緒論1.1研究背景隨著工業(yè)自動化和智能制造的快速發(fā)展，隨著工業(yè)自動化和智能制造的快速發(fā)展，機械手已成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分。機械手被廣泛應用于工業(yè)生產中。點焊時，焊接速度越快，質量越好。手工焊難以保證速度及焊接質量。設計專門的搬運機械手，可以提高生產線自動化水平，保證焊接質量，減少人為因素對手動焊焊縫質量的影響，成為重要課題。搬運機械手可精準抓取、移動和定位工件，提升生產效率和自動化水平。近年來，國內外焊接搬運機械手技術取得了顯著進展，為相關領域的發(fā)展提供了有力支持。點焊搬運機械手，國外大多應用于發(fā)達國家的高級制造廠家，比如美國、日本、德國等，它們均使用高載荷的精密機械手來滿足其高載重和靈活作業(yè)的要求。我國的點焊搬運機械手開始逐步應用到生產線上，需求不斷增加，但總體水平仍然與世界先進水平有一定的差距。早前勞淞等人設計了一款最大載重1.5t，跨度36m的桁架式機械手，經過有限元分析軟件分析驗證了其剛度和強度足夠，大大提高大工件搬運的效率REF_Ref30273\r\h[1]。我國目前用于焊接的機械手大多為中小企業(yè)使用，技術水平仍與國際先進水平有一定的距離。分辨率、精度、復雜作業(yè)仍是我國機械手行業(yè)的瓶頸。詹俊勇、王軍領等人基于需求適應性快速更換，從而提高焊接機械手的生產效率及穩(wěn)定性，為復雜焊接需求提供了思路REF_Ref31877\r\h[2]。焊接機械手不僅是機械結構的改進，也是電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化，以達到更好應用。高心瀾，陳傳志等人采用自適應粒子群優(yōu)化算法，提高焊接機械手的跟蹤精度，使得焊接機械手焊縫的移動順暢，適用于各種復雜工況REF_Ref32066\r\h[3]。企業(yè)在轉型升級過程中，成本和收益的匹配也是一個問題。張靜等人提出，通過優(yōu)化直角坐標系焊接機械手，降低成本，提高柔性，以適應小批量生產?？傊?，點焊機用機械手滿足了需求，也促進了升級，智能制造，自動化焊接REF_Ref1221\r\h[4]。1.2國內外研究現(xiàn)狀機械手是工業(yè)機器人的主要執(zhí)行機構，對于提高制造業(yè)的自動化程度具有重要價值，因此國內外科研院所針對機械手的結構設計進行了一定的研究，以下將從國外和國內兩個方面進行文獻的查閱、分析和凝練。1.2.1國內研究現(xiàn)狀中國制造2025的核心是創(chuàng)新驅動發(fā)展，主線是工業(yè)化和信息化兩化融合，主攻方向是智能制造，最終實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化網絡化智能化，而主攻方向是實現(xiàn)制造業(yè)智能制造REF_Ref3853\r\h[5]。其中，國內部分高校和科研機構在點焊機的關鍵技術研發(fā)方面取得了顯著成果。哈爾濱工業(yè)大學和奇瑞汽車有限股份公司聯(lián)合開發(fā)的“QH-165點焊機器人”如圖1-1，突破了高速、大負載工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)優(yōu)化設計以及高速大負載運動平穩(wěn)性控制等技術難點REF_Ref3915\r\h[6]。圖1-1QH165點焊機器人袁杏、仇一卿等人為解決航天鈦合金零件的焊接要求，設計了自動化電阻點焊系統(tǒng)，為避免焊時工件移位，設計了固定工裝，焊時工件不會移位，保證焊接位置的準確；在焊鉗上設計了可調焊嘴，根據工件尺寸調節(jié)焊嘴的位置，增強焊接設備對產品的適應性。通過仿真分析焊點位置，焊時根據焊點位置進行微調，保證焊點位置的正確；對試片焊縫進行了成形觀測和性能測試，證明該焊接工藝可行，完成了焊接任務REF_Ref18451\r\h[7]。李蕊，李云革等在探討基于深度學習的智能焊接機器人的關鍵技術研究.對深度學習在焊接中的應用、智能焊接技術的發(fā)展趨勢、機器視覺在焊接過程中的應用以及傳統(tǒng)焊接質量控制方法等方面進行了簡單介紹和探討REF_Ref23157\r\h[8]。在此基礎上，保秦臻在研究中指出，保秦臻:工業(yè)機器人焊接是目前工業(yè)機器人應用的主要方向，工業(yè)機器人焊接具有高效、自動化程度高的優(yōu)點.但是焊接質量受到諸多因素的影響.文章總結了工業(yè)機器人焊接影響因素，并對此提出了一些改進措施.