配电箱焊缝自动打磨系统设计

配电箱焊缝自动打磨装置设计摘要：目前，我国的焊缝的打磨工作水平还较低,我国大部分的机械加工行业能力有限,这导致了许多厂家工作环境差、生产效率不高和生产成本高等问题越来越严重。随着工业机器人技术的成熟，越来越多的学者投身自动打磨系统的研究，且已取得不少研究成果。本次设计主要针对机械化程度不高的工厂打磨作业中的问题,设计了焊缝自动打磨机,其目的在于解决现实生产工作中对于人工处理焊缝暴露的一系列问题。跟传统的手动打磨装置不同的是,自动打磨是本次设计的主要创新点,通过机器臂打磨来代替人为的打磨操作。随着电气、检测及电机控制技术的高速发展,研发具有全自动控制满足柜体加工处理的专用打磨拉丝机成为可能。现有的技术可以实现自动打磨拉丝机产品。本次设计的自动打磨装置主要是搭配电箱,将需要打磨的零件放在工作台上,通过齿轮齿条系统以及滑轨系统使打磨机和工作台能够旋转和横移,从而将待打磨工件送达系统内实现打磨。设计的核心原理主要是根据砂轮所受的摩擦力为控制变量设计控制系统,并以此作为基础，计算焊缝自动打磨机的主要零部件。对于焊缝的打磨处理也是必要的，我国也急需针对焊缝缺陷打磨技术的研究以提高国家生产制造水平。关键词：焊缝缺陷；自动打磨系统；电箱；滑轨；轨迹规划；工艺规划目录TOC\o"1-3"\h\u139691绪论 绪论1.1课题来源及其意义目前现有的自动打磨系统满足不了公司生产过程中对提高产品质量、降低人工成本的要求。焊缝缺陷自动打磨就是自动化生产和智能制造领域极具需要解决的问题。对于焊缝缺陷打磨作业，采用机器人示教方式远没有人工手动完成高效和直接。工人完全可以依靠眼睛观测焊缝缺陷位置；大脑凭借自身经验，选择打磨参数，手动达到目标位置完成打磨任务。然而打磨质量受工人的身心和技术影响，这不仅增加了不确定因素，也大大的降低了生产的效率和灵活性。对于焊接作业随处可见的时代，诸如汽车制造业中，基本实现了全自动化焊接任务，但是焊缝缺陷的产生依旧无法完全避免。如果无法提高焊缝缺陷打磨的效率，极其影响流水线生产。因此自动化、智能化的打磨控制系统是现如今迫在眉睫的问题。1.2本设计要解决的主要问题1.2.1国内打磨工作现存的问题(1)机械加工制造厂打磨技术领域的效率较低打磨机采用手动或半自动操作，手动操作完全由人来判断打磨的平滑程度和焊缝质量，依赖人的经验，如图1-1所示。不同人打磨后的效果会不同，同一人打磨后的柜体也会标准不一，甚至会出现划痕、深浅差别很大。针对电气柜体打磨的打磨机大多需要手持操作，大型的打磨机只是对单一平面材料打磨；有一两种往复运动式打磨机，虽然能够固定电气柜体但打磨机械臂只能直线运行，对柜体的焊缝打磨不适合，打磨焊缝的一个面就需要重新固定柜体，效率不高、打磨效果也不好；图1-1人工打磨目前，化学工业已经发展起来，设备结构，操作，劳力和电刷打磨工艺复杂，打磨时间不够，多焊型电弧焊材料不能保证操作人员的安全，现行的打磨设备因为设备结构单一，操作起来费力，打磨工序繁琐，打磨多角度阻焊型材时没有足够的便捷性，打磨过程中不能保证操作人员的人身安全，打磨后的碎屑乱飞造成环境污染，而且打磨过后的型材没有很好的外观，因此目前市面上也有一些打磨机，目前打磨机都存在着操作难、质量不达标和打磨效率慢等问题[1]。(2)钣金件模具和配电箱的焊缝焊接性较差机械结构工厂主要使用的板材一般是Q235普通钢板和45#钢。其它的板材就是圆钢、角钢、方钢、工字钢等，这些类型的钢材广泛应用于金属结构加工各种大型金属结构设备和配电箱的制造。