毕业论文--直角坐标焊接机械手整体结构设计说明书.doc

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1、摘要焊接在当代制造业中有着举足轻重的地位，与传统手工焊接相比，焊接机器人有着无可比拟的优势，而且，随着科学技术的发展，焊接自动化越来越成为焊接的发展趋势。本文从直角坐标焊接机械手的整体设计角度出发，主要致力于解决直角坐标焊接机械手的总体结构设计、总体主要参数尺寸的确定以及各大部分的连接设计等问题，确定了符合设计题目的直角坐标焊接机械手的整体结构、总体参数、及各部分的连接尺寸，为各部件的型号选择和尺寸确定作依据。关键字：焊接机械手、直角坐标、总体结构设计、连接设计目录第1章 综述.11.1 焊接机器人概述.11.2 焊接机器人的发展过程.21.3 国内外焊接机器人的现状.31.4 国内外焊接机器

2、人的发展趋势.3第2章 总体结构方案设计.52.1总体技术要求.52.2 直角坐标焊接机器人介绍.52.3 常见的几种直角坐标焊接机器人结构方案.62.4焊接机械手结构方案的确定.8第3章 总体布置设计.113.1总体布置的要求.113.2总体主要参数的确定.11第4章 各部分间的联接设计.194.1底座与地面的联接设计.194.2底座与大臂的联接设计.204.3大臂与小臂的联接设计.22第5章 设计小结.24参考文献.25第1章 综述1.1 焊接机器人概述 在现代制造业中，焊接作为“工业裁缝”毋庸置疑是最重要的工艺技术之一。它应用领域相当广泛，触及机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化

3、工以及建筑和电子等各个方面。随着科学技术的迅猛发展，焊接已经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的生产手段。我们曾经传统的手工焊接已经不能满足现代那些高技术含量产品制造的质量和数量要求。因此，如何在保证焊接产品质量的稳定性的同时提高生产率和改善劳动条件，这个问题成为了现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。随着电子技术、计算机技术、数控技术和机器人技术的迅猛发展，为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已经渗透到焊接各个领域中。 焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式。刚性自动化设备通

4、常都是专用的，只适用于中、大批量产品的自动化生产，因而在中、小批量产品自动化焊接生产中，手工焊仍然是主要的焊接方式，而焊接机器人的诞生使得小批量产品自动化焊接生产成为可能。机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需要人给它做一次示教，随后它就可以精确地再现示教的每一步操作。如果机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教就可以了。因此，在一条由焊接机器人组成的生产线上，可同时自动生产若干种不同的焊接。焊接机器人与传统手工焊接比较，主要优点如下表5：表1.1焊接机器人与传统手工焊接对比表 特点 焊接类型焊接机器人传统手工焊(1).具有稳定焊接质量，保证焊缝的均匀性(2).提高劳

5、动生产率，一天可24小时连续生产(3).改善工人劳动条件，可在有害环境下工作(4).降低对工人操作技术的要求(5).缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资(6).可实现小批量产品的焊接自动化(7).能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业(8).为焊接柔性生产线提供技术基础1.2焊接机器人的发展过程 按照机器人技术发展水平，焊接机器人可以分为三代，如下表5：表1.2焊接机器人的发展焊接机器人时代工作方式特点第一代基于示教再现 这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作员“手把手”地进行，比如，操作人员抓住机器人上的

6、喷枪，沿喷漆路线示范一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时，自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷漆工作。这种方式即是所谓的“直接示教”。但是，比较普遍的方式是通过控制面板示教。操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代。第二代具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化 第二代机器人采用了焊缝跟踪技术，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。类似的技术正越来越多地应用在机

7、器人上。第三代具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力 作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很多各具特点的试验装置，提出大量新思想、新方法，但现有机器人的自适应技术还是十分有限的。1.3国内外焊接机器人的现状 目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoma

