六轴工业弧焊机器人

六轴工业弧焊机器人

摘要

工业机器人作为现代制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，已被世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要的影响。焊接制造工艺由于其工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于自动化、机械化的要求极为迫切，从而焊接机器人的出现时焊接自动化的革命性进步。弧焊机器人是焊接机器人中的一种，本文对弧焊机器人的设计进行了系统说明。本文简要介绍了一下目前焊接自动化的发展情况，焊接机器人的分类、用途等，使大家对弧焊机器人有了整体的认识；在第二章中，初步确定了弧焊机器人的设计方案：弧焊机器人的结构形式、驱动方式以及主要参数，对机器人性能做了简要说明；第三章机械设计部分，包括驱动元件的选取以及主要构件的设计计算和强度校核；最后，对弧焊机器人的控制部分做了介绍，并编制了实现其运动的PLC 程序，便于人们操作控制。

关键词：焊接；工业机器人；自由度

Six-axis industrial arc welding robot

Abstract

Industrial robot as an important sign of modern manufacturing technology development and an emerging technology has been recognized by the world and has a significant impact on various fields of modern high-tech industries as well as people's lives. Manufacturing process of welding process because of their complexity, labor intensity, product quality, volume, etc. making the requirement of welding technology toward automation, mechanization urgent. So the emergence of welding robot is a sign of revolutionary advances in automation. Arc welding robot is a kind of robot, this paper, makes systematic descriptions of arc welding

robot. This paper briefly introduces the current developments in welding automation, welding robot classification, use and so on, so that we can have the whole knowledge of the arc

welding robot ; in the second chapter, set the initial design of arc-welding robot : arc welding robot structure, drive pattern, and the main parameters, make a brief description of the robot performance ; Chapter III mechanical design, including the selection of drive elements and the calculation of the main components and strength check; Finally, the control part of welding robot is introduced and developed a campaign to achieve its PLC program,

convenient for people to control.

Key word: Welding 、industry robot、 Degree of freedom

目录

1、 绪论 . ................................................ 1

焊接自动化发展概况 . ................................................................ 1 1.1、

1.2、机器人焊接发展概况 ..................................................................... 2

1.2.1、焊接机器人发展历程 . ................................................................................... 2

1.2.2、焊接机器人国内外应用现状 . ....................................................................... 2

1.2.3、焊接机器人分类及组成 . ............................................................................... 4

2、机器人结构方案确定 ..................................... 5

2.1、设计任务及要求 . ............................................................................. 5

2.2、结构方案设计 . ................................................................................. 5

3、机械设计部分 ........................................... 8

3.1、手腕1设计计算 . ............................................................................. 8

3.1.1、手腕1电机选择 . ............................................................................................. 9

3.1.2、联轴器设计 . ................................................................................................... 9

3.2、手腕2设计 .................................................................................... 10

3.2.1、手腕2驱动电机选择 . ................................................................................... 10

3.2.2、锥齿轮设计计算 . ........................................................................................... 11

3.3、小臂旋转自由度设计 ..................................................................... 17

3.3.1、小臂电机选择 . ............................................................................................... 18

3.4、小臂摆动自由度设计 ..................................................................... 19

3.4.1、小臂摆动电机选择 . ....................................................................................... 19

3.4.2、蜗轮蜗杆设计 . ............................................................................................... 20

3.5、大臂摆动设计 . ................................................................................ 24

3.5.1、电机选择 . ....................................................................................................... 24

3.5.2、蜗轮蜗杆设计 . ............................................................................................... 25

3.6底座旋转台设计 . ............................................................................... 30

3.6.1、电机选择 . ....................................................................................................... 30

3.6.2轮蜗杆设计 . ...................................................................................................... 31

3.6.3、旋转轴设计 . ................................................................................................... 35

3.7、主要零部件校核 . ............................................................................ 37

3.7.1、底座回转轴及其键联接校核 . ....................................................................... 37

3.7.2、底座旋转轴上建校核 . ................................................................................... 39

3.7.3、大臂回转台推力轴承校核 . ........................................................................... 40