分析了未來工業(yè)機器人焊接的發(fā)展趨勢，認為工業(yè)機器人焊接應該朝著進一步提高焊接穩(wěn)定性和智能化方向發(fā)展REF_Ref23624\r\h[9]。王力、喬鳳斌等研究了攪拌摩擦點焊機器人無紙化制造控制平臺。提出了一個用于單臺攪拌摩擦點焊機器人的加工控制方法，基于面向服務的網絡控制架構，實現(xiàn)了對攪拌摩擦點焊機器人遠程集中控制和實時監(jiān)控，方便了焊接過程的程序編寫和控制程序，進一步提高系統(tǒng)的靈活性和易用性REF_Ref24098\r\h[10]。周益鋒對用于沖床的上下料機械手進行了結構設計，重點完成了驅動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的總體方案規(guī)劃，并對機械手的臂部、腕部和腰部結構進行了詳細設計,還設計了對應的控制系統(tǒng)與伺服電氣系統(tǒng),該機械手設計方案滿足預期的使用要求REF_Ref24372\r\h[11]。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外眾多學者對機械手的結構進行了大量的探索，根據需求不斷對機械手進行創(chuàng)新，重點對機械手的靈活性以及承載能力進行了探索，另一些對傳動系統(tǒng)以及驅動方式的研究，對機械手的運行效率以及定位準確性提供合理的保障，為機械手在自動化工業(yè)生產以及服務機器人領域應用奠定良好的基礎。德國庫卡（KUKA）焊接機器人被廣泛應用于汽車、航空等高端領域如圖1-1所示，通過電流控制內核，搭配監(jiān)看系統(tǒng)，及時監(jiān)控焊接情況，從而獲得焊接參數(shù)，提高焊接點的一致性及整體質量REF_Ref32588\r\h[12]。圖1-1KUKA機械手美國林肯電氣（LincolnElectric）在焊接電極的導電性和耐磨性改進方面取得了顯著進展，極大地延長了設備的使用壽命并降低了維護成本。此外，許多發(fā)達國家已經將人工智能技術與點焊設備相結合，通過深度學習算法優(yōu)化焊接參數(shù)，為工業(yè)生產提供更高的效率和更低的能耗REF_Ref32670\r\h[13]。大型液壓機械臂(LHMs)在建筑領域應用廣泛,但傳統(tǒng)的現(xiàn)場人機界面由于復雜障礙物和機器約束帶來的危險,在效率、安全性和易用性等方面存在性能問題。在這項研究中,引入了一個統(tǒng)一的約束速度多面體(CVP)來表示復雜的約束信息,以遵守機器的限制并避免與障礙物發(fā)生碰撞。建立了機器和周圍障礙物的模型,實時計算具有安全裕度的CVPREF_Ref32742\r\h[14]。現(xiàn)有的龍門式船舶焊接機器人機構大多是串聯(lián)機構，存在末端運動慣性大、關節(jié)誤差累積等問題。設計了一種混合結構的船舶焊接機器人。平臺控制機構和回轉機構采用平面并聯(lián)機構的形式,可有效提高執(zhí)行機構的剛度和誤差補償能力。焊槍調節(jié)機構采用串聯(lián)結構，保持了靈活的輸出能力。結合閉環(huán)矢量法、復矢量法和D-H四參數(shù)法建立了焊接驅動器的運動學模型REF_Ref19\r\h[15]。節(jié)能減排和減輕環(huán)境負擔是提升可持續(xù)制造績效的必要條件,不僅要實現(xiàn)工廠能耗的可視化,還必須建立一種機制,將車間生產過程中的生產和實測的能源相關信息反饋到計劃和調度決策中,以提高生產執(zhí)行過程中的能源效率,重點研究物料搬運機械手的任務調度,它產生一個作業(yè)序列,以及機械手的任務調度對整個制造系統(tǒng)的能效和生產率的影響REF_Ref65\r\h[16]。1.3點焊機的應用與發(fā)展趨勢點焊機是電阻焊中利用電極同時加壓和通電，使兩個工件接觸面電阻加熱熔化后再凝固形成永久焊接的一種方法，由加熱、加壓和冷卻三個階段組成。點焊機被廣泛運用到汽車、家電、電子、航空航天等領域。隨著全球制造業(yè)的智能化，點焊機向著高效、智能、節(jié)能、小型化方向發(fā)展。中頻點焊機可瞬間輸出最高20000a的電流，通過plc控制電流、時間和壓力，生產焊點規(guī)律、質量有保證。點焊機通過融合閉環(huán)反饋系統(tǒng)、物聯(lián)網、人工智能，可進行自主參數(shù)修正、路徑規(guī)劃，實現(xiàn)焊點質量把控和優(yōu)化。一臺自動點焊機一分鐘可焊接數(shù)百個焊點，合格率可達99.8%以上。微型點焊設備實現(xiàn)焊點精度達到±0.01mm。趨勢在于：模塊化、多軸聯(lián)動、視覺監(jiān)測、綠色制造，點焊機可匹配多樣生產、綠色生產需要，助力工業(yè)升級。當點焊機實現(xiàn)自動化點焊并且與點焊機專用機械手相結合，就可以實現(xiàn)完全自動化。