8、n、FANUC、Yaskwa，德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的Adept Technology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业。截止2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日本装备的工业机器人总量达到50万台以上，成为“机器人王国”，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工业机器人数量居世界前三位。 而我国也已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上，截止到20世纪末，我国实际拥有工业机器人约3500台，分布全国700多家企业，其中应用于焊接机械手总量在1400多台。和世界其他国家一样，汽车、摩托车、工程机械制造业是

9、焊接机器人的最大用户群，电子行业有少量应用，其他行业目前应用数量更少。在焊接机器人中，弧焊机器人和点焊机器人的应用范围最广、使用数量也最多，弧焊机器人和点焊机器人相比较，弧焊机器人的使用数量略多于点焊机器人的装备数量。近年来，机器人激光焊接、机器人钎焊等其他机器人焊接也得到应用6。 我国的机器人事业起步较晚，工业机器人历经“七五”攻关和“八五”、“九五”、在国家863计划智能机器人主题支持下，我国自主知识产权的工业机器人设计、制造和应用技术已经逐渐走向成熟。近两年，每年应用在我国的焊接机器人数量在150台左右。总体来看，国内机器人公司经过多年的积累和自我发展，在焊接机器人应用工程领域，已经具备

10、了国际著名机器人公司平等竞争的实力，并且在价格和技术服务方面具有一定优势。1.4 国内外焊接机器人的发展趋势国外的工业机器人领域发展近几年有如下几个趋势： (1)工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

11、 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳

12、”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起5。而对于国内： 今后几年中国的焊接机器人市场将是技术不断提高，市场迅速扩大，应用工程项目市场竞争激烈的局面。预计今后几年内，国内企业对点焊，弧焊机器人的需求量将以30%以上的速度增长。从机器人技术发展趋势来看，焊接机器人不断向智能化方向发展，机器人的感觉功能将实现多传感器信息的融合，控制系统从示教、离线编程相模糊控制发展，实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。从应用技术市场角度分析，性能和价格以及技术服务的质量将仍然是决定用户做出正确选择的主要因素。随着国内机器人公司自主品牌的性价比进一步

13、提高，短期内将可以达到与国外产品抗衡的能力。从机器人应用范围来看，焊接机器人的应用在传统制造业领域的需求持续增长，同时不断向其他行业扩展5。 焊接作为机械制造业中仅次于装备加工和切削加工的第三大加工作业，对其进行机器人柔性加工技术，及其相关控制器PC化，网络化和智能化的应用研究已经成为焊接自动化发展的必然趋势。第2章 运动方案设计2.1总体技术要求工作范围：长1.5m，宽1m，高0.8m适用规格：焊条d2.5，d3.5，d4.0，d5.0，d6.0 mm体积：不大于3m2m2m （长宽高）运动平稳，噪声低2.2直角坐标焊接机器人介绍 直角坐标焊接机器人，首先，它是直角坐标机器人的一种。直角坐标

14、机器人，顾名思义，是能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机，属机器人中的一种6。 而直角坐标焊接机器人则是专门用来焊接的直角坐标机器人。这类机器人的结构和控制方案与机床比较类似，其到达空间的三个运动（x、y、z）是由直线运动构成，运动方向相互垂直，这种形式的机器人的优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作容积内任一点上均为恒定，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，工作空间小，操作灵活性较差。简易和专用焊接机器人常采用这种形式5。根据焊接种类的不同，焊接机器人可以分为适用于弧焊的焊接机器人和适用于点焊的焊接机器人，下表5是它们的比较

15、。表2.1不同焊接种类的焊接机器人特点焊接种类特点弧焊由于弧焊工艺早已在诸多行业得到普及，弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而对其性能有着特殊的要求，在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的稳定性和轨道精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取550mm/s，轨迹精度约为(0.20.5)mm。由于焊枪的姿态对焊缝的质量也有一定影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。点焊汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应