小结 ..................................................... 41

致谢 ..................................................... 42

参考文献 ................................................. 43

1、 绪论

焊接生产是制造业中与国民经济的发展密切相关的重要的工艺技术，差不多所有工业生产部门，从航天航空到海洋工程，从发电设备到家用电器，从火车、汽车到自行车生产甚至儿童玩具都无不与焊接密切相关。

1.1、 焊接自动化发展概况

焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航天航空、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中应用越来越广泛。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业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为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、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。近20年来，在自动焊接、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。

焊接作为一项与新兴学科发展紧密相关的综合性先进工艺技术，其自动化技术涉及材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域。其自动化生产过程包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品全过程的自动化。只有实现了这一全过程的机械化和自动化才能得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏，同时获得较高的劳动生产率。

焊接自动化是未来焊接技术发展的方向，而计算机在这一过程中发挥着不可缺少的作用，利用计算机而发展起来的专家系统也得到了广泛重视。焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化作为焊接自动化的三个主要技术领域，标志着焊接先进制造技术水平和发展方向。

1.2、机器人焊接发展概况

1.2.1、焊接机器人发展历程

自从世界上第一台工业机器人UNIMATE 于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：

第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。

第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。

第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。

焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。

1.2.2、焊接机器人国内外应用现状

中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。

焊接机器人具有焊接质量稳定、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。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。估计全世界在役工业机器人约为100万套，其中日本装备的工业机器人总量达到了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

占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量还在迅速增加。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%；这其中的绝大多数都应用于焊接领域；虽然增长势头强劲，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%。这样的增长速度相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器人应用程度的提高受到限制。 当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。

弧焊机器人在汽车制造业中发挥着越来越重要的作用，而其本体又是其重要的组成部分，对机器人的性能有着极其重要的影响。 弧焊机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程的机电一体化自动化生产设备，在汽车制造业高质高效的焊接生产中发挥了极其重要的作用。弧焊机器人本体是影响弧焊机器人性能的关键部分之一，随着弧焊机器人在汽车制造业的广泛应用，掌握弧焊机器人的机械结构和工作原理，可为以后的应用研发和二次开发做好铺垫。焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。用这种技术可以提高焊接质量，因而甚至试图用它来代替某些弧焊作业。在短距离内的运动时间也大为缩短。该公司最近推出一种高度低的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG 焊接工艺为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.5～4mm ，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。

1.2.3、焊接机器人分类及组成

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，是一种高度自动化的焊接设备，焊接机器人可分为弧焊机器人和电焊机器人。弧焊机器人在诸多行业中得到普及，是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统。汽车工业是点焊机器人系统的一个典型应用领域，汽车装配中大约60%焊点由点焊机器人完成。

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。

2、机器人结构方案确定

2.1、设计任务及要求

六轴工业弧焊机器人共有六个自由度，分别由六个步进电动机控制其对应自由度的运动。结构上有机器人底座、手臂回转台、手臂、手腕等结构，采用全关节型坐标系形式，类似于人的腰部、手臂和手腕，其位置和姿态全部由旋转运动实现；各个自由度运动控制采用PLC 来实现。

设计参数：

结构形式：垂直关节

自由度：6

负载;6kg

腕部摆动角度：120°

腕部转动角度：360°

小臂回转角度：360°

大臂摆动角度：160°

腰部转动角度：360°

2.2、结构方案设计

焊接机器人是焊接机器人系统的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人手臂、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。它的任务是精确地保证末端操作小臂、手腕执行机构几大部分组成。其结构简图如下图2-1所示：

图2-1、弧焊机器人结构简图

1、底座和手臂

机器人的手臂由动力关节和连接件构成，用以支撑和调整手腕和末端执行器的位置。手臂部件具有3个自由度，包括驱动装置、传动机构、支撑连接件等。机器人手臂安装在回转台上，机器人机座部分根据整个机器人本体所受全部重量和工作载荷，采用了回转机座的结构，实现了机器人主体的整体回转。手臂用于连接手腕和底座并且支撑和控制其运动。