配电箱的独特之处在于,在焊接后,机加工过程中会磨损各种端板和水平板等,所以需要在平槽之间的焊缝进行打磨,根据一般需求,该属的大量生产具有恒定的平坦度和粗糙度。打磨加工效率对金属加工机械公司而言是最重要的。在机械生产设备加工的流程设计方面,焊缝的打磨会影响加工设备工作的生产效率,是因为可以直接地影响整个机械制造工程和工艺的加工和生产总工期。而按照我们现有的焊缝打磨设备工作的方式,几乎一切都会完全发生在每个从事机械加工设备制造的公司里面。在焊缝打磨的过程中,工人都需要不停地反复打磨,过程重复繁琐,而且打磨具有一定的难度和危险性,所以本次的设计通过添加工作台,在设备原有的焊缝打磨机上重新添加了横移和旋转的机构,能够帮助设备实现不同的坡口和角度的焊缝打磨[3],大大的帮助机器实现了对人力的利用和解放,也大大地提高了焊缝打磨的设备生产质量和效率。之前的焊缝打磨工作方式大大的影响着了设备的质量和性能,比如切刀的变钝,不仅难以进行打磨也大大地增加了电能的损耗；挡板的磨损和焊缝推压打磨工作方式的正确和错误,也大大的影响着了加工的效率,所以我们真的需要改进和提高机器的设计加工质量和设备整体的结构从而进一步提升设备生产的效率。1.3国内外研究现况1.3.1国内现有自动打磨技术不成熟工业机器人已经逐渐的代替了人工，并且逐渐成为不可缺少的角色，如图1-2所示。图1-2机器人打磨由于其生产效率高、安全系数较高、成本较低、便于管理等优点被广泛应用。但是，在我国应用上仍然存在瓶颈，主要分为硬件和效率两个方面：一是对于硬件，在工业机器人的生产中，减速器、伺服电机和控制器三样核心部件在工业机器人成本中的占比超过80%，但是由于外国的技术封锁，长期以来我们只能依靠国外进口，这也导致国内制造业发展缓慢；二是工业机器人在我们工程应用上存在差距。虽然目前在企业生产中大部分重复性的工作已经被工业机器人代替，譬如焊接、搬运、喷涂等作业，不过大多数还是手动示教方式，对于单一的零件和加工工艺可以较好的胜任，但是现如今的流水线上，加工零件品类繁多，加工工艺较为复杂，采用人工示教的方式则会大大的增加前期预备时间和示教过程，即不同的零件需要单独示教一套程序，如若有上百种零件，则需要投入巨大的人力且灵活性较低。同时如果在零件的装夹存在误差的情况下去执行示教程序，则其装夹误差则会叠加到加工误差中，这就可能导致整个零件的报废。针对上述问题，在生产加工中采用了工件坐标系的加工方式，在其基础上建立了加工程序，在装夹零件后，通过计算其工件坐标系的变换矩阵并改变工件坐标系，进而兼容所示教的程序，提高了生产的灵活性。但是人工示教由于人的状态不同，会造成人为的误差，加工精度因此受到了限制，也带来了繁琐的人工投入。因此为了满足更高的生产需求、胜任复杂环境中的作业和降低人工投入，自动化和智能制造领域的发展逐渐被提上了日程。例如:我们在打磨各种金属板材料时,人力较高,效率低下，由于各种经济和社会的因素，这就直接导致了中国的金属板材料和金属配电箱的短缺以及工业材料打磨的困难现状。随着改革开放，中国的生产能力得到了极大的发展，中国的制造业逐渐缩小了与欧美之间的差距，并且成功加入世界贸易组织。因此，中国的制造业正在良好，快速的发展。金属制造业在改革开放中取得了较大的进步，但是在某些领域仍然存在一些差距，就比如打磨金属板材料时，人力较高，效率低下，由于各种社会因素，这就导致了金属板材料和配电箱的工业打磨的现状。现在的问题主要是紧缺的投资,紧缺的是技术实力,不充分地研究和开发市场时间,国际交流能力不足。