毕业论文-焊接机器人小臂结构及电控系统设计

焊接机器人小臂结构及电控系统设计 I摘 要 本文主要介绍了焊接机器人小臂以及腕部的机械结构设计， 根据小臂的三个关节的具体外形尺寸和技术要求，对每个关节分别进行设计。其主要内容包括：电机的选择、直齿圆锥齿轮的几何参数设计、链的选择以及链轮的设计、谐波齿轮传动的设计和对交流伺服电机结构维护。另外，本文还简要介绍了机器人用的交流伺服电机的控制系统。 本篇论文主要是设计小臂腕部机构及控制系统满足自动化生产的需要。以减轻工人的体力劳动强度；特别在成批生产的单位具有更重要的意义；提高工厂自动化的程度。 目前机器人技术已成为世界各发达国家竞相发展的高技术，其发展水平已成为衡量一个国家技术发展程度的重要标志之一。机器人技术研究、制造和应用的水平从一个侧面表征了国家的科技水平和经济实力,因而受到了各国的重视。 关键词 ：焊接机器人，小臂，腕部，谐波减速器，交流伺服电机 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 IIAbstract In this paper, the welding robot arm and wrist of the mechanical structure design are main introduced. According to the three joint arm specific dimensions and technical requirements, each joint were designed for. The main contents include: motor choice, straight bevel gear geometry parameters of the design, the choice of chain and sprocket design, the design of harmonic gear drive and maintenance of the structure of AC servo motor. In addition, the article also briefly describes the exchange of robot servo motor control system. This thesis mainly is to design the small arm, wrist organization and the control system satisfy the demand of automate the production. With ease the workers manual labor strength; Especially , it has the more important meaning at the unit of criticize the production; Raise the degree of the factory automation. Currently the robot technique has become the high technique that each flourishing nation in world develops competitively, the level of development has become one of the important markings that measure a national technique development degree. The robot technique research, manufacturing and applied levels are from a side token the level of the science and technology and economic powers of the nation, as a result it was subjected to the value of all countries. Key wards: welding robot, arm, wrist, harmonic reducer , AC servo motor 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 III目 录 第一章 前 言 .1 1.1 焊接机器人概述 .1 1.2 焊接机器人的发展和应用现状 .2 1.3 焊接机器人研究意义 .2 1.4 国内焊接机器人的发展与展望 .5 1.5 课题主要研究的内容 .6 1.5.1 研究 的基本内容，拟解决的主要问题 .6 1.5.2 研 究步骤和方法 . .6 第二章 焊接机器人结构设计 .7 2.1 总体设计方案 .7 2.1.1 小 臂总体方案设计 . 7 2.1.2 腕 部总体方案设计 . 