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畢 業(yè) 論 文（設 計）
論文（設計）題目：
四自由度船用焊接機械手設計與仿真
The Design and Simulation of Four Degrees of Freedom Welding Manipulator Applied to Ship
姓 名
學 號
學 院
專 業(yè)
年 級
指導教師
四自由度船用焊接機械手 設計與仿真,設計者：,焊接機械手的設計研究意義,,傳統(tǒng)焊接： 1.勞動強度大 2.焊接效率和質量不高不穩(wěn)，由焊工技術 水平決定 3.腐蝕、高溫和有毒氣體，危及生命,現代焊接： 1.采用焊接機械手 2.焊接質量好、穩(wěn)定 3.大大提高勞動生產率 4.改善工人的勞動環(huán)境,焊接機械手的總體方案設計,1.立柱式關節(jié)型焊接機械手，具有4個自由度 2.驅動機構的選擇——交流伺服電機 輸出功率高、反應靈敏、操作維修方便、噪音小 3.傳動機構的確定 行星輪傳動 絲杠傳動 齒輪帶傳動,,腰部的水平回轉運動： 1.行星輪傳動 2.運動平穩(wěn) 3.承載能力大，抗沖擊、防震,大臂豎直上下運動 1.滾珠絲杠螺母傳動 2.旋轉運動轉化為直線運動 3.摩擦阻力小，所需的驅動力少 4.高精度、微進給、效率高,小臂和焊槍 夾具的俯仰運動 1.齒輪帶傳動 2.電機軸與機械軸分開 3.傳動力矩大、可靠性高,整 體 設 計 方 案 示 意 圖,Adams仿真,1.簡化機械手模型 ADAMS造型弱，選取主要部件，表達出全部運動副關系即可 2.另存為Parasolid文件形式，導入ADAMS,3.添加質心 （CM） 4.添加關節(jié)約束(Joint) 兩個固定副 三個轉動副 一個移動副 5.給四個相對運動的運動副添加驅動（Motion),6.給每個驅動添加運動函數 1）腰部的角位移驅動函數 運動方程：-15*2*PI/360*sin(0.1*PI*time),2）小臂的角位移驅動函數 運動方程：60d * sin(0.1*PI*time),3）給剩余的驅動添加好運動函數即可讓機械手的焊槍末端按照預定的軌跡運動,有限元分析,1.主要承載構件的材料及特性,2.底座的有限元分析 底座屈服應力分布圖,底座變形程度圖（放大5×10^6 倍）,致 謝,畢業(yè)設計是在王建明教授的指導下完成的，在此對王老師表示衷心的感謝和崇高的敬意 感謝所有機械學院的老師，無私的傳授給我很多專業(yè)知識，使我對自己從事的專業(yè)更為了解 感謝小組成員和所有同學。,壓縮包內含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒論 1
1.1機械手的簡介 1
1.2機械手的簡史.................................................................................................2
1.3機械手的組成................................................................................................4
1.3.1執(zhí)行機構...............................................................................................4
1.3.2驅動機構...............................................................................................6
1.3.3控制系統(tǒng)及其分類...............................................................................6
1.4機械手的發(fā)展趨勢........................................................................................6
1.5機械手的自由度和座標型式........................................................................8
1.5.1機械手的自由度...................................................................................8
1.5.2座標型式...............................................................................................8
1.6機械手的展望.............................................................................................,10
1.7本章小結......................................................................................................11
第2章 焊接機械手的總體設計方案.....................................................................13
2.1方案設計......................................................................................................13
2.1.1方案要求.............................................................................................13
2.1.2設計方案的確定.................................................................................14
2.2傳動結構設計與分析..................................................................................16
2.2.1 腰部傳動機構....................................................................................16
2.2.2 大臂傳動機構....................................................................................17
2.2.3 小臂和焊槍夾具傳動機構................................................................18
2.3 執(zhí)行機構的設計與分析.............................................................................19
2.3.1 腰部....................................................................................................19
2.3.2 大臂....................................................................................................21
2.3.3 小臂......................................................................................................21
2.4 整體設計方案示意圖..................................................................................22
2.5本章小結.......................................................................................................23
第3章 機械手的建模.............................................................................................25