1.4主要研究內容本項目通過對國內外機械手的研究，對點焊機專用機械手的工作機理進行了系統(tǒng)的研究，掌握了機械手的運動特征和基本工作機理。通過對操作過程中機械手的運動需求進行分析，確定了機械手的結構構成。在此基礎上，對機器人的傳動機構、執(zhí)行器和傳動裝置進行了詳細的分析，并對各個部件進行了結構設計和參數(shù)計算。針對高效、高精度的搬運需求，來滿足輔助點焊機工件的搬運，并實現(xiàn)多工位、高速率的焊接操作。在此基礎上，要不斷提高機械手的性能，研究其驅動方式和控制方式，以及其plc自動控制系統(tǒng)。參考金東琦等人在《基于s7-1200控制的液壓焊接夾具控制系統(tǒng)設計》一文所設計的控制系統(tǒng)REF_Ref9830\r\h[17]，選擇西門子s7-1200plc進行控制，具有計算速度快，易于擴展的特點，能夠與多種通信協(xié)議兼容，能與伺服驅動器、傳感器、人機界面（HMI）輕松連接，滿足點焊機械手對速度和多軸聯(lián)動控制的要求。

2點焊機專用機械手總體設計此章節(jié)是關于點焊機機械手的結構設計，機械手的基本工作內容是將物料從一個工位輸送到另一個工位，將點焊前的工件準確的對接，然后快速的搬運到廢料盒中，因此在設計機械手結構時需要考慮到機械手的運動原理，所進行的加工工藝，還有機械結構設計的一般規(guī)律，使設計的結構在滿足運動要求的基礎上，具有良好的可加工性，運動穩(wěn)定性2.1點焊機專用機械手的性能指標要求機械手搬運工件質量：mmax橫向行程：500mm，縱向行程：500mm，提升高度：20mm，搬運速度：25mm/s，搬運位置控制精度：0.5mm。2.2點焊機專用機械手原理說明下面結合附圖及具體實施例對項目做進一步詳細說明：如圖2-1所示，一種點焊機專用機械手，包括一設于點焊機橫梁1上的具有抓手2的橫向移動抓臂3及縱向移動抓臂4，沿點焊機橫梁1的設置方向設置有用于與橫向移動抓臂3滑動配合的滾珠絲杠5，在點焊機橫梁1上垂直于點焊機橫梁1設置有用于與縱向移動抓臂4滑動配合的滑道6，所述橫向移動抓臂3及縱向移動抓臂4分別通過橫向驅動氣缸7及縱向驅動氣缸8驅動。所述滑桿5通過滑桿架9與點焊機橫梁1固定連接，在滾珠絲杠5上設置有用于一段固定軸承10。一端由軸承10固定，另一端則是電機11，所述電機11與滑桿5的一端轉動連接。圖2-1結構示意圖2.3功能需求傳統(tǒng)點焊工作中，焊接質量常因人工操作而受到影響，尤其在高強度生產環(huán)境下，焊接速度較慢且質量不穩(wěn)定，長期人工搬運焊接件，容易是工作效率變低，且質量下降，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對高質量焊接的嚴格要求。人工操作中焊接參數(shù)不易精確控制，焊點一致性差，特別是在高精度場景下，存在較高的報廢率，顯著制約了產品質量和生產效率。為了滿足機械手高效作業(yè)要求，機械手要在不同的焊接工位之間進行快速搬運作業(yè)，因此機械手要求具有兩個抓臂，能夠同時搬運兩個的工件，通過獨立的驅動機構，分別驅動兩個夾爪，從而實現(xiàn)兩個工件進行對接，以達到輔助點焊機焊接的要求，通過合理的傳動設計，在滿足負載要求的前提下，機械手移動速度最高可達25mm/s，最大搬運質量不低于20kg，這樣大幅度提高了工件周轉速度，有效負載能力≥20kg，滿足中等重量焊接構件的焊接作業(yè)要求，整體結構如圖2-2所示。圖2-2總體結構三維圖定位精度關系到焊接質量和產品的精度，本方案采用精密滾珠絲桿和伺服電機驅動，搭配高分辨率光柵尺和PID伺服控制補償，重復定位誤差±0.5mm，而一般同類產品為±0.8mm。王衛(wèi)兵，張霽:六軸焊接機械手運動學分析，可以支持重復誤差0.5mm可以滿足精密焊接需求REF_Ref14627\r\h[18]?；瑮U的布局和滑動方式，對于橫向抓取運動來說至關重要。滑桿采用滾珠絲杠和伺服電機設計，有利于發(fā)揮高精度、高效率、高響應性的特點。滾珠絲杠傳動，具有傳動精度高、摩擦小、壽命長等特點，可以實現(xiàn)嚴格的線性位移運動，伺服電機通過閉環(huán)控制，可以方便的實現(xiàn)對位置、速度、加速度的嚴格控制。這樣結合，可以使整體系統(tǒng)控制精度和動態(tài)性能高，且具有良好的節(jié)能性和穩(wěn)定性?；瑮U總長740mm，移動距離500mm，滑塊在橫梁上有兩組，每組兩個，共四個滑塊放著。這樣可以增大支撐面積，避免單點受力壓力過大的問題。橫向抓臂與固定抓臂結構如圖2-3、圖2-4所示。圖2-3橫向抓臂與固定抓臂尺寸圖圖2-4橫向抓臂與固定抓臂結構圖