工作原理：

底座和大臂电机都经过蜗轮蜗杆传动，带动小臂运动，小臂电机直接驱动手腕旋转。机器人底座内的电机驱动手臂回转台进行回转运动，使手臂转动，大臂下端电机驱动小臂进行前后摆动，上端电机驱动小臂摆动，小臂电机直接驱动手腕部分旋转。

2、手腕

机器人的手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其主要功能是当手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标后，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现另外三个自由度。通过机械接口，联接并支撑末端执行器。 工作原理：

手腕2由前臂电机直接驱动旋转，手腕2电机经过锥齿轮驱动手腕1及前端执行机构摆动，手腕1直接通过联轴器联接执行末端驱动其实现旋转运动。

3、机械设计部分

设计一台机械设备，除了要考虑设备各部件的结构能够合理安装和方便维修外，还

要对各部件的受力情况正确分析，从而选出符合性能要求的材料和构件。如构件的强度、硬度、尺寸以及构件各位置所要承受的最大外力，避免机械设备在有效工作期内出现故障。机器人本体的分析，了解到其在本体设计及选型应用时遵循以下几个原则： （1）最小运动惯量原则：由于机器人本体运动部件较多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。采用最小运动惯量原则，尽量减小运动部件的质量，可增加本体运动平稳性，提高本体动力学特性。

（2）尺寸优化原则：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺寸优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于本体刚度的提高，使运动惯量进一步降低。

（3）高强度材料选用原则：由于机器人本体从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，在经济合理的前提下，选用高强度材料以减轻零部件的质量，减少运转的动载荷与冲击，减小驱动装置的负载，提高运动部件的响应速度是十分必要的。 （4）刚度设计的原则：要使刚度最大，必须恰当地选择杆件截面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

（5）可靠性原则：机器人本体因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。

（6）工艺性原则：机器人本体是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。

该六轴工业弧焊机器人采用全关节型结构形式，设计中重点考虑的是各自由度处所需的转矩的大小，从而选出能够满足要求的驱动元件。同时对部分零件加以计算，如键的校核、轴承的选择、锥齿轮、蜗轮蜗杆的计算等等。

3.1、手腕1设计计算

手腕1传动方案：转动幅度

，手腕1经由步进电机驱动，依靠联轴器联接输

出轴，输出轴端接执行器件焊枪，由电机旋转直接带动焊枪旋转。 3.1.1、手腕1电机选择

已知焊枪质量不大于6Kg ，

离大约为25mm ，则机械手转动所需的转矩T 1为：

电机转矩略比负载转矩大约

倍，故

选75系列混合式步进电机

驱动电源输入输出端长

，步距角

，保持转矩

。

型步进电动机，机身长

，输出轴径

，

，

6Kg ，重心到转动轴的距

电机基本参数如下：

3.1.2、联轴器设计

手腕1负载不大，故为了节省空间和转动惯量，可以设计为套筒联轴器。 初步估定所连轴外伸段轴径:

