竖直面内旋转，手臂可以伸缩、摆动，手指可以夹紧、放松。 设计 意义 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及 机器的装配等的自动化程度， 进 而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 ，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、 有 灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中， 人 用手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业， 又可 使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，贵州大学本科毕业论文（设计） 第 7 页 特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 ， 以 便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直 接减少人力的一个 方 面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个 方 面。 因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是机械工业发展 的 必然趋势。 本设计 的 内容 和思路 设计 内容 机械手执行系统 、 驱动系统 和控制系统的设计。 执行系统的设计，包括机座、立柱、大小臂、手部。 阐述机械手各部分的设计要求、工作方式 ，步进电机的工作原理及计算与选择、谐波传动减速器的选择、轴承的选 择及校核。 驱动系统的设计，主要是选择驱动器，包括驱动器的选择方法、工作原理、引 脚说明。 控制系统的 设计， 确定输入 /输出（ I/O）设备、选择合适的 PLC、 I/O 点数分配 、PLC 程序设计。 最后，分别画出 焊接 机械手的装配图、 PLC 外部 接线图 、状态转移图、步进梯形图 以及 焊接 机械手自动 或手动 运行流程图。 设计思想 (1)对 焊接 机械手 执行系统（即 机械部分 ） 进行设计时，要求机械手结构简单、经济、运动灵活，机械手各个部分的运动与其他机械结构不发生干涉。 (2)对 焊接 机械手 驱动 系统设计时，要根据机械 手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。 在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上面的各个因素，充分论证其合理性、可行性、经济性以及可靠性后进行最终的选择。 (3)对 焊接 机械手进行控制部分设计时，要保证机械手的机械运动与受控制系统控制贵州大学本科毕业论文（设计） 第 8 页 信号控制产生的驱动动作相互协调，保证机械手各个部分合理有序的动作，确保工作台、工件等相关部件的安全。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 9 页 第 二 章 多关节 型自动 焊接机械手总体方案设计 概述 焊接是制造工业中最重要的工艺技术之一。 它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广。 随着科学技术的发展 ,焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品。