3.1三維建模軟件Solidworks的介紹..............................................................25
3.2 Solidworks建模..........................................................................................26
3.3本章小結......................................................................................................27
第4章 機械手二維制圖.........................................................................................29
4.1 二維繪圖軟件AutoCAD的介紹..............................................................29
4.2 AutoCAD繪圖.........................................................................................29
4.3本章小結......................................................................................................32
第5章 Adams仿真和Ansys分析..........................................................................33
5.1 運用Adams對機械手進行仿真模擬.......................................................33
5.1.1 Adams軟件介紹.............................................................................33
5.1.2 仿真前的準備工作—造型............................................................34
5.1.3 Adams仿真步驟.............................................................................34
5.2 對主要承載構件進行有限元分析...........................................................41
5.2.1 主要承載構件材料及特性............................................................41
5.2.2 底座的有限元分析........................................................................42
5.3 本章小結...................................................................................................44
參考文獻................................................................................................................45
致謝........................................................................................................................47
譯文和原文.............................................................................................................49
vi
摘 要
由于焊接工作的需要，人們經常遭受腐蝕、高溫及有毒氣體等因素的危害，不僅工人的勞動強度大，而且危及生命，因此焊接機械手孕育而生。它代替焊工自動化完成各種焊接任務，一方面使工人的勞動條件得到改善，另一方面，焊接機械手焊接質量穩(wěn)定且大大提高勞動生產率。所以焊接機械手的應用及發(fā)展前景巨大。
本文從以下五個部分闡述此次設計的內容：
（1）了解機械手的概念、簡史、現狀和未來發(fā)展，明確設計機械手的實際意義，掌握機械手的基本組成，為設計焊接機械手做好相應的準備工作。
（2）對焊接機械手進行總體方案設計，包括自由度的確定、驅動機構即電機的選擇、傳動形式的確定、執(zhí)行機構的設計等。
（3）運用solidworks軟件對焊接機械手進行三維實體建模，全部零件建模后虛擬裝配。
（4）基于solidworks軟件“導入工程圖”功能，在AutoCAD軟件中中完成對典型零件和總裝配體的二維圖繪制。
（5）在ADAMS軟件中對簡化的機械手模型進行運動仿真，并在solidworks中完成對主要承載構件的有限元分析。
（6）完成20000字符以上的相關英文資料翻譯。
關鍵詞：四自由度焊接機械手；結構設計；三維建模；運動仿真；有限元分析
ABSTRACT
To do soldering work, people often suffer corrosion, high tempreture ，poisonous gas and some other damages. Labors have to bear high intensity work and it is dangerous for their lives. That is the reason for generation of welding manipulator.The welding manipulator can finish welding missions automatically. On the one hand,it improves labors' working environment. On the other hand, it also keeps a high quality of welding and promotes effeciency. So There is a good development prospect for the welding manipulator.
This thesis consists of five chapters to state the design:
(1) Introduce welding manipulator's definition, general history, current situation and development prospect. Confirm the pratical purpose of designing welding manipulators .Understand its basic parts. Prepare for the design.
(2) Take a general design for the welding manipulator, including freedom level, driving machanism, type of belt drive, actuator and so on.
(3) Build a solid model of welding manipulator by solidworks. Make a virtual assembly after building all elements' model
(4) Based on solidworks software "import engineering drawing " function, done in AutoCAD software for typical parts and assembly of 2 d graph.
(5) In the ADAMS software to motion simulation for a simplified mechanical model in solidworks and complete finite element analysis of the main bearing components.
(6) Complete translating English materrial which is more than 20000 words.