另外,还有每个国家的金属结构制造工厂的特殊性和企业管理文化的差异性,工人的日常工作生活条件,工厂所在地的历史和发展阶段,公司的规模和竞争力,均是直接影响公司机械质量和技工能力弱的一个重要因素。纽约地铁采用了一种小型打磨机,用于打磨铁轨以有效地减少窄轨火车沿高速铁轨南北方向高速行驶时的铁路噪声和列车振动[7]，但是实际的工业生产中,对于打磨机在各种焊缝整体加工方面的焊缝处理工艺以及材料保存比较落后,如:配电箱焊缝的处理工艺,操作过程中,上一两个操作工序的无缝焊接工作完成后,工人对打磨机的整体焊缝全部部分进行了焊缝打磨,工人只要手握打磨机的同时身体半躬,离打磨机的整体焊缝加工位置比较近,就非常有概率直接使您的焊缝加工出现上下高效率低污染大,不安全的加工情况等各种问题。机械行业中小型焊接打磨行业的小型焊接打磨技术仍然在我们传统的手持式小型焊接打磨机上正常运行，如图1-3所示。长时间使用小型焊接打磨设备的机械工人不仅工作效率低下,而且长时间的工作也很累并且严重地损害我们的人体健康。图1-3小型打磨机尤其重要的是,粒径为0.5至5nm的放射性灰尘颗粒会通过呼吸气道直接地到达患者的肺部并产生沉淀,因此很容易就可能会变成慢性硅肺病[6]。因此，设计理念及解决方案的设计方向:负压过滤壁是由电动风扇和工作台在头上的旋转运动产生的,并且壁上的部分灰尘被吸入,空气通过负压过滤器和风扇的排气口直接排出,并且过滤器减少了操作工人的疲劳和扬尘,这将有效的降低打磨作业带来的环境污染,吸尘打磨机如图1-4所示。图1-4自动吸尘打磨机1.3.2打磨机介绍根据工作力的不同，打磨机主要分为气动、电动打磨机两种。不管是其中哪一种打磨机，它们的区别在于提供动力的方式不同，但是它们的外形结构是多样化的，对于不同角度的打磨都可以操作。通常，打磨机的体积小，噪音低，振动小，集尘效果强，并且使用寿命长。它适用于钢板，木材，塑料，轮胎工业，船舶，汽车，模具，航空工业的精磨，边缘去除，脱模和油漆的表面打磨。图1-5显示了常见几种打磨机。图1-5常见的几种打磨机1.3.3国际打磨技术的发展随着工业机器人技术的成熟，越来越多的学者投身自动打磨系统的研究，且已取得不少研究成果。对位置规划和机器人分层次规划问题展开分析，提出一种基于模糊控制的机器人去毛刺工艺参数控制方法，通过对汽车轮毂的圆盘去毛刺实验验证了方法的可行性；YutaOba等人提出了一种针对未知曲面刀具的控制方法，根据刀具姿态信息对打磨的法向压力进行控制，实验结果表明该方法能够成功的对未知曲面进行打磨，且打磨后的质量符合标准；MarquezJ.J等人介绍了一种基于CAD系统数据的自动规划与编程的打磨系统用于模具制造的曲面打磨中，使用恒定的接触力控制，建立系统变量的行为模型实现打磨过程的自动化；ShipuDiao等人引入了三维视觉系统，提取加工路径点。将加工信息转化为打磨机器人基坐标系下，经过试验验证了可行性，可以良好的集成到自动打磨系统当中；Christian等人设计了一个基于精密仪器加工的自动打磨系统。从材料去除机制入手建立过程控制策略和力控制系统，基于SIMULINK开发了打磨控制系统，实现了自动打磨；伊保亮等人针对大型结构钢上的焊缝搭建了自动打磨系统，通过导入工件的3D数据模型自动生成打磨路径，采用力矩进给控制方式对焊缝余高进行去除，保证了焊缝表面质量，提高了打磨效率；胡伟等人从焊缝自动跟踪和打磨力控系统进行分析，搭建了自动打磨实验平台，对铝合金车体进行打磨；田仁勇等人使用激光扫描确定焊缝位置、尺寸等打磨工艺信息进而实现自动打磨，通过打磨实验证明了系统的优越性以及打磨工艺的合理性；刘雷等人设计了一个新颖的打磨头，结合六维力传感器对客车车身进行焊缝打磨，并开发了专用软件系统自动生成打磨轨迹实现自动打磨系统。