3驅動與傳動方案的選擇3.1驅動系統(tǒng)選擇驅動系統(tǒng)是機械手的驅動部分，其性能直接影響到機械手的運動性能(如速度、精度)和可靠性。機械手的運動速度、精度要求以及點焊機工況的改善，對驅動方式提出了新的要求。點焊機機械手的驅動方式有電動、液壓、氣動等方式，根據本機械手的結構特點、工況條件及經濟性等綜合因素考慮，本機械手驅動方式選擇電機驅動，見表3-1。表3-1三種驅動方式的特點對比內容驅動方式電機驅動氣動驅動液壓驅動輸出功率較大大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達Pa很大，壓力范圍為50～140Pa控制性能具有較高的控制精度和輸出功率，能方便地實現(xiàn)位置控制，易于獲得快速響應特性，適用于高速、高精度的連續(xù)軌跡控制要求的場合。伺服系統(tǒng)性能穩(wěn)定，而系統(tǒng)整體的調試難度也較大。低速時不易穩(wěn)定。阻尼作用小，振動較大，不能滿足高速，高精度的連續(xù)軌跡控制要求，應用范圍小?？刂凭容^好，其輸出力大，無級調速，可實現(xiàn)平穩(wěn)的連續(xù)軌跡控制，控制速度和位置要求較高。響應速度很高較高很高結構性能及體積伺服電動機結構緊湊，噪聲低，容易實現(xiàn)標準化。一般需要配減速裝置，除了DD電動機外，大多數(shù)不能直接驅動。由于沒有密封問題，使用也較方便結構設計合理，執(zhí)行機構可以標準化，也能模擬運行，便于實現(xiàn)直接驅動。它的功率和重量比大，體積小，結構緊湊，密封問題也比較少。結構合理，執(zhí)行機構可以標準化和模擬運行，能直接驅動。功率與重量比大，體積小，結構緊湊，但密封問題較明顯。安全性設備本身沒有爆炸和起火的危險，但直流有刷電動機換向時會產生火花，防爆性能較弱。防爆性能較好，但當壓力超過1000kPa（即10個大氣壓）時，需要注意設備的抗壓能力。防爆性能一般，液壓油作為傳動介質，在某些情況下可能引發(fā)火災。對環(huán)境的影響無排氣時有噪聲液壓系統(tǒng)容易漏油，可能會污染環(huán)境。在工業(yè)機器人中應用范圍適用于中小負載、需要較高定位精度和運行精度、速度較快的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人和裝配機器人適用于中小負載、精度要求不高的點位控制型機器人，如沖壓機器人的氣動平衡裝置和裝配機器人的氣動夾具。適合重載、低速運行的場合，電液伺服系統(tǒng)常用于噴涂機器人、點焊機器人和搬運機器人。成本成本高成本低液壓元件成本較高維修及使用較復雜方便方便，但液壓油對環(huán)境溫度有一定要求。由于本設計中點焊機專用機械手對位置控制精度要求較高，因此未考慮采用氣動或液壓傳動方式。這是因為這兩種方式在運動過程中難以實現(xiàn)精確定位，且整體設備較為笨重，造價偏高，無法滿足本設計的實際需求。3.2傳動系統(tǒng)的選型3.2.1傳動方案的比較表3-2傳動方案比較說明傳動方案優(yōu)點缺點絲杠傳動普通梯形絲杠：承載力大，可實現(xiàn)自鎖普通梯形絲杠：傳動效率低，回程精度差，螺紋面之間容易產生磨損，使用時間長了傳動精度會下降，水平放置使用時跨度過長會導致絲桿彎曲變形，不適用于長距離水平傳動，而且使用時噪聲比較大滾珠絲杠：傳動效率高，承載力大，精度高，噪聲小，可實現(xiàn)高速往返移動滾珠絲杠：不能自鎖，水平放置使用時跨度過長會導致絲桿彎曲變形，不適用于長距離水平傳動，生產成本較高F同步帶傳動承載力大，傳動精度高，短距離傳動速度快，噪聲小，對傳動過程中產生的沖擊具有緩沖作用傳動距離不能過長，傳動距離過長容易導致同步帶產生彈性變形和振動，從而影響傳動精度，過載能力較弱齒輪齒條傳動能承受較大負載，傳動精度高，速度快，適合長距離傳動。加工精度和安裝精度要求較高，高負載時齒面磨損較大，噪聲大同步帶傳動具備良好的傳動精度和較高的運行速度，適用于短距離傳動，但在長距離應用中容易出現(xiàn)皮帶彈性形變及振動，進而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；齒輪齒條傳動精度高，傳動速度快，且能夠實現(xiàn)長距離傳動，造價成本適中但長時間使用容易造成齒面磨損，噪聲大；絲杠傳動具有高效率傳動，傳動精度高等特點，但其造價成本高，且不適于水平長距離傳動；梯形絲杠傳動傳動效率低，回程精度差，螺紋面之間容易產生磨損。