Keywords: Four degrees of freedom of welding manipulator; Structure design; 3 d
modeling; Motion simulation; The finite element analysis
II
80
第1章 緒論
1.1 機械手簡介
機械手是用于實現人手的功能的機械產品。機械手模擬著人手的部分動作，按給定的程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運、焊接、噴涂等各種各樣操作的自動化生產機械電子裝置。而其中，應用在工業(yè)生產中的機械手被稱為工業(yè)機械手。
工業(yè)機械手是一項近代自動控制領域中出現的新技術，并已發(fā)展成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這項新技術發(fā)展很快，已經逐漸發(fā)展成一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到傳感器技術、機械學、電器液壓技術、力學、自動控制技術和計算機技術等多個科學領域，是一項跨學科的綜合技術。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備，也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過給定的程序、軌跡和要求來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性方面。機械手作業(yè)的準確性和在環(huán)境中完成作業(yè)的能力，能有效地影響國民經濟。
有需求才會有發(fā)展，機械手的發(fā)展正是由于它的積極作用日益為人們所接受：其一、它能部分地代替繁重的人工作業(yè)；其二、它能按照生產工藝的要求，根據工程師給定的程序、路徑和要求完成一系列作業(yè)；其三、它的手部末端可以夾持焊槍或者噴槍等完成特殊的加工需要，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現國家工業(yè)生產向機械化和自動化的方向邁進的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力財力來研究和推廣應用。尤其是在粉塵、高壓、噪音、高溫、強光以及帶有放射性和污染的場合，應用更為廣泛。在我國近幾年也有較快發(fā)展，并且取得比較好的成果，得到廣大機械同行的重視。
機械手是一種能自動控制并可重新設定其程序以滿足各種需要的靈活方便的裝置，他一般擁有多個自由度，可以像人手一樣靈活運動，擺出多種位置和姿態(tài)，實現多功能作業(yè)。
1.2 機械手的簡史
現代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現的控制系統(tǒng)和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品而發(fā)展起來的。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成了一臺數控示教再現型機械手，商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，各個臂完成回轉、俯仰動作，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。因為這臺數控示教再現型機械手的出現，不少球坐標式通用機械手都是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。
1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運的。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是世界工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年，美國Unimate公司、麻省理工學院和斯坦福大學聯合研制出了一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配操作，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機械手的可靠性、安全性和精度，改進結構，降低制造成本。如Unimate公司建立了8年的機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機械行業(yè)是從1970年開始使用機械手，主要用于焊接、起重運輸和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教再現方法編制程序。
瑞典安莎公司則采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型的機械手后，日本就大力致力于機械手的設計研究。據報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年，多個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用為42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序的機械手約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。
目前，各個國正在加緊研制第二代機械手。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽覺、思考的能力。并且研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。