7 2.2 焊接机器人小臂腕关节工作原理及结构 .8 2.3 电机的选择 .9 2.3.1 交流伺服电机的基本常识 .9 2.4 直齿圆锥齿轮设计 .14 2.4.1 传 动比的计算 . .14 2.4.2 渐开 线直齿圆锥齿轮几何设计 .14 2.5 链的选择及链轮设计 .15 2.5.1 链 传动的特点 . .15 2.5.2 传 动链的分类 . .16 2.6 轴承选择 .17 2.6.1 轴承构造 . .17 2.6.2 轴承作用 . .17 2.6.3 滚动 轴承类型选择 .1 8 2.7 谐波减速器设计 .20 2.7.1 谐波减速器概述 .20 2.7.2 谐波传动原理 .21 2.7.3 谐波 齿轮传动的特点.2 3 2.7.4 谐波 减速器产品系列及结构的特点 .24 2.7.5 谐波 减速器的选择 .2 5 2.7.6 谐波 减速器的安装使用与维护 .26 2.8 小臂腕部结构设计中的必要强度校核 .27 2.8.1 圆锥 齿轮强度校核 .2 7 2.8.2 主动 链轮轴的强度校核 .29 2.8.3 从动 链轮轴强度校核.3 2 2.8.4 小臂 回转关节传动轴校核 .34 第三章 交流伺服电机系统 .35 3.1 伺服技术的发展 .35 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 IV3.2 交流伺服电机的结构特点及工作原理 .37 第四章 电机的维护 .39 4.1 交流伺服系统的维护 .39 4.2 日常巡检工作 .39 4.3 例行维护检查 .40 4.3.1 受潮处理 . .40 4.3.2 绕组 表面灰尘的消除与清洗 .41 4.3.3 根据 绕组烧坏特征分析故障原因 .41 4.3.4 以声 音判断电动机的故障隐患 .42 第五章 经济性分析 .43 参考文献 .44 致 谢 .45 声 明 .46 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 1第一章 前 言 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高， 机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、 建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。 此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Ma nipulator），具有三 个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末端轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。 1.1 焊接机器人概述 焊接机器人是在工业机器人的基础上发展起来的先进焊接设备， 由焊接专机开始，逐步到焊接机器人工作站，直至目前的焊接柔性生产线。进入八十年代后，结构的下料、制件工艺逐步实现了数控化，提高了结构件的制件质量。因而，国际上已经越来越广泛的采用焊接机器人系统代替人工焊接。焊接机器人生产的柔性、焊接工艺的优化性，对劳动强度和工作进程的改善，对产品质量的提高，以及缩短工作时间，提高工作效率和降低劳动成本，已逐步被人们所认识和接受。在国外，焊接机器人不仅为大型企业所重视， 也不断受到中小型企业的欢迎。 美国的卡特彼勒、瑞典的沃尔沃，德国的利勃海尔、宝马格公司均大量使用了焊接柔性生产线，而日本的雅马哈、本田、铃木等摩托车几乎全部采用焊接机器人生产主要结构件。在焊接生产领域中，应用焊接机器人已成为国家焊接技术和焊接自动化水平的重要标志。 随着焊接机器人工作站的使用， 促进了焊前各工序工艺水平的提高和工序质量控制，推动了产品设计和工艺的改进，提高了人们的质量意识，使结构件的制造质量总体水平得到了较大的提高，为主机产品更好的参与国际、国内的市场竞争提供了保证。焊接机器人的优点已被大家认识和接受，随着人员素质及管理水平的日益焊接机器人小臂结构及电控系统设计 2提高，组织机构的不断优化，焊接机器人的应用前景应更加广阔。随着焊接机器人的全面使用，将进一步推动企业的技术进步【1】。 焊接机器人从20世纪80年代发展至今， 在技术性能和功能品质上经历了不断的发展和进步，动作精度、灵活性、结构的纤细比、活动范围、焊接电缆和焊枪的结构形式、手臂结构等都有了很大的改进，焊接功能也更加丰富，满足了越来越多的应用需求【2】。 1.2 焊接机器人的发展和应用现状 焊接生产中，利用先进的装备和技术来提高产品质量和效率、降低成本，提高市场竞争力是社会和经济发展的必然趋势。焊接机器人由于具有生产过程自动化、劳动强度小、生产效率高，产品焊接质量稳定，可持续作业等特点，在工程机械个工业系统中得到了广泛应用。目前，全世界50%左右的机器人应用于焊接生产中，并逐渐从汽车工业拓展到桥梁、钢构、工程机械等领域。 我国工程机械行业应用焊接机器人较晚，目前处于引进消化阶段。为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，国际机器人界都在加大科研力度，对机器人技术进行深入研究。从机器人技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向【3-4】。 