綜上所述，結合本課題中傳動系統(tǒng)的實際工況要求，即在水平方向上實現(xiàn)中短距離、高精度、輕負載的平穩(wěn)運動，最終選擇滾珠絲杠作為執(zhí)行機構的傳動方式。該方案在滿足運動精度和重復定位要求的同時，具備良好的傳動剛性與穩(wěn)定性，能夠有效提升機械手運行的可靠性和作業(yè)效率，如表3-2所示。3.2.2X軸傳動結構設計點焊機專用機械手的x軸傳動系是機械手的關鍵部件之一，是機械手沿水平面運動的部件。x軸傳動系統(tǒng)主要由絲杠和直線導軌兩部分組成。由絲杠和驅動電機構成的驅動機構傳遞運動和動力，使機械手沿x軸方向直線運動，而直線導軌則為機械手的運動提供了精確的導向，保證機械手運動過程中的精確和穩(wěn)定。絲杠的旋轉運動經螺母轉換為直線運動，驅動機械手沿x軸方向作直線運動。絲杠傳動具有傳動效率高、摩擦損失小、剛性好的優(yōu)點，直線導軌為機械手運動提供了低摩擦支持和高負載支持，使機械手運行時保持穩(wěn)定和精確。絲杠是x軸傳動系統(tǒng)中的關鍵部件，其性能決定了機械手傳動的精確度和承載能力。點焊機專用機械手選擇什么樣的絲杠才能滿足其運動要求呢？根據點焊機專用機械手的要求，合理選擇絲杠的規(guī)格和傳動方式顯得尤為重要。根據傳動負載和精度要求，本設計選擇使用滾珠絲杠。與傳統(tǒng)的梯形絲杠相比，滾珠絲杠具有摩擦系數(shù)低、傳動效率高和定位精度高的優(yōu)點，適用于對精度要求較高的場合，如圖3-1、3-2所示。圖3-1X軸傳動結構二維圖圖3-2X軸傳動結構三維圖3.2.3Y軸傳動結構設計點焊作業(yè)中，X軸通常以兩個物件銜接為核心，通過兩側對稱布置的滑塊與直線導軌副固定于Y軸平臺上。Y軸平臺通過絲杠驅動沿縱向實現(xiàn)整套X軸及其承載裝置的直線移動，構成“X隨Y動”的串聯(lián)結構。這種結構的優(yōu)點在于可擴展Y軸工作行程而不影響X軸剛度分布，同時便于焊接作業(yè)區(qū)域的整體覆蓋。由于X軸的所有負載均由Y軸承載，其自重、物件重量、傳動部件質量等在Y軸設計中需作為集中質量處理。而在X軸自身運動過程中，其隨Y軸的慣性效應將疊加成為動態(tài)擾動源，需在X軸結構設計時給予合理補償，如圖3-3、3-4所示。圖3-3Y軸傳動結構結構圖圖3-4Y軸傳動結構三維圖

4點焊機專用機械手主要結構設計計算4.1滾珠絲杠的選型與計算4.1.1滾珠絲杠副的計算根據電機的額定轉速和X向滑板的最大速度，確定絲杠的導程。初選X向運動的驅動電機選擇雷賽智能公司的高壓伺服電機ACM11015M2F-71-B，電機最高轉速為4000rpm。電機直接連接滾珠絲杠，傳動比為1。X方向最大速度為25mm/s（即1500mm/min），由此可計算出絲杠導程為：實際取P?滾動導軌在承重時最大滑動摩擦系數(shù)為0.004，靜摩擦系數(shù)相差不大，計算時取0.006，因此導軌的靜摩擦力為：式中：M??f??因為該機構主要用于搬運物件，絲杠工作時沒有切削力，運動接近勻速，所以阻力主要來自導軌和滑塊的摩擦力，可得：滾珠絲杠副的當量載荷：滾珠絲杠副的當量轉速：4.1.2按滾珠絲杠副的預期工作時間計算：式中：——當量轉速，——預期工作時間，測試機床選擇15000小時——負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇——精度系數(shù)，2級精度選擇——可靠性系數(shù)，一般選擇按滾珠絲杠副的預期運行距離計算：式中：——預期運行距離，一般選擇按滾珠絲杠副的預加最大軸向負載計算：式中：Je——F估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量m （4-1）向運動的重復定位精度要求為0.005mm，則估計算滾珠絲杠副的螺紋底X根據X方向的運動行程為500mm，可計算出兩個固定支撐之間的最大距離：按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X： （4-2）式中：F0——L——滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，則有4.1.3滾珠絲杠的選定按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內循環(huán)雙螺母式滾珠絲桿，型號為FYND63104，精度等級2級。絲桿基本導程P?=10mm，絲杠底Xdm圖4-1滾珠絲杠尺寸圖4.2電機的選型與計算4.2.1電機的計算初選條件：選擇伺服電機驅動，選擇雷賽公司的高壓伺服電機ACM11015M2F-71-B，其功率：1.5KW,電機慣量，額定轉矩：5N·m,如圖4-2所示。