而第三代機械手（機器人）則能獨立地完成作業(yè)過程中設定的任務并獨立解決遇到的麻煩。它與電子計算機和電視設備保持聯系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。
隨著工業(yè)機械手（機器人）的研究制造和應用的逐步擴大，國際性學術交流活動也十分的活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多，我國也正在向其中的一員努力。
1.3機械手的組成
機械手是用于實現人手的功能的機械產品。機械手模擬著人手的部分動作，按給定的程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運、焊接、噴涂等各種各樣操作的自動化生產機械電子裝置。
目前國內工業(yè)機械手的種類和型式比較多，但是從結構系統(tǒng)上分析，主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。
其組成及相互關系如下圖：
控制部分
驅動部分
執(zhí)行機構
行程檢測裝置
被傳動物件
手部
圖1-1機械手關系圖
1.3.1 執(zhí)行機構
主要由手部、手腕、受臂和行走機構等運動部件組成。
（1）手部 它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。
夾持式手部是由手指和傳力機構組成。
手指是直接與物件接觸的構件。常用的手指運動型式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手指應用較少，其原因是結構比較復雜，但是平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位（是外廓或是內孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夾式和內撐式；指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。
（2）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。
目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，
反應靈巧，但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。
（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果要改變手部的位置和姿態(tài)（位姿），則可以用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。
手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。
（4） 行走機構 當工業(yè)機械手需要完成比較遠的距離的操作時，可以在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業(yè)機械手的整機運動。我國的正處于仿真階段。
1.3.2 驅動機構
驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。
1.3.3 控制系統(tǒng)及其分類
它是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機械擋塊定位）系統(tǒng)組成。
1.4 機械手的發(fā)展趨勢
(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。
(2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。
(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
(5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。
(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.5機械手的自由度和座標型式
1.5.1 機械手的自由度
自由度是機械手設計的主要參數之一，每一個構件（即運動件）相對固定坐標系所具有的獨立運動的數目稱為自由度。每一個構件相對固定坐標系最多可有六個自由度即沿X、Y、Z三個方向獨立的往復運動和繞X、Y、Z軸的三個獨立的回轉運動。兩個構件組成相對運動的聯接稱為運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條件。因為，組成運動副的各構件的運動是受到約束的，不能任意運動，必須按照人們預定的規(guī)律而運動。分析機械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關系，不外乎是由一組相互聯系著的構件和運動副所組成，這些運動副又可以分為只有一個自由度的回轉副和移動副或有三個自由度的球面副。
所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機、手臂和手腕相對于固定坐標所具有的獨立運動。有幾個獨立運動就有幾個自由度。手指的抓取動作或吸盤的吸放動作一般不記在自由度數目內。
工業(yè)機械手自由度數的多少，決定著工業(yè)機械手動作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對象在空間的位置和方位（即姿勢），需要有六個自由度。但實際上由于有些工件或工具具有對稱性或放置狀態(tài)一定，往往并不需要工業(yè)機械手都具有六個自由度。