16、用领域，在装配每台汽车车体时，大约60%的焊点是由机器人完成。最初，点焊机器人只用于增强焊作业（往已拼接好的工件上增加焊点），后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。这样，电焊机器人逐渐被要求有更全的作业性能，具体来说有：1.安装面积小，工作空间大；2.快速完成小节距的多点定位；3.定位精度高（0.25mm），以便确保焊接质量；4.持重大（50100Kg），以便携带内装变压器的焊钳；5.内存容量大，示教简单，节省工时；6.点焊速度与生产线速度相匹配同时安全可靠性好。 一般，一个直角坐标焊接机器人由水平轴X轴、Y轴、竖直轴Z轴、三轴的驱动电机，手抓和控制系统组成，下面一一介绍。 直线运动

17、轴，也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要负责实现三个方向的运动。 驱动电机：主要选用伺服电机或者步进电机。当驱动轴的最高转速低于600r/min时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。 手爪：它是直角坐标焊接机器人的末端操作器，对于焊接机器人来说，手抓就是一把焊枪。 控制系统：机器人要在一定时间内完成特定的任务，比如每10S内完成50mm长度的焊接任务。在完成焊枪喷射，工进，焊枪停止的同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口

18、的驱动电机来做控制系统。2.3 常见的几种直角坐标焊接机器人结构方案 通常，直角坐标焊接机器人的结构形式可以分为：1) 龙门式结构、2) 悬臂式结构、3) 垂挂式结构6，其各种结构的特点总结如下表： 表2.2直角坐标焊接机器人三种结构形式结构形式运动简图组成特点适用场合龙门式结构该结构由X方向的平行导轨支架、Y方向的横梁、Z方向的之间运动轴以及三个驱动电机构成，能实现三个方向的直线运动该结构的特点是每根运动轴跨度大，行程长，同时，它带载能力也很好，其次，它的动态特性好，轻载时运行速度大；精度也不低，可以达到0.05到0.01mm；它寿命长，简单又经济适用于超大型、大型零部件的焊接悬臂式结构该结

19、构由X、Y、Z三个方向的直线运动轴和三个方向的驱动电机构成，能实现三个方向的直线运动该结构的特点是占用空间小，但是运动轴的跨度和带载能力明显没有龙门式结构大，因为Y轴的伸出势必对X轴与Y轴连接处造成一定的弯矩，Y轴伸出的长度受限于连接处所能承受的最大许用弯矩适用于中小型零部件的焊接垂挂式结构该结构与之前结构略有不同，在Z轴和X轴上，运动轴滑块是固定件，而导轨是运动件，在电机转动时，导轨动而滑块不动，它仅仅能完成两个方向的直线运动该结构的特点是占用空间小，结构简单，经济性好，但是仅仅能够满足X轴和Z轴的运动，它X轴的运动范围同样是受限的，根据Z轴和X轴连接处所能承受的最大许用弯矩，我们便可以知道

20、X轴方向的的最大行程适用于中小型零部件的焊接2.4焊接机械手结构方案的确定 根据总体技术要求，我们可以确定我们焊接机械手的结构方案，如下图所示：1321. 底座 2.小臂3.大臂图2-1焊接机械手及结构方案根据总体的工作范围，长1.5m，宽1m，高0.8m的要求，首先，工作范围属于中等大小范围，那选择适合中等大小范围的悬臂式结构和垂挂式结构，但是，垂挂式结构只能满足两轴的运动，不能满足总体的工作范围，故采用悬臂式结构；但是，悬臂式结构存在一定的缺陷，它的轴向跨度和带载能力有所不足，故为了增大它的带载能力，把悬臂式结构X轴方向的直线运动轴导轨改成龙门式结构的两根平行导轨，同时，为了把整体的重心移