X向運動工件及工作臺質量估計最大值約25Kg。絲桿部分的轉動慣量：外部負荷的負荷轉動慣量：則有：加在電機上的轉動慣量：外部負荷產生的摩擦扭矩：式中：P?——未預緊的滾珠絲桿副的效率（2級精度）F——預緊力產生的摩擦扭矩：式中：FP支承軸承產生的摩擦扭矩：選擇HRC軸承，型號：7603050TN，查軸承樣本可得摩擦力矩：加速度產生的負荷扭矩：根據設計要求可知：X向工作臺運動速度為v=25mm/s2，對應電機轉速n2當電機轉速從n1=0升至電機總扭矩：所選擇電機額定扭矩為5N.m，大于計算電機總扭矩3倍以上。所選擇電機扭矩符合要求。圖4-2伺服電機三維圖4.3直線導軌的選型與計算直線導軌承受負載25kg，伺服電機功率1500W,額定轉速3000rpm，最大轉速4500rpm，絲桿軸的外徑39mm，導程10mm，行程960mm，伺服電機加速時間1.25s，滑塊連接板200mm。計算滑塊承受的總負載能力；考慮極限情況，取V=0.05m/s計算負載的翻滾力矩物件重心到滑塊重心點的距離R=300mm負載承受的翻滾力矩兩個滑塊之間的距離取200mm，L=100mm單個滑塊承受作用力，查閱文獻可知：HGH15CA的基本動額定載荷在114.7KN>1.875N,可以看出單個滑塊實際能承受的作用力是比較大的，所以選擇HGH15CA系列直線導軌，如圖4-3所示。圖4-3直線導軌結構圖4.4末端執(zhí)行器的設計計算4.4.1夾緊氣缸的計算與選定末端執(zhí)行器是點焊機上的專用搬運機械手的關鍵零件。它的作用就是夾住、搬動和放下焊接工件，讓它們在各個位置都能被準確地點焊到位。設計末端執(zhí)行器時，要考慮機械性能、工作負載大小、運動精確度以及選好材料。同時，安全性也很重要。下面是末端執(zhí)行器的設計計算步驟。確定其工作環(huán)境和要求，明確負載能力、精度等參數(shù)。以下是夾緊氣缸的主要尺寸的確定(1)氣缸工作壓力的確定一般氣缸工作壓力取0.4～0.6，可取氣缸工作壓力P=0.4MP表4-1氣壓負載常用的工作壓力負載F/N～～～～～～～(2)氣缸內徑D和活塞桿直徑d的確定可由下式推算出氣壓內徑D: （4-3）預設活塞桿直徑,氣缸工作壓力，根據機械設計手冊氣壓傳動分冊P22-125,選取氣壓缸內徑為：D=32mm?？梢缘贸龌钊麠U內徑為：選取d=12mm(3)缸筒壁厚和外徑的設計氣缸在作業(yè)過程中，直接承受壓縮空氣產內的內壓力作用，因此要求缸筒應該有足夠的厚庋保證其強度安全，若缸筒壁度過厚將會造成過重的浪費。為了保證強度安全，其壁度應控制在缸筒內徑的十份之一內。為了在保證安全的前提下，使結構重量盡量減輕，其壁度按薄壁筒公式計算:式中: （4-4）——缸筒壁厚（mm）——氣缸內徑（mm）——氣缸試驗壓力，一般取——氣缸工作壓力（pa）——缸筒材料許用應力（pa）本設計夾緊氣缸缸筒材料采用為：鋁合金ZL1060,[δ=3mm根據缸筒壁厚和行程對夾緊氣缸選型，其性能參數(shù)如表4-2所示，為確保穩(wěn)定性，選用AIRTAC的SC50×100的標準氣缸，如圖4-4,、4-5所示。圖4-4氣缸結構圖圖4-5氣缸實體圖產品特點：1、亞德客ISO6430標準氣缸；2、這是拉桿式氣缸，前后蓋通過支柱與鋁管缸體連接，結構可靠；3、相比ISO15552標準氣缸，SC系列在相同缸徑下長度更短；4、氣缸緩沖調節(jié)平穩(wěn)；5、氣缸及其附件規(guī)格齊全，便于選用；6、使用耐高溫密封材料后，氣缸可在150℃下正常運行。表4-2夾緊氣缸性能參數(shù)內徑（mm）32動作形式空氣[經40μm以上濾網過濾)固定型式SC基本型FAFBCACBLBTCTCM1使用壓力范圍0.15~1.0MPa(22~145psi(1.5~10.0bar)保證耐壓力1.5MPa(215psi)(15bar)工作溫度℃-20~70使用速度范圍mm/s30~800行程公差范圍0~250+1.0緩沖型式可調緩沖緩沖行程214.4.2夾爪的計算夾爪在夾持工件過程中，不僅要克服工件自身重力，還需應對由機械手加速運動產生的慣性力，同時考慮夾持過程的安全性，需引入安全系數(shù)。故夾持力F夾 （4-5）其中：F夾：Ksm：工件質量，取20kgg：重力加速度，a：機械手最大移動加速度，取μ：氣爪與工件之間的摩擦系數(shù)，取0.3n：氣爪數(shù)量，取2將已知參數(shù)代入公式：根據上述計算結果，并結合使用氣源壓力為0.6MPa的工作條件，本設計選用Airtac的HFT50×60S型號的氣動平行氣爪。