上述自动打磨技术大多数是应用于装备制造中的平面、曲面的抛光打磨，却少有针对焊缝缺陷打磨的研究。虽然打磨抛光等一般面向的都是精加工、柔性加工等作业，但是对于焊缝的打磨处理也是必要的，我国也急需针对焊缝缺陷打磨技术的研究以提高国家生产制造水平。通过机器人的应用，不仅提高了生产效率，避免操作者收到伤害，还可以完成一些人为无法完成的打磨工作，而且智能化可以对于打磨质量以及产品光洁度有极大的提升，所以相对于人工智能机器人主要在成本节省、保障产品一致性和安全作业三方面有极大改善。无论是国际市场还是国内对于打磨机器人的研发都在不断地加大投入。2配电箱焊缝自动打磨机的总体规划2.1焊缝自动打磨机设计原理本次研究的的方向是为一般的配电箱，设计一台实现焊缝自动打磨的设备。根据打磨作业要求，设计一个由6轴机器臂、夹具、工作台、滑轨和控制系统组成。通过该机构，中心轴被固定为主体，并且横梁沿着主轴方向上下移动。升降蜗轮减速，而机构由电动机驱动，并由升降机构由杆机构完成。大臂是打磨机的横向移动主体机构，由电机驱动。如图2-1原理图。图2-1整体方案基本框架总体规划分为两类，一是工艺规划，二是轨迹规划。根据已知焊缝缺陷的类型、尺寸信息通过工艺规划选定合理的打磨工艺参数；根据焊缝缺陷位置制定合理的打磨轨迹，最终控制机器人完成打磨任务。其总体规划内容如图2-2所示。图2-2自动打磨任务规划焊缝缺陷类型、尺寸信息、像素坐标系下焊缝缺陷位置是当做已知输入条件，不对焊缝识别和图像处理进行研究。主要针对在得到焊缝缺陷信息后，对焊缝缺陷自动打磨的研究。为了简化模型以方便验证自动打磨控制系统的可行性和规划的合理性，以系统能否按照工艺规划对机器人打磨参数进行设定、按照轨迹规划控制机器人快速准确到达焊缝缺陷位置，最终完成缺陷打磨为目标。整个设计过程计算准确，结构设计合理，达到工作安全性和可靠性，已经充分证明了方案可行。2.2典型焊缝缺陷形式和打磨工艺简介2.2.1焊缝的确定焊接方法不同，就会导致生成的焊缝的质量不同，这样就会影响下一步机械设计计算中的计算。因此，本文以焊接方法的使用确定焊缝的质量。焊接方法的选择必须正确，这样才可以使焊接产品的质量优良，工厂生产率高，生产成本低，提高经济效益。焊缝缺陷形式种类众多，本文主要针对焊接时容易产生的焊瘤和带有缺陷的长条焊缝，为打磨目标如图2-6所示，焊缝缺陷特征如表2-1所示。表2-1焊瘤和带缺陷的长条焊缝特征缺陷类型形成原因形式特点潜在隐患焊瘤焊接参数选以离散点分布在存在应力集中现象且影响 用不当焊缝上工件使用寿命带缺陷的焊接参数选凹凸不平、余高过影响焊缝美观且存在应力长条焊缝用不当高等集中非常容易腐蚀焊瘤主要以离散点的形式大小不一附着在焊缝上，其不仅影响焊缝外观，还影响焊缝的实际尺寸并且在接口处造成应力集中。带有缺陷的长条焊缝，以焊缝表面凹凸不平、余高过高等成型不良形式存在，其一般是伴随着整个焊缝的，需要对其整道焊缝进行打磨。因此对于焊缝缺陷，焊后的打磨尤为重要，其保持了焊缝与母材在外观的上一致性，从根本上消除了局部应力，提高了焊缝的疲劳寿命。图2-6Q235钢板上的焊缝缺陷2.2.2焊缝打磨工艺本文采用焊后打磨对焊缝表面进行磨削提高表面质量。针对焊接后常产生的焊瘤和带有缺陷的长条焊缝两种缺陷类型进行焊后打磨，提高焊缝表面质量，其打磨工艺如表2-2所示。