选套筒轴器：

套筒外径：

，取；

套筒长度：

，取；

紧定螺钉直径

，取 。

紧定螺钉至套筒端面距离

，取

。

3.2、手腕2设计

手腕2驱动手腕1摆动，第二关节手腕最大摆动幅度

，手腕1、焊枪同时作为

负载作用于手腕2，此处负载重量不大，转速不高。可采用步进电机驱动经锥齿轮改变转动方向，带动手腕1及执行端摆动。 3.2.1、手腕2驱动电机选择

假设机械手1其他零部件总质量为

约为

,在该机构中，焊枪到摆动点的距离L 大

。由此，可以简单估算出机械手摆动所需的转矩：

传动电机经过一对锥齿轮、一对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕摆动，电机转矩为

，初取齿轮传动比

此处

，

，

，取

。

手腕2处驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于算所需的转矩

，即

倍计

根据

3.2.2、锥齿轮设计计算

2.1、锥齿轮参数计算，假设寿命为15年，两班制。 1）、 由于锥齿轮传动速度不高，故选用7级精度。

2）、 材料选择：选择大小齿轮材料均为20r 经渗碳、淬火，硬度 3）、按接触强度估计

。

选取110BYGH 两相混合式步进电机系列110BYGH150-001

载荷系数

齿宽系数

；

；

齿数比

；

小齿轮大端分度圆直径（mm ）；

许用接触应力（MP ），摆动速度假设为72r/min，

查图 10-19 接触疲劳强度表取

查图10-21（d ）

取则：

，

。 ，假设失效概率

，安全系数

，

代入式中：

2.2、主要尺寸： 齿数

；

分锥角

大端模数

大端分度圆直径

变位系数x 齿宽中点分度圆直径

平均模数

外锥距

齿宽

大端齿顶高

大端齿根高

齿根角

，取

,取标准模数

。

齿顶角

顶锥角

根锥角

大端齿顶圆直径

大端分度圆齿厚

当量齿数

端面重合度

= =1.704

齿宽中点分度圆圆周速度：

2.3、接触强度校核

分度圆切向力

使用系数

由表10-2查取 ：

由齿宽中点分度圆圆周速度

查图10-8 取

查机械设计手册三，表23.4-24 有一轮悬臂支撑，支撑情况系数

载荷分布系数

查表 10-3 取齿间载荷分布系数

查机械设计手册三，图 23.4-21未变位锥齿轮节点区域系数图，取

查表10-6 弹性影响系数表

重合度、螺旋角系数

取锥齿轮系数

故

许用接触应力 ：

试验齿轮接触疲劳极限

寿命系数取

油膜影响系数

0.90

接触强度计算尺寸系数

工作硬化系数

最小安全系数

则

故符合接触强度要求。 2.4、齿根弯曲强度校核

、

由

、

查机械设计手册三图 23.2-28由

查机械设计手册三图 23.4-19取

取弯曲强度计算重合度与螺旋角系数

、、

故

许用弯曲应力

查机械设计手册三图23.2-29，取

寿命系数取

相对齿根圆角敏感系数，查机械设计手册三表23.2-30 取

相对齿根表面状况系数，取

尺寸系数由机械设计手册三图 23.2-31 ，取

最小安全系数

则有

故齿根弯曲强度合格

3.3、小臂旋转自由度设计

小臂电机直接驱动手腕部分旋转，旋转最大转动幅度

。

3.3.1、小臂电机选择

小臂驱动手腕旋转，在该机构中，对转轴产生转矩的部分为手腕1部分及焊枪，

有效转动重量为

假设摆动重心到转轴最大距离

大约为

。由此，可以简单

估算出机械手摆动所需的转矩：

传动电机经过一对圆锥滚子轴承、一个套筒联轴器传递驱动手腕转动，电机转矩为

此处

，

，

小臂内驱动电机选择时，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于算所需的转矩

，即

倍计

根据选取雷赛系列两相步进电机系列。输出轴径。

3.4、小臂摆动自由度设计

小臂由大臂上端电机经过蜗轮蜗杆驱动其摆动，小臂摆动最大转动幅度100°，假设最大转速

（

）。

3.4.1、小臂摆动电机选择

手腕、小臂围绕大臂摆动，根据结构，假设摆动有效重量为23kg ，摆动重心离转轴距离大约为

。由此，可以简单估算出机械手摆动所需的转矩：

传动电机经过两对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕3转动，电机转矩为

此处

，

，

，

大臂内驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于所需的转矩

，即

倍计算

根

据

选

取

。

混合式步进电机系

列

。输出轴

径

3.4.2、蜗轮蜗杆设计

2.1、蜗轮负载转矩，根据GB/T10085-1988推荐，采取渐开线蜗杆（ZI ）。

2.2、考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，故蜗杆选用45钢；希望传动效率高，耐磨性好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度45-55HRC 。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。