工業(yè)機械手的自由度數越多。它的動作越靈活，應用越廣，但同時也使控制系統(tǒng)和機械結構越復雜，定位精度難以保證，整機的造價高，自重大。所以，在設計工業(yè)機械手時，應按照生產實際需要選用最少的自由度數。目前國內外現有的工業(yè)機械手的自由度數目多數為2—5個。
1.5.2 座標型式
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可以分為下列幾種：
（1）直角坐標式 其手臂的運動系由三個直線運動所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移這三種運動。這種座標型式的機械手稱為直角座標式機械手。它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。
（2）圓柱座標式 其手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉運動所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉。這種座標型式的機械手稱為圓柱座標式機械手。它與直角坐標式相比較，占地面積小而活動范圍小，結構簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用較為廣泛，但是由于機械手結構的關系，沿Z軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上擺放的物體。
（3）球座標式 其手臂的運動系由一個直線運動和兩個回轉所組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。這種座標型式的機械手稱為）球座標式機械手。
這種機械手手臂的俯仰運動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應被抓取物件方位的要求，常常設有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機械手手臂具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它使用于沿軸伸縮方向外作業(yè)的傳動形式。但是結構復雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。
（4）關節(jié)式 其機械手的運動類似人的手臂可作幾個方向的轉動，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯動為肘關節(jié)，大臂與立柱之間的聯接為肩關節(jié)，各關節(jié)均由鉸鏈構成以實現轉動，手臂的運動系由三個回轉運動所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉。這種座標型式的機械手稱為關節(jié)式機械手。它的特點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機械手不可比擬的優(yōu)點。但是關節(jié)式機械手的手指定位是由各個關節(jié)相互轉角來決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機械機構比其它型式的機械手均復雜。
機械手座標型式的正確選擇，要通過座標型式方案的比較來確定。在擬定座標型式方案時，又須根據現場具體生產情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結合各種座標型式的特點來分析比較，確定比較合理的座標型。
1.6機械手的展望
目前工業(yè)機械手的應用逐步擴大，技術性能在不斷提高。由于發(fā)展時間較短，人們對它有一個逐步認識的過程，機械手在技術上還有一個逐步完善的過程，其目前的展望為：
（1）擴大機械手在熱加工行業(yè)上應用
目前國內機械手應用在機械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，例如車，銑，刨，磨，鏜，鉆，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應用較少。由于熱加工作業(yè)的物件重、形狀復雜、環(huán)境溫度高等，給機械手的設計、制造帶來了不少的困難，這就需要解決技術上的難點，使機械手更好地為熱加工作業(yè)服務。同時，在其它行業(yè)和工業(yè)部門，也將隨著工業(yè)技術水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。
（2）提高工業(yè)機械手的工作性能
機械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常地應用于生產中。機械手工作性能中的重復定位精度和工作速度兩個指標，是決定機械手能否保質保量地完成操作任務的關鍵因素。因此要解決好機械手的逐個平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應發(fā)展?jié)M足機械手性能要求價廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應用于機械手上。
（3）發(fā)展組合式機械手