1.3 焊接机器人研究意义 当人类进入新的 21 世纪时，除了致力于自身的发展外，还十分关注机器人、外星人和克隆人等问题。 “机器人”这个名称对许多人来说，并不陌生。从古代的神话传说，到现代的科学幻想小说、戏剧、电影和电视，都有许多关于机器人的精彩描绘。在我国，对铁臂阿童木的神通广大，已是家喻户晓、老幼皆知了。但是，现实世界中的机器人既不像神话和文艺作品所描写的那样智勇双全， 也还没有如某些企业家和宣传家们所宣扬的那样多才多艺。 现在， 机器人的本领还是非常有限的。不过，它正在迅速发展，并开始对整个工业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各方面产生越来越大的影响【5】。 早在我国西周时期(公元前 1066 一公元前 771 年)，就流传有关巧匠献给周穆王一个歌舞机器人的故事。我国东汉时期(25220年)，张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 3第一次工业革命以来，随着各种自动 机器、动力机械的问世，制造机器人开始由梦想转入现实，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应运而生。17681774 年间，瑞士钟表匠德罗斯父子，设计制造了三个像其人一样大小的写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹箕驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。1893年，加拿大人摩尔设计制造了以蒸汽为动力的能行走的机器偶人“安德罗丁” 。这些事例标志着人类对于制造机器人从梦想到现实这一漫长道路上前进了一大步【6】。 在机器人的开发应用研究中，值得一提的一个国家是日本。日本研制机器人的时间比美国大约晚了 10 年1968 年，日本的 DIDA 工程公司在青海展览馆展示了被称为“自动手”的一只机械手。同年，本川崎重工公司与美国Unimation公司谈判，购买了机器人专利，才真正开始了日本的机器人生产。丰田汽车公司也从美国购买了机器人技术，用于汽车生产过程中的焊接和喷漆作业由此可见，日本最初主要是从美国购买成熟的机器人产品和技术， 在此基础上才开始较大规模的研究工作而现在，在日本已经形成了一个相当大的机器人产业，不但川崎、三菱、丰田等一些汽车机械企业在生产机器人。就连索尼、雅玛哈等一些以电子产品为主的企业也有规模很大的机器人生产能力按照日本的统计数据，目前全世界共有各式机器人大约 80 万台，大都分布在美、日、英、意、法等发达的工业国家，其中日本的机器人数量最多，占了世界总数的一半以上，约为 42 万台，其中，用于电子电气行业、汽车制造业的机器人分别占其 32和 45。机器人的研究工作在日本也很普及，很多著名的高等院校，如东京工业大学、早稻田大学、大扳大学、京都大学等都有很强的机器人研究队伍， 一些国立的专业研究所也在从事机器人的研究工作尤其值得一提的是，日本企业界对机器人研究的支持和推动，它们不但参与了政府组织的研究项目，还有众多经费支持相关研究。比如日本正在实施的、全国多个著名高校和研究所参与的 Human。研究项目，预算资金是 50 亿日币，据称其中有一半来自企业 在此之前实施的一个规模更大的耗资数百亿日币的微型机器人研究项目，也有相当大的一部分资金来自企业【7】。 工业机器人是一种由程序预先确定其运动方式的机电一体化机械装置。 由于其运动机械装置的终端（习惯称为“手腕”的部分）可以在安装不同的机械操作装置，如夹紧抓、吸盘、焊枪，从而可完成工件或物品的抓取、搬运、装配以及由行业所确定的各种专项任务，诸如机械加工、焊接与切割、涂抹与喷漆等【8】。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 4焊接作为工业上的“裁缝” ，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响作用。然而，由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。工业机器人先后经历从第一代示教再现机器人、第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。从目前国内外的研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面【9】。 图1-1为焊接机器人。 图1-1 焊接机器人 焊接生产中，利用先进的装备和技术来提高质量和效率、降低成本，提高市场竞争力是社会和经济发展的必然趋势。焊机机器人因具有生产过程自动化、劳动生产率高、产品质量稳定、劳动强度小、可在有害环境作业等特点，在各工业领域的焊接生产线过程中得到了日益广泛的应用。目前，全世界已有50%左右的机器人用焊接机器人小臂结构及电控系统设计 5在焊接生产中，并逐渐从汽车工业点焊流水线拓展到交通运输、桥梁、钢结构工程机械、石油管道等更多的弧焊领域。 1.4 国内焊接机器人的发展与展望 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关。 