2.3、按齿面接触强度设计

按照闭式蜗杆传动设计准则，传动中心距

(1)、确定传动参数，

按照，则

假设工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数

，由表11-5选取使用系数

，

由选用的材料铸锡青铜和钢配合，故

假设蜗杆分度圆直径和中心距之比

，查图11-18取。

，从表11-7中查

根据铸锡青铜ZCuSn10P10，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度得涡轮基本许用应力

应力循环次数：前臂最大摆动幅度

，最大转速

（

）

,

寿命系数

2.4、计算中心距

选取中心距

，因

，故从表11-2中取模数

，直

径系数蜗轮齿数

，分度圆直径，变位系数

，分度圆导程角 。

，

此时，查图11-18得接触系数，

因为因此计算结果可用。

2.5、主要参数及尺寸 蜗轮分度圆直径

蜗轮喉圆直径

蜗轮外圆直径蜗轮齿根圆直径

蜗轮咽喉母圆半径

蜗杆分度圆直径

蜗杆齿顶圆直径

蜗杆齿根圆直径

蜗轮齿宽

，取

蜗杆齿宽

蜗杆节圆直径

蜗轮节圆直径

2.6、齿根弯曲疲劳强度校核

当量齿数

据 查图11-19取

螺旋角系数

许用弯曲应力

查表11-8由ZCuSn10P1制造蜗轮基本许用弯曲应力为

寿命系数

故

满足要求。

2.7、验算效率

已知

，与相对滑动速度有关

由则

查表11-18取

，

大于估计值0.82，故合格

3.5、大臂摆动设计

大臂由其内部下端电机经蜗轮蜗杆驱动其摆动，大臂最大转动幅度160°，假设最大转速

3.5.1、电机选择

（

）

假设摆动有效重量为30kg ，摆动重心离转轴距离单估算出机械手摆动所需的转矩：

大约为。由此，可以简

传动电机经过两对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕3转动，电机转矩为

此处

，

，

，

大臂内驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于所需的转矩

，即

倍计算

根据

选取110BYGH 三相混合式步进电机系列110BYG3502，输出轴径

3.5.2、蜗轮蜗杆设计

, 长

1、蜗轮负载转矩，根据GB/T10085-1988推荐，采取渐开线蜗杆（ZI ）。

2、考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，故蜗杆选用45钢；希望传动效率高，耐磨性

好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度45-55HRC 。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。

3、按齿面接触强度设计

按照闭式蜗杆传动设计准则，传动中心距

(1)、确定传动参数，

按照，则

假设工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数

，由表11-5选取使用系数

，

由选用的材料铸锡青铜和钢配合，故

假设蜗杆分度圆直径和中心距之比

，查图11-18取。

，从表11-7中查

根据铸锡青铜ZCuSn10P10，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度得涡轮基本许用应力应力循环次数

,

寿命系数

4、计算中心距

选取中心距径系数轮齿数

，因，分度圆直径，变位系数

，故从表11-2中取模数

，分度圆导程角 。

，直，蜗

此时，查图11-18得接触系数，

因为因此计算结果可用。

5、主要参数及尺寸 蜗轮分度圆直径

蜗轮喉圆直径

蜗轮外圆直径蜗轮齿根圆直径

取

蜗轮咽喉母圆半径

蜗杆分度圆直径

蜗杆齿顶圆直径

蜗杆齿根圆直径

蜗轮齿宽

，取

蜗杆齿宽

蜗杆节圆直径

蜗轮节圆直径

5、齿根弯曲疲劳强度校核

当量齿数

据 查图11-19取

螺旋角系数

许用弯曲应力

查表11-8由ZCuSn10P1制造蜗轮基本许用弯曲应力为

寿命系数

故

满足要求。 6、验算效率

已知

，与相对滑动速度有关

由则

查表11-18取

，

大于估计值0.80，故合格

3.6底座旋转台设计

机器人手臂手腕由底座旋转台驱动绕其转轴旋转，最大转动幅度

（

3.6.1、电机选择

假设转动重心距离转轴最大距离

, 转动有效重量

。

）。

，最大转速

传动电机经过两对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕3转动，电机转矩为

此处

，

，

，

底座回转驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于算所需的转矩

，即

倍计

根据

选取110BYGH 混合式步进电机系列110BYGH150-001

3.6.2轮蜗杆设计

1、蜗轮负载转矩，根据GB/T10085-1988推荐，采取渐开线蜗杆（ZI ）。

2、考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，故蜗杆选用45钢；希望传动效率高，耐磨性好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度45-55HRC 。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。