從機械手本身的特點來說。可變程序的機械手更適應產品改型、設備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高，專用機械手價廉，但適用范圍又受到限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設計、專門加工，這樣就提高了產品成本。為了適應應用領域分門別類的要求，可將機械手的機構設計成可以組合的型式。組合式機械手是將一些通用部件（如手臂伸縮部件、升降部件、回轉部件和腕部回轉、俯仰部件等）根據作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以機座為基礎進行組合，配上與其相適應的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。它可以簡化結構，兼顧了使用上的專用性和設計上的通用性，便于標準化、系列化設計和組合專業(yè)化生產，有利于提高機械手的質量和降低造價，是一種有發(fā)展前途的機械手。
（4）研制具有“視覺”和“觸覺”的所謂“智能機器人”
對于需用人工進行靈巧操作及需要進行判斷的工作場合，工業(yè)機械手很難替代人的勞動。如在工作過程中出現事故、障礙和情況變化等，機械手不能自動分辨糾正，而只能停機，待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此，人們對機械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能，使之對物體進行判斷、選擇，能連續(xù)調節(jié)以適應變化的條件，并能進行“手—眼”協調動作。這就需要一個能處理大量信息的計算機，要求人與機器“對話”進行信息交流。
這種帶“視覺”、“觸覺”反饋的，由計算機控制的，具有人的部分“智能”的機械裝置稱為“智能機器人”。所謂“智能”是包括：識別、學習、記憶、分析判斷的功能。而識別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”認識對象的。
具有感覺功能的機器人，其工作性能是比較完善的，能準確的夾持任意方位的物件，判斷物件重量，越過障礙物進行工作，自動檢測夾緊力的大小，并且能自動調節(jié)，適用于從事復雜、精密的操作，如裝配作業(yè)（國外研制的裝配機器人，能將活塞裝入間隙僅有20微米的汽缸內），它有著一定的發(fā)展前途。
智能機器人是一種新興的技術，對它的研究將涉及到電子技術、控制論、通訊技術、電視技術、空間機構和仿生機械學等學科。它是當代自動控制技術的一個新興領域。隨著科學技術的發(fā)展，智能機器人將會代替人做更多的工作。
1.7 本章小結
本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，從系統(tǒng)的執(zhí)行機構、驅動機構以及控制部分三個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內容。
第2章 焊接機械手的總體方案設計
2.1方案設計
本章主要討論焊接機械手的總體方案設計。焊接機械手是一種非常典型的機電一體化結構，在進行結構設計時必須將驅動、控制等方面的問題考慮進去，這不同于普通的機械產品設計。相比于普通機械產品，焊接機械手的機械設計更看重于結構的緊湊性和靈巧性方面。本章主體任務是完成焊接機械手的結構方面的設計。在本章中確定了焊接機械手的自由度、驅動機構、傳動機構和執(zhí)行機構等。其中，焊接機械手的驅動機構、執(zhí)行機構、傳動機構設計是本次設計的主要任務。
2.1.1方案要求
該焊接機械手用于船艙、船體的焊縫焊接，采用弧焊的焊接方式。焊接機械手固定在船體底板上，實現由上而下、由左及右和兩者自由組合的焊接動作。要求工作范圍大，焊槍可以靈活轉動，焊縫路徑多樣，結構緊湊，適用于中小船舶船體的焊接。
(1)基本工作要求：
能夠在較長時間進行焊接操作后機械手本身不發(fā)生顯著形變。
(2) 運動要求:
焊接機械手可以由左及右、由上而下并且兩種方向自由組合進行焊接，產生的焊縫路徑多樣。
(3) 剛性要求：
手臂的剛性對手臂焊接工件時動作的平穩(wěn)性會產生直接影響，也會影響到運動的速度和定位的精度。如果剛性差則會引起手臂的形變，手臂產生振動，使焊接路徑比預期路徑發(fā)生不可避免的偏差，為此必須保證手臂具有足夠的剛度。
2.1.2設計方案的確定
（1）自由度：
本次設計的焊接機械手具有4個自由度；
（2）驅動機構的選擇：
焊接機械手的腰部做水平回轉運動，大臂做豎直方向的上下運動，小臂和焊槍夾具做繞傳動軸的俯仰運動，這四個運動都需要驅動裝置。機械手常見的驅動方式有氣動驅動、液壓驅動、電機驅動和機械驅動四種方式，與另外三種驅動方式相比，電機驅動有著顯著的優(yōu)點:
1)具有較高的控制精度，較大的功率，定位精確，反應靈敏，結構性能好，具有較好的伺服特性。
2)伺服電機易于標準化，噪聲較低。
3)適用于中小負載、要求具有較高的軌跡精度和位置精度、速度較高的機械手。
各類電機選擇依據：
表2-1 電機對比
種類
主要特點
應用實例
歩進電機
1.轉角與控制脈沖數成比例，可構成直接數字
控制
2.有定位轉矩（自鎖力）
3.可構成廉價的開環(huán)控制系統(tǒng)
計算機外圍設
備、辦公機械、
以及對速度、精
度要求不高的
中、小功率自動
控制裝置等
直流伺服電機
1.高響應特性
2.高功率密度（體積小、重量輕）
3.可實現高精度數字控制
4.有直接換向部件，需維護
NC 機械、機器
人、計算機外圍
設備、辦公機械、
音響及音像
設備、計測機
械、醫(yī)療機械
交流伺服電機
1.對定子電流的激勵分量和轉矩分量分別控制，調速系統(tǒng)復雜
2.具有直流伺服電動機的全部優(yōu)點，且無換向
部件
3.結構簡單、堅固、容易維護，但控制裝置成本高
功率放大的NC
機械
焊接機械手對于驅動裝置的要求：
1）輸出功率高，效率高。
2）反應靈敏，位置精度高。
3）性價比高，操作簡單，維修方便，噪聲較小。
綜合分析焊接機器人對驅動裝置的要求和各類電機的優(yōu)缺點，選擇交流伺服電機
較為合適。
（3）傳動形式的確定：
工業(yè)機器人對傳動形式的要求：