从具体应用看，工业机器人一般用于上下料、喷漆、焊接、去毛刺和装配等作业。80年代初，随着汽车和电气工业的发展，各制造厂积极推行生产设备现代化，使用焊接和装配机器人的数量迅速增加。在焊接机器人使用最多的汽车厂里，这种机器人主要是用来焊接车身。国外汽车制造厂几乎都实现了焊接作业的自动化。同期，装配机器人的发展也很迅速。 毫无疑问，提高产品质量、保证劳动安全、提高生产柔性和生产效率是众多工业生产部门采用工业机器人的主要目的。 工业机器人技术的发展与企业技术改造的需求相结合，又相互促进，使工业机器人产量不断增长，应用范围也日益扩大，有力地促进了许多生产过程的自动化和合理化。 工业机器人技术的研究、发展和应用，有力的推动了世界工业技术的进步。特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。近几年来，我国不仅在机器人的机械机构上不断探索研究，而且在焊缝跟踪、智能控制、信息传感、周边设备等方面进行了大量的研究和应用，取得了一系列的成果。当前焊接机器人和 PC 机结合应用、焊缝智能跟踪与控制技术、多智能体焊接机器人系统等等都是当前焊接机器人发展领域的热点问题【10】。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 61.5 课题主要研究的内容 1.5.1 研究的基本内容，拟解决的主要问题 本文所做课题为“焊接机器人腕部小臂结构及电控系统设计”， 根据学校现有的莫托曼公司的弧焊焊接机器人尺寸，设计其内部结构。 该焊接机器人包括6个自由度：基腰的回转、大臂的仰俯、小臂的仰俯、小臂的回转、腕部的仰俯及回转。而本题目内容包括三个自由度（小臂的回转和腕部的仰俯及回转）。 首先，每一个自由度都是由一个交流伺服电机来驱动，所以电机的选择是必不可少的。 其次，由于交流伺服电机和机器人各个关节的转速差较大，所以要进行减速比的计算以及谐波齿轮减速器的选择。 另外，相关的机械设计是本设计的核心部分。其内容包括：轴和的设计校核、圆锥齿轮的尺寸计算及校核、链的选择以及链轮的尺寸计算、轴承的选择、箱体的设计以及若干螺钉和轴上键的选择。 最后，进行交流伺服电机的电控系统设计和经济分析。 1.5.2 研究步骤和方法 1.小臂结构 （1）设计小臂传动机构 （2）选择小臂所用交流伺服电机 （3）设计传动链的级数以及各级齿轮传动比 2.腕部结构 （1）确定腕部基本参数 （2）驱动电机的选择（包括实现回转和俯仰2个自由度的电机） （3）总传动比的确定及分配 （4）各级齿轮和传动轴的尺寸和强度的计算 （5）壳体的设计以及强度的校核 3.绘制平面图（包括一张装配图和若干张零件图） 4电控系统设计 5.经济分析 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 7第二章 焊接机器人结构设计 2.1 总体设计方案 2.1.1 小臂总体方案设计 小臂只有一个自由度小臂回转，此关节需要支撑整个小臂及腕部的重量（约6千克），所以轴承的选择以及箱体的设计是本部分的重点。小臂在交流伺服电机驱动下，经谐波齿轮减速器减速直接驱动小臂回转。谐波减速器输出轴和箱体之间靠传动轴来传递扭矩，轴与轴、轴与箱体之间由键来进行周向固定。 由于成对角接触球轴承既可以承受轴向力，又可以承受径向力。所以两箱体外壁由角接触球轴承来实现小臂的回转。 2.1.2 腕部总体方案设计 腕部由两个自由度组成（腕的仰俯和回转），下面分别介绍： （1）腕的仰俯 腕关节的仰俯运动是由交流伺服电机经谐波减 速器减速驱动与之相连的圆锥齿轮副。为保证手腕仰俯的角度范围，所以不采取传统的从动齿轮轴直接驱动手腕的仰俯， 而是利用链传动的方法来保证手腕仰俯关节有足够的空间来实现大角度的仰摆。虽然这样增加了小臂结构的复杂程度，但是提高了焊接机器人的性能和可操作性。主动链轮与从动圆锥齿轮装在同一根轴上，具体描述见图2-1。 图2-1 腕部俯仰设计方案 （2）腕的回转 腕关节的回转运动同样是由交流伺服电机经过谐波减速器减速后， 由输出轴直接与箱体键连接来传递扭矩。 此关节的设计要点是关节连接处两箱体实现相对运动的轴承选择。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 82.2 焊接机器人小臂腕关节工作原理及结构 腕关节为了适应首部的工作要求，一般都具有三个自由度，当手部不需要那么灵活也能满足工作要求时，具有两个自由度或者一个自由度就可以了。大部分腕关节是由伺服电机带动谐波减速器直接驱动的。 由于腕关节中的每一个转动轴都是直接由各动作器驱动的，因而腕关节的各个转动轴都是彼此独立的，于是腕关节的姿态、方位控制就变得比较用以解决。 图2-2 腕关节组成形式 如图 2-2 所示，腕关节能完成摆动、俯仰、转动运动。其小臂及腕关节的具体结构如图2-3所示。小臂连接一个转动副，使其手部实现摆动；接着再与传动副连接，使其手部实现俯仰；然后，再与转动副连接，实现手部的转动。