21、到整机的中垂面中，把沿Z轴移动的那根运动轴如上图中大臂布置，它通过电机带动一根丝杆（图中未示出）运动，丝杆螺母在丝杆的带动下化丝杆的旋转运动为丝杆螺母的上下运动；最后，为了满足Y轴方向的1m的行程的同时又让整体的中心移出中垂面太多，把Y轴方向的运动轴如上图小臂布置，它的外壳与大臂的丝杠螺母联接在一起，外壳内通过滚珠丝杠副使联接焊枪的杆伸出来完成Y轴方向1m的行程。3 整个直角坐标焊接机器人由三部分组成：底座、大臂和小臂。下面一一来介绍。42151.X轴步进电机 2.两根平行导轨3.丝杠螺母4.工作台5.X轴滚珠丝杠图2-2直角坐标焊接机械手底座结构 底座：底座如上图所示。主要由X轴步进电机、导

22、轨、X轴滚珠丝杠、丝杠螺母、工作台等几大部分组成。它通过步进电机带动滚珠丝杠副的运动，化电机的转动为与滚珠丝杠螺母联接着的工作台沿着导轨和滚珠丝杠的直线运动而达到完成X轴方向行程的目的。两根平行的的导轨能让工作台稳定的运动，而滚珠丝杠副则能保证达到所要求的定位精度。341251.大臂外壳2.光杆（两根）3.支架板4.Z轴步进电机5.Z轴滚珠丝杠图2-3直角坐标焊接机械手大臂结构大臂：大臂如上图所示。主要由大臂外壳、两根光杆、支架板、Z轴步进电机和Z轴滚至丝杠组成。它通过步进电机电动滚珠丝杠副的运动使得支架板能够沿着滚珠丝杠和光杆（两根）上下移动。之所以安装两根光杆，是因为它能保证支架板稳定得沿

23、着丝杠上下移动而不会造成卡死现象。当小臂（图中未示出）伸出时，由于小臂重心的改变，势必会给支架板造成一定的弯矩，倘若只用一根光杆，则会让丝杠螺母的中心轴线与滚珠丝杠的中心轴线不重合，它们会产生一定的夹角，造成滚珠丝杠的定位精度下降，运动困难甚至卡死，加重磨损，减短滚珠丝杠的使用寿命；而用两根光杆则在滚珠丝杠和光杆间形成了一个稳定的三角形结构，很好得解决了这个问题。123451.连接焊枪的杆2.小臂外壳3.Y轴滚珠丝杠4.丝杠螺母5.Y轴步进电机图2-4直角坐标焊接机械手小臂结构 小臂：小臂如上图所示。主要由连接杆、小臂外壳、Y轴滚珠丝杠、丝杠螺母、Y轴步进电机等组成。它通过步进电机带动滚珠丝杠

24、副让连接杆沿着滚珠丝杠运动，使焊枪沿着Y轴伸出、缩进。第3章 总体布置设计3.1总体布置的要求 总体布置是结构布局的细化需要具体确定零件之间的相对位置及联系尺寸、运动和动力传递方式及其主要技术参数，并绘制总体布置图。 总体布置的基本要求如下：1.保证工艺过程的连续和流畅 通常机械系统工作的工艺过程包含多项作业工序，从而，保证工艺过程的连续和流畅是总体布置的最基本要求。2.降低质心高度、减小偏置 任何机械都应能平衡、稳定地工作，如果机械的质心过高或者偏置过大，则可能因扰力矩增大而造成倾倒或加剧振动。3. 保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性 对于加工设备来说，为了保证被加工工件的精度及所需的性能

25、指标，总体布置时必须充分考虑精度、刚度、抗振性及热稳定性。4.充分考虑产品系列化和发展 设计机械产品时不仅要注意解决当前存在的问题，还应考虑今后进行产品系列化设计的可能性及产品更新换代的适应性。5.结构紧凑，层次分明 紧凑的结构不仅可以节省空间，减少零部件，便于安装调试，往往还会带来良好的造型条件。6.操作、维修、调整方便 为改善操作者的劳动条件，减少操作失误，应力求操作方便舒适。7.外形美观 机械产品投入市场后给人们的第一直觉印象式外观造型和色彩，它是机械功能、结构、工艺、材料和外观形象的综合表现，是科学性，艺术性与实用性的结合1。3.2总体主要参数的确定3.2.1尺寸参数的确定总体设计的尺