在0.6MPa工作壓力下的最大夾持力約為920N實際夾持力高于所需的7687N，具備足夠的安全裕度，且結構緊湊、響應迅速，滿足本機械手的安裝空間與動作要求，如圖4-6、4-7所示。圖4-6HFT50×60S夾爪結構圖圖4-7HFT50×60S實體夾爪5其他零部件的設計完成點焊機機械手主體結構及主要傳動系統(tǒng)的設計以后，為保證整個裝置的結構整體性和作業(yè)穩(wěn)定性，某些輔助構件也應進行合理的工作設計。參見本書第章。本章僅對其中的支撐件以及可以通過控制系統(tǒng)可以完可以閉環(huán)控制分析與設計。這些零件雖然不直接參加主要傳動和執(zhí)行過程，但它對結構裝配保證結構精度、載荷傳遞和安全防護保證等方面起著重要的作用。通過對這些零件的功能要求、受力情況和加工方法的考慮，達到對整體系統(tǒng)的完善。5.1機架的設計機架設計要以保證剛度、強度和穩(wěn)定性為重點。常見的有鑄造機架和焊接機架兩種。與鑄造結構相比，焊接結構強度和剛度更高，重量更輕，制造周期短，施工也更方便。為增強點焊機專用機械手的機架支撐強度，并使整個系統(tǒng)布局更加緊湊，且為了方便設計，需要強度剛度大機架部 下面是鑄造機架和焊接機架的對比如表5-1所示。

表5-1機架的對比鑄造機架焊接機架重量較重鋼板焊件比鑄件輕30%生產周期周期長，資金周轉慢生產周期短價格價廉價格較高設計條件鑄件壁厚不能相差過大，只能用開口結構設計靈活，壁厚可以相差較大強度，剛度，抗振性剛度強度較低，阻尼大強度剛度大，抗振性差用途大批量生產單件小批圖5-1機架前視尺寸圖圖5-2機架俯視尺寸圖圖5-3機架結構圖5.2控制系統(tǒng)的設計PLC控制系統(tǒng)以多軸運動控制為核心，采用模塊化思想，各X,Y等運動軸以及各執(zhí)行單元與PLC主站相連，通過高速計數(shù)器模塊、模擬量輸入模塊等采集焊接過程中的焊鉗位置、速度、電流等信號參與焊鉗運動控制。系統(tǒng)內部采用閉環(huán)反饋控制規(guī)律，對各軸的伺服電機位置進行周期性采樣，并根據目標位置信號和實際反饋位置信號之間的誤差，實時調整輸出控制量。一般采用比例-積分-微分控制律或者變結構控制規(guī)律，這樣焊接機械手的運動速度快或負載變化快時，機械手依然具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性及軌跡跟蹤精度。X,Y軸移動均采用伺服電機驅動，建議選擇轉速調節(jié)比≥1∶50的電機，控制器主頻≥800MHz，保證信號處理能力。系統(tǒng)應具有智能散熱、過熱保護，以及高能制動模塊等，提高系統(tǒng)運行可靠性。這里推薦采用西門子S7-1200PLC，結合電機驅動+電動伺服模塊，實現(xiàn)高精度運動控制，如圖5-2所示。圖5-2西門子S7-1200此外，為了方便調試和使用，以及增強系統(tǒng)的靈活性和親和力，該控制系統(tǒng)配置了觸摸屏人機界面(HMI)，操作人員可以通過HMI方便地進行調試、參數(shù)設置、點動、選擇程序和故障診斷、觀察運行狀態(tài)等。PLC支持IO信號冗余，內部自帶多種安全保護功能如:急停聯(lián)鎖、行程限位、過載報警等，以保證機械手在閉環(huán)運行過程中的穩(wěn)定性和安全性。整個控制系統(tǒng)不僅具備一般的閉環(huán)運動控制功能，還為點焊機機械手后期智能化升級、多工位擴展預留了可編程接口和通訊端口(MODBUS、EtherCAT)，系統(tǒng)開放性好，易與工程應用。

6關鍵零部件的三維建模與有限元結構分析三維建模在機械設計里特別重要。它能幫我們做有限元分析，還能準確展現(xiàn)結構在空間里的樣子，讓零部件的性能和設計都更好。點焊機專用機械手的主要功能和結構特點，我們進行了研究。在三維建模時用了現(xiàn)在很流行的計算機輔助設計軟件，使用SolidWorks。下面是主要零件三維建模的簡單介紹。我們會創(chuàng)建基礎形狀，比如立方體、圓柱體這些幾何圖形。然后，對這些基本形狀進行細節(jié)調整，像修改尺寸大小或者切割出需要的部分來匹配設計需求。接下來是添加特征步驟，例如鉆孔或倒角處理來增加功能性細節(jié)。6.1主要零部件的三維建模機械手的主要部件有橫梁架、抓取臂的運動軌道、負載抓取臂，還有滑桿系統(tǒng)、末端執(zhí)行器以及連接軸承等。對每個零部件，要清楚它的幾何形狀、尺寸大小、材料特性和功能需求。然后按照設計方案來做三維建模。例如，橫梁架用了45鋼。尺寸是長1700mm、寬1100mm、高1000mm，這樣能確保它承受得住機械手最大負載的20kg重量要求。