表2-2焊缝缺陷打磨工艺磨削加工工艺毛坯名称材料毛坯外形尺寸结构钢板Q235250*300*30工序号加工对象工序内容砂轮转速法向压力进给速度r/minN/min1焊瘤缺陷砂轮平行钢板定点打磨，保证去除量且磨削母材深度不超过0.5mmVs1F1Vw2长条焊缝第一道打磨砂轮成15°水平进给打磨，保证去除量，使焊缝高度在2mm左右。Vs2F2Vw3长条焊缝第二道打磨确保表面粗糙度，焊缝高度尽可能与母材在同一高度，磨削母材小于0.5mmVs3F3Vw对焊瘤缺陷采用垂直进给定点打磨，对带有缺陷的长条焊缝采用水平进给对整道焊缝打磨，二者工艺都需要保证对母材的去除深度小于0.5mm的准则，且在确保去除量的同时需要降低表面粗糙度。通过建立自动打磨系统，控制打磨机器人到达焊缝缺陷点，选用合适的打磨参数进行打磨。该工艺需要保持进给速度恒定，观察法向压力和砂轮转速对焊缝缺陷打磨效果的影响来确定打磨参数。3系统设计方案的准备及分析3.1焊缝自动打磨系统机构运动分析机械的运动主要是包括机械传动中的基本动作和机械打磨工作中的两个基本动作。该打磨机的基本机构包括两个运行的过程:电机通过联轴器带动轴运动以此带动关节处的齿轮转动,由此来使机械臂运动。通过控制大臂和小臂的转动将打磨机送到指定位置，并且由大臂控制纵向进给动力，电机使打磨机砂轮的转动，通过驱动臂座提供砂轮的横向进给。自动打磨系统整体的主要运动有：电机的转动：将电能转变为打磨机的动能和热能。转速的高低由自身的结构构造和驱动电源有关。齿轮传动：将电机转化的机械能传递到砂轮机主轴，再带动轴上的齿轮转动，实现了能量的进一步传递。三．带动主轴砂轮转动:带动主轴砂轮的旋转。主轴是整个机械设备设计和生产及安装的一个中心组成部分。四．打磨机上砂轮转动：最终能量传递到砂轮上，与配电箱表面接触后实现打磨动作，进行打磨工作。3.2焊缝自动打磨系统机构动力稳定性分析一般来说，电动打磨机有控制箱和电摩比两个部分组成，焊缝打磨机的主要特点是经过电流的输入，控制箱带动电磨笔作为驱动，然后再经过一系列的旋转，而作为有力的传动，这样就可以带动电动打磨机磨头机西高速的旋转，然后再配上不同的材质和形状的磨头，这样就可以进行工作面上消磨工作。由于打磨时的接触面积不大且磨削运动稳定，因此所需的力是适当的，并且带轮传动的传递速率也不大，所以经验选择功率1∶1或1∶2的电机。3.3对焊缝自动打磨机的动力传动部分的设计3.3.1电动机与减速器的选取电动机和减速器是机械臂正常工作的关键部分，它们是机械臂完成旋转、平移的的动力源头，所以想要设计的机械臂正常工作，就必须合适的电动机和减速器。想要正确计算出合适的电机参数，就必须知道机械臂的总重以及在机械臂在不同位置、不同姿势的时刻的转动惯量。但是六自由度机械臂的工作空间很大，计算每一种姿态并不现实。为了满足设计需要，本文只计算系统处于最恶劣的工作状态的各项参数。电机和减速器的正常工作主要参考功率和转矩这两个性能参数，如果电机和减速器的转矩和功率可以满足机械臂最恶劣的工作状态，那么所选的电机是合适的。既然需要求出机器的总质量，首先要知道机器各个部件的质量。不仅如此，要想机器臂工作，在关节处是需要安装电机和减速器的，也就是说，电机和减速器的质量需要计算在内。在打磨工作时，打磨机会受到反作用力，所以还要考虑负载。这样就可以很逼真的反映出实际工作时的各项参数。六自由度需要六个电机，分别安装在各个关节。因为逐级往上的各关节的承受力是逐级递减的，所以为了满足经济效益，电机的功率和质量也是逐级递减。