26、寸参数主要是指影响机械性能的一些重要尺寸，如总轮廓尺寸（总长、总宽、总高）、特性尺寸（加工范围、中心高度）、主要运动零部件的工作行程，以及表示主要零部件之间位置关系的安装连接尺寸等。尺寸参数常用联系尺寸图示出1。 直角坐标机械手的总装图如下：3211.底座2.大臂3.小臂图3-1直角坐标焊接机械手主视图2311.底座2.大臂3.小臂图3-2直角坐标焊接机械手俯视图3211.底座2.大臂3.小臂图3-3直角坐标焊接机器人左视图确定的尺寸参数应符合优先数和优先数系GB321-80的规定，对有互换性和系列化要求的主要尺寸（如安装、连接尺寸、配合尺寸，决定产品系列的公称尺寸等）及其他结构尺寸，应符合标

27、准尺寸GB2822-81的规定，优先按R10、R20、R40的顺序选用标准尺寸，如需将值圆整，应按Ra5、Ra10、Ra20、Ra40的顺序选取标准尺寸1。总体轮廓尺寸的确定：总体轮廓尺寸如上直角坐标焊接机械手的总装图所示（即图中的总长、总高和总宽），是根据总体技术要求的工作范围，此直角坐标焊接机器人的加工范围为长1.5m，宽1m，高0.8m，同时它的最大体积有个要求：长宽高小于等于2m2m3m，根据以上要求，在满足这台直角坐标焊接机器人的工作范围的同时能满足它最大体积的要求以及国标中对于尺寸参数的规定的要求下，这台直角坐标焊接机器人的尺寸参数定为：总长定为1900mm 总宽定为1200mm总

28、高定为1700mm特性尺寸的确定：根据总体技术要求的工作范围，其加工范围就是即是此直角坐标焊接机器人的特性尺寸：X轴方向工作行程：1500mmY轴方向工作行程：1000mmZ轴方向工作行程：800mm因为这个直角坐标焊接机器人每个轴的运动都是靠电机带动丝杠运动的，故为了满足总体技术要求中的工作范围，每个运动轴的丝杠两端都留有20到40的余量。此直角坐标焊接机器人的小臂在生出与收缩的时候会产生一定地偏心距，为了使其在运动的过程中能够平稳，故其小臂与大臂在小臂的正中间固定，这种固定方式还能有效得减小小臂在运动过程产生的偏心距。为了使机械能够平稳、可靠的运动，整个机构的质心不能过高，但是此机构的质心

29、会随着大臂带动小臂的上升和下降而又一定的改变，平均来说，此直角坐标焊接机器人在一般状态下的中心高度为700mm，处于整机高度的一半位置一下，能保证机械的运动平稳和可靠。安装连接尺寸的确定:为了使此直角坐标焊接机器人能够稳定、可靠的运行，其各部分的安装连接是相当重要的，其安装连接尺寸可以分为以下三部分：底座和地面的连接、底座和大臂的连接、大臂与小臂的连接。首先，是底座与地面的连接部分，从上面直角坐标焊接机械手的俯视图可以很清晰地看见，在底座上，底座和地面的连接是通过底座上面四个角的4个的地脚螺栓与地面连接的，它确保了此直角坐标焊接机器人能够牢固地连接在地面上。其次，是底座和大臂的连接部分，从上面

30、直角坐标焊接机械手的俯视图可以很清晰地看见，在底座的工作台上，底座和大臂外壳的连接是通过大臂外壳左右两边各3个的螺钉连接的，它确保了此直角坐标焊接机器人的大臂能够牢固地与底座的工作台相连接，当底座工作台移动时，大臂能够可靠的跟着移动。最后，是大臂与小臂的链接部分，从上面直角坐标焊接机械手的左视图可以很清晰地看见，左视图中局部剖视的部分表示了大臂与小臂的连接，从图上可以看出大臂与小臂是通过8个（正、反面）的螺栓连接的，而且是在小臂的正中间位置，保证了小臂可以稳定地进行伸缩运动。各大部分的零部件的连接安装尺寸如上所述，各部分都可靠得进行了连接，确保此直角坐标焊接机器人能正常工作，另外，各部分相互之