形狀上主要是冷彎方形鋼設計，保證結構有足夠的抗彎剛度。建模時根據選用的氣動夾爪型號（如HFT50×60S）查閱產品樣本，獲取缸體、夾指、導向槽、安裝孔等主要尺寸參數(shù)。通過拉伸、旋轉、陣列、切除等基本建模命令，依次建立夾爪主體、氣缸部分、活動夾指及安裝結構，如圖6-1所示。圖6-1夾爪的結構示意圖機械手移動部分建模時，設計參數(shù)是這樣的：長度740mm，里面有滑塊機構可調抓取寬度。滑塊機構靠滾珠絲杠來驅動，選用的螺桿直徑是40毫米。做三維建模時，要精確畫出滑塊和臂體的結合面，保證運動軌跡很平滑。?；瑮U系統(tǒng)是機械手的重要傳動部件。建模時，主要看的是三部分：滑桿條本體、滑塊和導軌。滾珠絲杠尺寸是直徑40mm，長度740mm。它用的是GCr15合金鋼材料做的，這種材料耐磨、強度高?；瑝K和導軌間的匹配間隙設為0.1mm，滿足高精度定位要求。在三維建模軟件里，我們用精確特征繪圖來做組件的細節(jié)。比如滑塊牙嵌結構的微小卡槽都能畫出來，這樣裝配模型時就能嚴絲合縫地扣上，如圖6-2所示。圖6-2滑桿系統(tǒng)三維零件圖總的來說，我們用科學的設計理論和三維建模技術來詳細描述點焊機搬運機械手的主要零件。這樣做既給后面的仿真分析打下了堅實的基礎模型，也給實際生產提供了關鍵技術參考。6.2關鍵零部件的有限元分析為確保點焊機專用機械手在實際運行過程中具備良好的結構強度與剛度，需對其關鍵承載部件進行有限元分析。本節(jié)采用SolidWorksSimulation模塊對機械手中夾爪進行靜力學有限元分析。分析過程中，依據實際工況施加載荷和約束條件，對模型進行網格劃分，并求解其在最大負載作用下的位移和應力分布情況。設置材料屬性，有限元仿真的結果就能真實反映實際的力學性能。設計中，點焊機專用機械手的關鍵部件用的是合金鋼，如圖6-3所示。圖6-3材料屬性選擇接下來，網格劃分是前處理里最關鍵的一步。它關乎計算的精確度和所需時間。本設計里，為了兼顧計算精度和效率，關鍵零部件的網格劃分用了優(yōu)先區(qū)域和普通區(qū)域結合的方式，如圖6-4所示。圖6-4網格劃分圖設置運行有限元模型，正確的約束條件和邊界條件是模型前處理的重要一環(huán)。這次仿真里，我們按真實工作情況來，模擬抓取時的力度，這個力的大小是647N，方向直接對著夾持中心。根據有限元分析，所生成的圖顏色小于屈服力，該夾手的夾板符合應力應用，如圖6-5所示。圖6-5應力分析圖

7結論與展望7.1結論設計并研究了一種點焊機的搬運機械手，點焊是焊接生產中的一種重要焊接方法，廣泛應用于汽車工業(yè)和家用電器等行業(yè)，點焊機的搬運機械手是實現(xiàn)上述生產過程自動化的重要設備。本機械手根據點焊工藝要求以及自動化生產需要，由雙臂抓取系統(tǒng)、傳動機構、末端執(zhí)行器、行程調節(jié)裝置等幾部分組成。其總體結構具有模塊化的特點，為以后的推廣應用提供了便利。機械手的運行依靠驅動系統(tǒng)，運動包括橫向運動和縱向運動，橫向運動行程500mm，縱向運動行程500mm，具有運行穩(wěn)定，重復定位誤差在+0.5mm以內的特點。雙臂抓取系統(tǒng)是機械手的重要組成部分，合理確定雙臂抓取系統(tǒng)的參數(shù)，對滿足點焊工藝要求至關重要。經過理論計算和參數(shù)優(yōu)化，采用龍門式架構，實現(xiàn)了負載能力最大提起20公斤和運動靈活之間的平衡，同時，降低了傳動和滑動摩擦損耗，提高了機械手的使用壽命。行程調節(jié)裝置的加裝，使點焊操作可以方便的在幾個工位之間切換，提高了機械手的工作效率。綜上所述，設計的點焊機的搬運機械手，結構剛性好，定位精度高，動態(tài)性能好，能耗低，滿足工業(yè)生產的需求，為焊接搬運的自動化程度的提高提供了良好的借鑒，為今后研究柔性制造，多任務之間的協(xié)同控制提供了思路。7.2展望該設計在總體設計上和基本功能上都有一定的創(chuàng)新，但整體還不夠完善。后續(xù)工作可以在上述設計的基礎上，應用先進的智能控制方法，如機器視覺系統(tǒng)和人工智能方法等，實現(xiàn)工件的自動識別和定位，以提高機械手的自動化作業(yè)水平和智能化程度。為了提高系統(tǒng)的柔性化和通用化水平，還可以對機械手的末端夾持部分進行模塊化設計，以適用不同尺寸、形狀、材質的工件夾持要求，以滿足多品種、小批量生產的要求。甚至可以增加多自由度機構，以提高機械手操作的靈活性及適應復雜環(huán)境的能力。在結構性能方面，可以采用材料輕量化設計和拓撲優(yōu)化方法對主要受力構件進行輕量和強化的處理，以達到降低能耗、提高響應速度和動態(tài)穩(wěn)定性