1）結構緊湊；
2）傳動剛度大；
3）回差要小，較高的位置精度；
4）壽命長、價格低。
工業(yè)機器人傳動分類：
表2-2 傳動形式對比
傳動形式
特征
優(yōu)點
缺點
直接連接傳動
直接裝在關節(jié)上
結構緊湊
考慮電機自重，轉
動慣量大，能耗大
遠距離連接傳動
經遠距離傳動裝
置與關節(jié)相連
不考慮電機自重，
平衡性良好
會產生額外的間隙和柔性，結構龐大能耗大
間接傳動
經速比遠大于1 的
傳動裝置與關節(jié)
相連
經濟，對載荷變化
不敏感，便于制動
詩集和方便運動轉換
傳動精度低，結構
不緊湊，引入誤
差，降低可靠性
直接驅動
不經過中間環(huán)節(jié)
或經速比為1 的傳
動裝置與關節(jié)相
連
傳動精度高，振動
小，傳動損耗小，
可靠性高，響應快
控制系統(tǒng)設計困
難，對傳感元件要
求高，成本高
綜合考慮以上傳動形式的優(yōu)缺點和焊接機械手的實際情況，本次設計的焊接機械手，我將采取絲杠螺母傳動、齒輪帶傳動和行星輪傳動三種傳動方式。
2.2傳動機構設計與分析
下面給出各個傳動機構的設計分析
2.2.1腰部傳動機構
采用一大一小兩個齒輪進行嚙合傳動，其中大齒輪保持完全固定，小齒輪套在小齒輪軸上，而小齒輪軸通過聯軸器與電機軸相連，這樣，電機軸就會帶動小齒輪軸轉動，小齒輪隨之繞大齒輪轉動，類似行星輪的作用。完成整個腰部的回轉作用。
圖2-1機械手腰部傳動機構圖
2.2.2大臂傳動機構
我選擇絲杠螺母傳動方式，保證大臂可以順利得在豎直方向上運動。其中，大臂通過一個連接件與絲杠螺母固定，電機軸與絲杠上端軸用聯軸器連接，這樣，當電機軸旋轉時，絲杠會跟著旋轉，然后帶動絲杠螺母上下運動，大臂也隨之在豎直方向上下運動，完成大臂的傳動。
圖2-2機械手大臂傳動機構圖
2.2.3小臂及焊槍夾具傳動機構
這兩個傳動，我選擇齒輪帶傳動。小齒輪通過鍵與電機軸相連，然后通過齒輪帶和大齒輪相連，這樣，電機軸旋轉，帶動小齒輪旋轉，進而帶動大齒輪旋轉，從而實現小臂及焊槍夾具的俯仰運動。
圖2-3小臂及焊槍夾具傳動機構圖
2.3執(zhí)行機構的設計與分析
下面給出各個執(zhí)行機構的設計分析：
2.3.1 腰部
腰部支撐了機械手絕大部分的執(zhí)行機構和傳動機構，因而剛度和穩(wěn)定性要求較高。
此外，腰部有一對保證大臂豎直運動的導軌。設計之前，先學習參考了機床導軌的相關知識:
（1）按照運動形式劃分：
—圓周運動導軌，如滾齒機的工作臺和立式車床導軌等；
—直線運動導軌，如龍門刨床床身和車床導軌等。
（2）按照運動面間的摩擦性質劃分：
—滑動導軌；
—滾動導軌。
（3）按照導軌的截面形狀劃分：
—三角形導軌，導向性好；
—燕尾形導軌，結構緊湊；
—矩形導軌，剛度高；
—圓形導軌制造方便，但磨損后不易修復。
綜合分析以上三種劃分方法和不同類型的導軌，結合本次設計的焊接機械手的實際情況，我決定選用矩形線運動滑動導軌，剛度高，承載能力強，不易磨損，保證實現大臂的豎直上下運動。
圖2-4 腰部
2.3.2 大臂
大臂相當于一個在腰部導軌上滑動的滑塊，其矩形孔與腰部導軌配合，且通過連接件與絲杠螺母固定完成大臂的豎直上下運動。大臂側面安放電機和機架，構成一個齒輪帶傳動。
圖2-5 大臂
2.3.3 小臂
小臂通過鍵連接與一階梯軸固定，并通過固連在大臂上的齒輪輪帶傳動做俯仰運動。小臂設計出一個凹槽，放置一個交流伺服電機，避免承受過大的彎曲載荷。
圖2-6 小臂
這三個為焊接機械手中典型的執(zhí)行機構，介紹如上。
2.4 整體設計方案示意圖
如下圖，是本課題設計的四自由度焊接機械手總裝圖。
圖2-7焊接機械手總裝配圖
2.5 本章小結
本章完成的主要任務有以下幾點：
（1） 確定了4自由度焊接機械手的整體設計方案；
（2） 運動方式選擇為由上而下、由左及右且兩者隨意組合的方式；
（3） 驅動方式采用四個交流伺服電機驅動；
（4） 采用齒輪帶傳動、中心輪回轉、絲杠螺母傳動三種傳動方式。
第3章 機械手的建模
3.1三維建模軟件Solidworks的介紹
Solidworks公司是專業(yè)從事三維機械設計、工程分析和產品數據管理軟件開發(fā)和營銷的跨國公司，其軟件產品Solidworks提供一系列的三維（3D）設計產品，幫助設計師減少設計時間，增加精確性，提高設計的創(chuàng)新性，并將產品更快推向市場。
Solidworks軟件組成：
（1）2D到3D轉換工具：
將2D工程圖拖到SolidWorks工程圖中的功能；支持包括外部參考的可重復使 用2D幾何；視圖折疊工具，可以從DWG資料產生3D模型。
（2）內置零件分析：
測試零件設計，分析設計的完整性。
（3）機器設計工具：
具有整套熔接結構設計和文件工具，以及完全關聯的鈑金功能。
（4）模具設計工具：
測試塑料射出制模零件的可制造性。
（5）消費產品設計工具：
保持設計中曲率的連續(xù)性，以及產品薄壁的內凹零件，可加速消費性產品的設計。
（6）對現成零組件的線上存?。?
讓3D CAD系統(tǒng)使用者透過市場上領先的線上目錄使用現在的零組件。
（7）模型組態(tài)管理：
在一個文件中產生零件或零組件模型的多個設計變化，簡化設計的重復使用。
（8）零件模型建構
利用伸長、旋轉、薄件特征、進階薄殼、特征復制排列和鉆孔來產生設計。
（9）曲面設計
使用有導引曲線的疊層拉伸和掃出產生復雜曲面、填空鉆孔，拖曳控制點以進行簡單的相切控制。直觀地修剪、延伸、圖化、縫織曲面、縮放和復制排列曲面。
3.2 Solidworks建模
（1）創(chuàng)建零件圖
打開Solidworks→新建，類型選擇“零件”，零件名自己命名，然后設置工作目錄文件夾“四自由度焊接機械手”，然后點擊草繪工具命令，彈出選擇草繪平面對話框，點擊FRONT平面作為草繪平面，使用默認草繪方向。點擊草繪對話框，進入草繪工作狀態(tài)后，開始零件建模。下面展示幾個典型零件的三維圖：
圖3-1 小齒輪軸