31、间的连接安装的校核在第4章会做一个详尽的说明，此处不再赘述。3.2.2 运动参数的确定机械的运动参数一般是指机械执行构件的转速（或者移动速度）及调速范围等，比如机床等加工机械主轴、工作台、刀架的运动速度，移动机械的行驶速度，连续作业的生产节拍等。执行机构的工作速度一般应该根据作业对象的工艺过程要求、工作条件及生产率等因素确定。一般而言，执行构件的工作速度越高，则生产率越高，经济效益越好，但同时也会使工作机构及系统的振动、噪声、温度、能耗等指标上升，零部件的制造安装精度及润滑、密封等要求亦随之提高。适宜的工作速度应在综合考虑上述影响因素后由分析计算或者经验确定，必要时由实验确定1。对于直角坐标焊

32、接机械手而言，工作台（X轴）、大臂（Z轴）、小臂（Y轴）的移动速度就是焊枪的焊接速度，也就是直角坐标焊接机械手的运动参数。下表是一般性用于弧焊的焊接机器人和用于点焊的焊接机器人的运动参数5。表3.1弧焊机器人和点焊机器人运动参数焊接种类焊接速度轨迹定位精度弧焊550mm/s+(0.20.5)mm点焊0.30.4s移动3050mm+0.25mm 根据上表所示的不同焊接种类的一般焊机的运动参数，此直角坐标焊接机器人的底座、大臂和小臂的工作时移动速度选定在120mm/min，也就是20mm/s，是一般弧焊机器人焊接时速度的中等水平，适合一般弧焊，而快进时的移动速度0.3m/s，减少总体的辅助时间，由

33、于此直角坐标焊接机器人主要用于弧焊，因此，它的轨迹定位精度我们取了0.5mm，符合规定。3.2.3动力参数的确定 动力参数一般是指机械系统的动力源参数，如电动机、液压马达、内燃机的功率以及其机械的特性。动力参数是机械中各零部件进行承载能力计算以确定其尺寸参数的依据。动力参数确定恰当与否，既影响机械系统工作性能，也影响其经济型1。 此直角坐标焊接机器人X、Y、Z三个方向的运动轴全是靠步进电机带动的，故确定动力源参数就是确定选择步进电机所需要的一些参数指标，在确定和选择系统的动力源时，了解系统的等效负载转矩和等效转动惯量是很有意义的，下面就系统的等效负载转矩和等效转动惯量进行计算。X轴方向的等效负

34、载转矩及等效转动惯量:1. 等效负载转矩的计算： 由于焊接时，被焊接的工件不是直接工装在此直角坐标焊接机器上的，所以这里计算的底座的等效负载转矩是大臂与小臂的所引起的正压力在滚珠丝杠副运动时候的摩擦转矩，根据文献3中等效负载转矩公式： (3-1) 为丝杠与丝杠螺母之间的摩擦系数为此直角坐标焊接机器人大臂与小臂质量和，此处为重力加速度为滚珠丝杠的导程，取为滚珠丝杠副的传动效率，取为传动比，此处是由于滚珠丝杠是直接由步进电机拖动的，故取。2.根据文献1中的计算等效转动惯量公式组,计算等效转动惯量:(1) 滚珠丝杠转动惯量： (3-2) 是滚珠丝杠的直径 是丝杠的长度 是材料的密度(2) 工作台的转