3、按齿面接触强度设计

按照闭式蜗杆传动设计准则，传动中心距

(1)、确定传动参数，

按照，则

假设工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数

，由表11-5选取使用系数

，

由选用的材料铸锡青铜和钢配合，故

假设蜗杆分度圆直径和中心距之比

，查图11-18取。

，从表11-7中查

根据铸锡青铜ZCuSn10P10，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度得涡轮基本许用应力应力循环次数

,

寿命系数

4、计算中心距

选取中心距直径系数蜗轮齿数

，因，分度圆直径，变位系数

，故从表11-2

中取模数

，分度圆导程角 。

，，

此时，查图11-18得接触系数，

因为因此计算结果可用。

5、主要参数及尺寸 蜗轮分度圆直径

蜗轮喉圆直径

蜗轮外圆直径蜗轮齿根圆直径

取

蜗轮咽喉母圆半径

蜗杆分度圆直径

蜗杆齿顶圆直径

蜗杆齿根圆直径

蜗轮齿宽

，取

蜗杆齿宽

蜗杆节圆直径

蜗轮节圆直径

5、齿根弯曲疲劳强度校核

当量齿数

据 查图11-19取

螺旋角系数

许用弯曲应力

查表11-8由ZCuSn10P1制造蜗轮基本许用弯曲应力为

寿命系数

故

满足要求。 6、验算效率

已知

，与相对滑动速度有关

由查表11-18取，

大于估计值0.80，故合格 3.6.3、旋转轴设计

底座轴结构设计如下所示

图3-1、底座回转轴结构图

最小轴径估取：

，选低速轴材料为45钢，调质处理，查表15-3取

故

，

由轴结构， A端为由圆螺母轴向固定，取最小轴径

圆螺母厚度

, 故取A 段长度为

。

，B 段与大臂底座孔配合，

。 。

，与圆螺母M30旋合，

A-B 处轴肩不起定位作用，故可取B 段轴径也为

孔长

。A-B 之间有退刀槽，槽宽为

，故B 段长度

，故取C 段轴径为

B-C 段，有定位轴肩，取轴肩高度

C-D 段，轴肩不起定位作用，D 段与轴承配合，取轴承内圈宽度

，

，

，选取圆锥滚子轴承30209，

F 段也与轴承30209配合，取长度。

，D 段与轴承、蜗

。故D 段

由底座箱体和箱盖结构关系，箱体和箱盖上轴承座孔端面距离轮、套筒配合，轴承与蜗轮之间靠套筒定位，套筒宽长度

，蜗轮中线距离F

段端面距离 E段长度

，底座上端面距离上臂回转台下面距离

转台下端面

，由结构关系，可得到C 段长度为

，蜗轮宽度

。故按照结构关系E-F 定位轴肩高

，

。机器人底座高度

，上臂回转台孔下端面距离转台回

。

3.7、主要零部件校核

3.7.1、底座回转轴及其键联接校核 1、计算轴上载荷

3-2、底座回转轴结构件图

底座转轴如上图3-2所示，已知大臂底座承载了机器人手臂手腕的所有重量，故底座回转轴只承受扭矩。旋转所需转矩矩即蜗轮传递转矩为

。由转轴转矩平衡，

, 输入转

。轴所受扭矩图如图3-3所示：

3-3、底座回转轴扭矩图

2、校核轴扭转强度

, 此处取受扭矩段较小轴径

故轴扭转强度合格。 3、按疲劳强度精确校核

判断危险面：截面A-B 、D-E 、E-F 处没有承受扭矩，所以无需校核。B-C 、C-D 处承受扭矩基本相同，B-C 过渡处轴径更小，故只需校核B-C 截面。 截面B-C 下端：抗扭截面系