底座和驱动臂座处取电机质量为12KG，减速器质量为7KG；大臂和小臂处的电机质量为5kg，减速器质量为3KG。最后计算出机械臂总质量为310KG。机械手的各部分质量，如表3-1所示。表3-1机器手各部分转动时的等效质量机械手部分对应质量(KG)驱动臂座部分20+33=55大手臂部分25肘部部分37小手臂部分18手腕部分5底座部分167最大负载16下面进行电机参数的计算，以底座处电机的选择为示例。在机械手接近伸直的状态，即各部分前伸到极限的状态。此时假设机械臂承受了最大的工作时负载。设机械臂各部分绕各自中心轴的转动惯量分别是：、、、,通过查阅工程力学书籍,根据静力学定律，计算最大等效转动惯量：===84.3667.然后，记机械臂各部分的质量,,,分别为55、25、18、22KG，令、、、分别表示各部分重心到原点的距离,其值分别为480、665、1140、1400（毫米）,因为,,,，所以、、、可以忽略不计。故==84.37已知w1=2.7rad/s,取,则=2.7rad/s2。由电机转矩,得=230在底座内部，主要由蜗轮蜗杆传动使底座旋转。实际工作中摩擦力是不可避免的。查阅机械设计，取安全系数为1.6，则=368，设涡轮蜗杆传动比为=6,，传动效率为80%,该关节最大转速为15r/min,则减速器输入转速为80r/min，电机输出扭矩T1电机=87.4/57*0.8=2.0,其中减速器传动效率＝80%。满足要求的功率为=840w和输出转矩T1电机=87.4/57*0.8=2.0。根据这两个参数选择代号HG-SR52的三菱伺服电机。其它部分的电机和减速器的选择，通过类似的运算分别选择合适的电机。3.3.2传动方案设计自由度是根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目。物体在空间具有六个自由度，即沿着x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。因此，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度。所以本次机械臂设计设计了六个自由度。相比于平移动作，旋转动作更加容易实现，而且结构精巧，操作空间大。所以本次设计每一关节均采用旋转关节。自由度分配如图3-1所示。图3-1机械手自由度分配根据自由度分配，参考其他传动系统的设计，设计两种传动方案。方案一：如图3-2-a所示，该方案虽然整体结构简单，但是在装配之前就设计好了大臂和小臂的前提下才能够装配简单，而大臂、小臂的结构十分复杂，多处设有加强结构，明显更适合高载荷工作条件下的设计。此外传导比也不高，能量损失大。方案二：如图3-2-b所示，底座采用了一个紧凑的涡轮蜗杆传动，这就使传动更加稳定，工作时造成的噪音也较小，还可自动制动防滑。缺点是传动效率不高，但是在低负荷的设计要求下可以满足工作需要。综合考虑，本次设计只需要满足低负荷工作条件即可，不需要过多的传动设计。因此，本次方案采用方案二。方案二简洁方便，可行性高。（b）图3-2机械手传动系统方案原理图3.3.3确定设计参数机械臂包括底座、大臂臂座、大小臂、手腕、手爪和驱动部件。机械臂各部分都可以完成旋转动作，但是没有必要每一部分都设计成360°旋转。选择合适的参数，可以降低设计难度和实现良好的经济效益。根据实际工作需要，参考目前成熟的机器人制造技术，确定了各项参数，见表3-2。表3-2机械手设计参数自由度6最大负荷16KG最大行程手臂旋转S(-180o.,+180o.)