35、动惯量： (3-3) 为此直角坐标焊接机器人大臂与小臂质量和，此处 为滚珠丝杠的导程，取(3) 折算到电动机轴上的等效转动惯量： (3-4)Z轴方向的等效负载转矩及等效转动惯量：1.等效负载转矩的计算,根据文献3中等效负载转矩公式： (3-5)为此直角坐标焊接机器人小臂所受的重力（由于大臂是在Z轴方向提升和下降小臂的，故大臂的滚珠丝杠受的轴向力小臂的重力），小臂的重力为。为滚珠丝杠的导程，取为滚珠丝杠副的传动效率，取为传动比，此处是由于滚珠丝杠是直接由步进电机拖动的，故取。2.根据文献1中的计算等效转动惯量公式组,计算等效转动惯量:(1) 滚珠丝杠转动惯量： (3-6) 是滚珠丝杠的直径 是丝

36、杠的长度 是材料的密度(2) 小臂的转动惯量： (3-7) 为此直角坐标焊接机器人小臂质量，此处 为滚珠丝杠的导程，取(3) 折算到电动机轴上的等效转动惯量： (3-8)Y轴方向的等效负载转矩及等效转动惯量：1.等效负载转矩的计算,根据文献3中等效负载转矩公式： (3-9)为丝杠与丝杠螺母之间的摩擦系数为此直角坐标焊接机器人小臂伸出杆的质量，此处为重力加速度为滚珠丝杠的导程，取为滚珠丝杠副的传动效率，取为传动比，此处是由于滚珠丝杠是直接由步进电机拖动的，故取。2. 根据文献1中的计算等效转动惯量公式组,计算等效转动惯量:(1) 滚珠丝杠转动惯量： (3-10) 是滚珠丝杠的直径 是丝杠的长度

37、是材料的密度(2) 小臂伸出杆的转动惯量： (3-11) 为此直角坐标焊接机器人小臂伸出杆的质量，此处 为滚珠丝杠的导程，取(3) 折算到电动机轴上的等效转动惯量： (3-12)从计算结果可以看出，此直角坐标焊接机械手各轴的等效负载转矩呈现底座偏中等、大臂最大、小臂最小，这是由于大臂是竖直的，小臂的重力全由丝杠承受而导致的，不过，上述计算出的等效负载转矩的值均适合现在市场上大部分步进电机的参数，不会造成步进电机选择上的困难。此外，系统的等效转动惯量较小，小的转动惯量可提高驱动系统的固有频率，减少动力消耗，提高系统的稳定性和响应速度。第4章 各部分间的联接设计4.1底座与地面的联接设计图4-1底

38、座与地面的连接 如上图所示，此直角坐标焊接机器人是通过底座上4个的地脚螺栓与地面牢固、可靠地连接的，安装尺寸如上图所示。4.1.1底座与地面连接的地脚螺栓受力分析：图4-2底座地脚螺栓受力图4.1.2地脚螺栓强度校核： 根据文献2中受翻转力矩的螺栓组校核的公式： (4-1) 是底板所受的外力力矩和，如上所示，在此时这种情况整体的偏心最严重，故所受的偏心矩最大，螺栓的受力也在此时达到最大。在沿丝杠轴线的平面内：其中加速度 (4-2)在垂直丝杆轴线的平面内： (4-3)根据受力图能清晰得看出在4个地脚螺栓中，受力最大的是受力作用的螺栓， (4-4)此直角坐标焊接机器人采用的是的地脚螺栓，地脚螺栓的

39、材料是Q235，抗拉强度为235，取安全系数为5，则根据文献4中许用抗拉强度极限公式得螺栓的许用抗拉强度极限为: (4-5)又根据文献4中应力公式，则的地脚螺栓能承受的最大的力为 (4-6)从计算结果能够看出，地脚螺栓所能承受的最大的力远远大于此直角坐标焊接机器人的地脚螺栓所需要的最大的力，故此地脚螺栓能牢固、可靠得连接底座和地面。4.2底座与大臂的联接设计图4-3底座和大臂的连接如上图所示，此直角坐标焊接机器手的底座是通过工作台上6个的螺钉与大臂外壳连接的，安装尺寸如上图所示。4.2.1底座与大臂联接螺栓的受力分析：图4-4大臂连接螺栓受力图4.2.2底座与大臂联接螺栓的强度校核： 根据文献2中受翻转力矩的螺栓组校核的公式：