实现手部的摆动的具体结构，如图2-3是，电机2与刚轮5固连在小臂1上，摆动轮6与转动的小臂7相固连；实现手部俯仰的具体结构，又如图2-3所示，电机8与摆动的小臂7相固连，经谐波减速器9、圆锥齿轮10改变运动方向，小臂12与轴11在小臂1上俯仰运动。若果输出轴11与俯仰的小臂12传动距离太远，可用齿形链传动来加成距离。实现手部转动的具体结构如图2-3所示，电机18与转动的小臂19（即手部）及复波式谐波减速器的刚轮16相固连，另一刚轮13（刚轮13与16是分离的）与俯仰的小臂 12 相固连。当电机 18 轴转动时，复波式谐波减速器的发生器 17 转动，柔轮 14 和 15（柔轮 14 和 15 相固连）转动，由于受到与俯仰的小臂 12 相固连的刚轮 13 传动的干扰，刚轮 16 运动，转动小臂 19（手部）也运动。由以上分析可知，当伺服电机 2、8、18 转动时，转动小臂 19（手部）就可以获得摆动、俯仰、转动的运动11。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 9图2-3 焊接机器人小臂腕关节的结构示意图 1-机器人小臂；2-电机；3-发生器；4-柔轮；5-刚轮；6-传动轴；7-摆动小臂； 8-电机；9-谐波减速器；10-圆锥齿轮；1 1-俯仰轴；12-俯仰小臂；13-刚轮； 14-柔轮；15-柔轮（两柔轮固连）；16-刚轮；1 7-发生器；18-电机；19-转动小臂 2.3 电机的选择 2.3.1 交 流伺服电机的基本常识 交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90度电角度的两相绕组。其中一组为励磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机 使用时，励磁绕组两端施加恒定的激磁电压 Uf，控制绕组两端施加控制电压 Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组 及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变， 电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求励磁电压 Uj和控制电压 UK之间应有 90度的相位差，常用的方法有： 1）利用三相电源的相电压和线电压构成 90度的移相 2）利用三相电源的任意线电压； 3）采用移相网络 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 104）在励磁相中串联电容器 交流伺服电机及其调速分类和特点 长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 异步型交流伺服电动机 异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻 1/2，价格仅为直流电动机的 1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。 这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。 同步型交流伺服电动机 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用 永磁式同步电动机 。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻 60，转子惯量减到直流电动机的 1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使 永磁同步电动机 的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）焊接机器人小臂结构及电控系统设计 11电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 交流伺服电机的优良性能 1.控制精度高 步进电机的步距角一般为 1.8o。(两相)或 0.72o。(五相)，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。以伺服电机为例，其编码器为 l6 位，驱动器每接收 2 =65 536 个脉冲， 电机转一圈，其脉冲当量为 360o/65 536=0，0055 ；并实现了位置的闭环控制从根本上克服了步进电机的失步问题。 2.矩频特性好 步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速(一般为 2000r/min 或 3000r/rain) 以内为恒转矩输出，在额定转速以 E 为恒功率输出。 3.具有过载能力 4.加速性能好 步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要 200400ms： 交流伺服电机的加速性能较好 莫托曼机器人上可见的腰部、大臂、小臂转动所用的电机型号为日本安川系列电机，由于安川交流伺服电机也是目前机器人主要选用的电机，因此在电机型号选择上仍然选用安川交流伺服电机。