数

截面上扭转切应力：

，扭

矩

轴材料45钢，调质处理，查表 15-1得。

截面上由于轴肩形成的理论应力集中系数，由表3-2查取，

由

由附图3-1得轴材料敏性系数

有效应力集中系数为由附图3-3

扭转尺寸系数

。

，轴按磨削加工，查附图3-4，得表面质量系数

，故综合系数为

，轴未经过表面强化处理，取

查取碳钢特性系数计算安全系数S

故合格

截面B-C 上端：抗扭截面系数截面上扭转切应力：

，扭矩

截面上端轴和孔配合H7/k6，取

轴按磨削加工，查附图3-4

，得表面质量系数

，故综合系数为

，轴未经过表面强化处理，取

查取碳钢特性系数4、计算安全系数

S

故合格

3.7.2、底座旋转轴上建校核

旋转轴上采用平键联接有两处，B

段处，轴与上臂回转台联接，选用键公称尺寸

，长度

此处平键联接强度

，转矩

。

。

许用挤压压力为轴、回转台孔、键中最弱材料的挤压应力，回转台、轴、键全为钢，由表6-2查取许用挤压应力

[

故此处键联接合格。

D 段处轴与蜗轮配合，周向定位选用键公称尺寸为转矩约为

此处平键联接强度

。

。

，长度

，

许用挤压压力为轴、蜗轮轮毂、键中最弱材料的挤压应力，其中蜗轮轮毂材料为铸铁，由表6-2查取许用挤压应力

[

此处键联接合格。

3.7.3、大臂回转台推力轴承校核

机器人大臂及其以上部分重量由大臂回转台和底座之间的推力球轴承承受。估计大臂及其以上部分重量为

查表13-6取载荷系数

，

轴承寿命计算

，

，推力球轴承当量载荷等于其所受轴向力。

。

对于推力轴承51215，基本额定载荷C=74KN，极限转速2500r/min

，轴承实际转速为

，工作总时间15年两班制，

故轴承合格。

小结

本次毕业设计课题贯穿我大学四年专业所学到的理论知识与实习获取的经验，从选题分析，结构设计，计算和控制设计，整个毕业设计过程提供了给了我自主学习，独立思考，自主选择的机会。毕业设计有实践性，综合性，探索性，应用性等特点，弧焊机器人设计过程中包含了大学所学的机械设计和传动控制等多方面的专业知识，是运用四年所学知识进行实际操作的一次综合练习。随着毕业设计做完，也将意味我的大学生活即将结束，在繁忙的日子里面，曾经多次为解决设计中的问题，到处查阅专业的书籍，甚至为了一个结构设计，与同学争得面红耳赤。但在这段时间里面我觉得自己是充实并快乐的。这次毕业设计，给我最大的体会就是在现实中不能够得到合理的应用，再巧妙的机械结构往往是最失败的作品。除了理论上的可行性，还需要在现实生产之中能发挥作用，机械结构是不能玩花俏的，需要的是踏踏实实，物有所用。

这次毕业设计时间之长、任务之重、工作量之大都是以往几次设计无法比拟的。

在这次设计中，几乎用到了以前学过的所有专业知识，并尽可能合理地将其运用到此次设计中去。如理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机电颤动与控制、互换性等知识。既巩固和加深了对理论知识的理解和运用，同时也深刻体会到了理论计算和实际设计之间的区别和联系。通过这次设计，我收获很多，获得了许多珍贵的知识，学到了许多书本上不可能学到的知识。

在这次设计中，我也遇到了很多困难，有事先考虑到的，而更多的是在设计当中突然发现的。也正是由于这些突然遇到的困难，让我正确认识到了实际生产和理论学习的不同。通过分析、解决这些困难，我学到了许多以前没学到的知识。这也许就是设计教学的目的和意图所在。当然，在这次设计中，我也感觉有很多不足和缺陷。比如，由于该机构自由度比较多，运动轨迹复杂，再加之自己对PLC 控制部分了解甚微，所以只是选取了一台电机驱动控制设计，给理解和使用该机器人带来了不便，希望能够谅解！

限于我水平和时间，错误或不当之处在所难免，请各位老师、专家和读者朋友不吝批评指正。

致谢

本毕业设计的选题、设计内容及设计的形成是在高旭老师的悉心指导下完成的。在毕业论文的完成过程中倾注了老师大量的心血，因此，在论文完成之际，特向我尊敬的高旭老师表示衷心的感谢。经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计完成，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，想要完成这个设计的难度是可以想象的。高旭老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩高老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，正因为有他们的帮助我才能顺利的完成设计。我要感谢我的母校——辽宁科技大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！

参考文献

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