安川电机的特点与性能： 日本安川公司80年代初开始伺服电机的交流化工作，1983年推出小型交流伺服电机和控制器，有适用于数控机床的 D 系列，适用 I-机器人的 R 系列。1988 年又推出 D、R 新系列，旧系列由矩形波驱功，采用 8051 芯片；而新系列由正弦波驱动。采用 80015-1 和门阵列芯片，在 6 年内形成了 6 个系列 38 种规格。可适应工程机械、搬运机械、焊接机器人、装配机器人等的不同需要。电机自动识别。自动识别伺服电机的容量和型号，自动设定电机参数。 维护简单。主控回路分离布线，用户参数可在控制器上直接设定，减少了配线（绝对编码器配线数从 15 减少到 7根，增量式从9根减少到5根） ，这些都使配线、维护更加简单方便。 高性能。整定时间短，扩充了新的控制算法，实现了模式跟踪控制、制振控制，强化了对振动的抑制。对于低刚性机械，定位时间比原产品缩短了2/3。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 12高速高精度。采用高分辨率的编码器（16位、17位） ，提高了位置控制精度。采用d-p轴变换电流控制法，将转矩控制精度从5%提高到2%。 平稳运行。采用速度跟踪控制技术，减小了电机转速波动，低速下也能极平稳地运行。 柔性化设计。多合一控制，转矩控制、位置控制和速度控制三位一体，控制方位切换采用参数设定切换。 广泛适用。伺服控制器有基本功能型、扩展功能型，伺服电机从小容量到大容量，制动器和减速机都可选，充分考虑各种控制要求和安装场合。 从网上查找到有关安川电机的资料， 安川交流伺服电机有SGMAH、 SGMPH、 SGMGH、SGMSH、SGMDH、SGMUH 几种型号，并有相应的 SGMD 伺服系统。每种型号的电机具有不同的特点：相同功率的电机在尺寸上有明显的差异，SGMAH型总体直径较小；SGMSH型号电机总体尺寸较长；SGMDH型总体尺寸比较短。 由于焊接机器人每一个关节旋转速度均较低， 所以在电机选择过程中功率要求小，主要考虑电机的尺寸是否满足焊接机器人外形尺寸的要求。因此在查阅了安川电机手册的基础上选择电机。 安川交流伺服电机每种型号均有带制动器和减速机的类型，但由于所用的减速器为通用减速器，减速比较小，减速后不能满足焊接机器人速度要求，因此选用不带制动器和减速机的标准型交流伺服电机。 小臂及腕部所用的三个电机型号选择如下： 小臂旋转处选用SGMPH04A，功率400w 转速3000prm 手腕仰俯所用电机选用SGMPH02A(B)，功率200w 转速3000prm 手腕旋转所用电机选用SGMPH01A(B)，功率100w 转速 3000prm 图2-4 是安川电机在焊接机器人中的应用【12】。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 13图2-4 全球首款七轴点焊机 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 142.4 直齿圆锥齿轮设计 2.4.1 传动比的计算 根据要求，腕关节俯仰轴的最大转速为5.85rad/s，而我所选择的电机转速为3000rad/min,交流伺服电机经谐波 齿轮减速器（XB3-32 i=80）减速后已经满足此轴的要求，所以设i=1.5 2.4.2 渐开线直齿圆锥齿轮几何设计 表2-1 直齿圆锥齿轮几何参数13名称 代号 小齿轮 大齿轮 分度圆直径 压力角 齿数 大端模数 分度圆锥角 齿顶高 齿根高 齿高 頂隙 齿顶圆直径 齿根圆直径 锥距 齿宽 齿顶角 齿根角 顶锥角 根锥角 d a z m ha hf h c da df R b a f a f d1=mz1=48 20o Z1=24 m=2 1=arctan z1/z2 ha1=ha2=m=2 hf1=hf2=1.2m=2.4 h1=h2=2.2m=4.4 c=0.2m=0.4 da1=d1+2mcos1=51.3 df1=d1-2.4mcos1=44.0 R=m2221zz + /2=43.27 bR/3或b10m b=1 32.1/arctan121= Rhaaa59.1/arctan121= Rhfff29.35211=+=fa 11.32111=ff d2=mz2=72 20o Z2=36 M=2 2=90-33.7=56.3 ha1=ha2=m=2 hf1=hf2=1.2m=2.4 h1=h2=2.2m=4.4 da2=d2+2mcos2=74.2 df2=d2-2.4mcos2=69.3 89.57122=+=fa 71.54222=ff 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 152.5 链的选择及链轮设计 2.5.1 链传动的特点 链传动是一种应用较广的一种机械传动。它是由链条和主、从动链轮所组成。链轮上制有特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。 链传动是属于带有中间扰性的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的传动比，传动效率较高；又因链条不需要象带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本低廉；在远距离传动（中心距离最大可达十多米）时，其结构比齿轮传动轻便得多。链传动的主要缺点是：在两根平行轴间只能用于同向回转的传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用。 链传动主要在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。例如：在摩托车上应用了链传动，结构上大为简化，而且使用方便可靠。链传动还可用于低速重型及极为恶劣的工作条件下，例如掘土机的运行机构，虽受到土块、泥浆及瞬时过载等影响，但仍能很好的工作。 按用途不同，链可分为：传动链、输送链和起重链。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，而在一般机械传动中，常用的是传动链。 传动链传递的功率一般在100kW以下，链速一般不超过15m/s ，推荐使用的最大传动比imax=8 .传动链有短节距精密滚子链（简称滚子链）、齿形链等类型。其中滚子链使用最广，齿形链使用较少。 1与齿轮传动比较： （1）链传动的制造与安装精度要求低，安装与维修简便。 （2）链轮齿受力较小、强度较高、磨损较轻。通常链轮由较多的齿同时与链条啮合，接触位置接近结根，而且齿槽圆弧半径大，齿根应力集中小，所以链轮齿承载能力较大，齿面磨损也比齿轮轻。 （3）链传动有较好的缓冲、吸振能力。 （4）链传动中心距适应范围大，特别在中心距较大或在多轴传动中，链传动易于布置、安装、调节。 （5）在链条上安装适当的附件可以实现输送功能。但在要求中心距小，瞬时焊接机器人小臂结构及电控系统设计 16传动比恒定，传动比大、转速高、噪声小时，链传动的使用性能不如齿轮传动。 2与带传动比较： （1）链传动的转速比准确，传动效率高。 （2）链条对轴的作用力小。 （3）链传动的尺寸较紧凑，在传递功率相同的情况下，链条传动比常用的胶带要窄些，链轮直径也比带轮直径要小，所以机构尺寸比带传动紧凑。 （4）链条拆装方便。 （5）链传动能在较大的传动比和较大的中心距下工作。 （6）链传动的环境适应能力强。 （7）链条的磨损伸长比较缓慢。 （8）链传动在可燃气体下工作安全可靠，因为不易发生摩擦生电现象，不会引起燃烧。但是在要求噪声小，不准有润滑油，中心距大，转动速度很高的情况下，链传动的使用性能不如带传动。综上所述，在手腕仰摆处选用链传动。 2.5.2 传动链的分类 传动链按传递方式分摩擦传动与啮合传动两大类， 按产品结构分传动用短节距滚子链、传动用双节距滚子链、传动用套筒链、重载传动用弯板滚子链、传动用齿形链、销合链和无级变速链等。 1.传动用短节距精密滚子链及套筒链 传动用短节距精密滚子链及套筒链节距从4.7625（03C）114.30mm（72B），横跨A系列和B系列的单排、 双排以及多排， 是应用最为广泛的链条。 根据不同用途，配上各种附件，也可作为输送链用。用在发动机里，又派生出摩托车传动链、发动机正时用链、以及石油钻机传动链等产品系列。 2.传动用双节距滚子链 双节距滚子链是短节距滚子链派生出来的一种轻型链条（节距增大一倍，滚子套筒销轴都不变）。传动用双节距滚子链链板多为形，应用在中小载荷、中低速和中心距较大的传动装置中。随着链传动的推广，传动用双节距滚子链派生出了一些特殊场合用链条， 如不锈钢链、 高耐磨链、 工程塑料链等。 节距从25.4101.60mm不等，传动链加上不同的附件可作为输送链用，并且这种传动链正越来越多地被运用在输送设备上。 焊接机器人小臂结构及电控系统设计 173.重载传动用弯板滚子链及销合链 重载传动用弯板滚子链适用于低速重载、有冲击传动工况，链板为弯链板，易于拆装，无内外节之分。由于这种链条工作于重载工况下，多为大节距链。国内这种链条节距在63.5103.20之间。销合链链节由可锻铸铁铸成并用销轴连接起来，没有内外链节之分，易于拆装。由于结构简单，成本低廉，销合链是早期使用较为广泛的一种传动链。加上特殊附件，也可作输送链用。适用于中低速、重低载荷以及工作环境比较脏污的工况。由于铸件疲劳寿命较短，这种链条逐渐地被重载弯板滚子链取代。 4.传动用齿形链 传动用齿形链结构简单，没有套筒和滚子，只有销轴和链板。用于高速、低噪声等工况， 按导向形式分内导式和外导式， 按接触方式分内接触式和外接触式两种。节距从6.3538.1mm，片数从547片不等。 5.无级变速链 无级变速链包括滑片链、摆销链、滚柱链、套环链等四个种类，其中以滑片式无级变速链使用较为广泛，应用在各种型式的链式无级变速器内。摆销式无级变速链主要应用在国外一些轿车链式无级变速器及其他精密、大功率、高速机械上。无级变速链由于其高强度、低噪音、耐磨损、寿命长等优点，在无级变速的应用中正越来越多地扩大应用领域。 2.6 轴承选择 2.6.1 轴承构造 如图2-9所示，滚动轴承一般由外圈1、滚动体2、保持架3、内圈4组成。通常内圈采用过渡配合或过盈配合装在轴颈上与轴一起转动， 外圈装在轴承座孔内固定不动。 但也有外圈转动， 内圈不转动或两者都转动的情况。 止推轴承有紧圈和活圈，紧圈与轴颈紧配合随轴转动，活圈