手臂进出L(-45o,+45o)手臂上下U(-20o,+45o)手腕转动R(-350o,+350o)手腕弯曲B(-100o,+100o)手腕扭转T(-350o,+350o)手臂进出L156o/s156o/s手臂上下U156o/s156o/s手腕转动R343o/s330o/s手腕弯曲B330o/s330o/s手腕扭转T659o/s615o/s1800*2000最大到达范围4机械臂方案设计与分析4.1构建机械手整体模型装配示意图如图4-1所示，其中0~6分别对应图3-2中的连杆。各连杆的尺寸如表4-1所示。图4-1六轴机械手装配图序号0表示底座部分，序号1表示腰部回转部分，序号2表示大手臂部分，序号3表示小手臂部分，序号4表示手腕部分，序号5表示末端执行器。表4-1连杆构件组成等效连杆序号等效连杆组成部件0底座、底盘旋转涡轮箱1驱动臂座2大手臂3肘关节部分4小手臂5手腕6末端夹手4.1.1底座部分底座部分共有16个零件，核心部件是涡轮蜗杆。关于蜗轮蜗杆，如图4-2所示，本文采用圆柱蜗杆，齿顶高系数取1，模数选为5.0，顶隙系数取0.2，传动比为6，涡杆Z1=15，涡轮选用Z2=60。该机构可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。其反向自锁性可起安全保护作用。但是传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，所以为了提高效率，采用有色金属做涡轮，蜗杆则采用较硬的材料，比如青铜制造。底座是可旋转的。其特征在于，包含旋转座和固定设置在旋转座中间的齿轮，所述齿轮的上下位置均设有与齿轮相啮合的齿条，为第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条相互平行，所述第一齿条由设置在第一齿条两端的第一油缸组带动，所述第二齿条由设置在第二齿条两端的第二油缸组带动。底座的外壳设计简单，主要起到支撑和保护作用，在各个连接处有需要设置密封防尘，以便提高使用寿命。为了满足工作需要和经济效益，本文选择珠光体灰铸铁，其性能好，可以满足设计需要，工艺简单，方便生产，可以节约成本。图4-2底盘蜗轮蜗杆4.1.2腰部回转部分腰部回转部分就是大臂臂座，上端连接大臂。主要通过安转法兰进行组装。因为是传动链的起始部位，所以对机械手末端的影响较大。因此，该部分的材料必须耐用且强度够高。本文选择高强度铸铁铸造臂座。并且为了保险起见，在臂座的两耳部位焊接加强筋。驱动臂座如图4-3所示。图4-3驱动臂座4.1.3大手臂部分大手臂部分主要包括手臂、安装法兰等。位于传动链中部，其上端连接小臂，也要受到来自工作时的负载，所以也要求一定的强度。本文选择合金钢作为制造大臂和相关法兰的材料。大手臂工作时会受到小臂和打磨机的重量等外力，为了保险起见，设计加强筋提高抗形变能力，加强筋通过焊接完成，如图4-4所示的。图4-4大手臂4.1.4肘关节部分肘关节部分如图4-5所示。该部分零件部分拥有标准件，所以直接选购。图4-5肘关节部分4.1.5小手臂部分小手臂部分可以说成大手臂的缩小简化版，但由于小手臂要与腕部连接，所以在腕部侧的结构要稍许复杂一些，如图4-6所示。图4-6小手臂部分4.1.6手腕部分手腕部分设计了不同的末端部分执行器，这样它就具有拾取不同形状的物体的功能，在实现抓取功能时，在爪子指尖处会贴上传感器片，就可以实现对力的实时监控，并进行对力大小的控制。4.2机械手结构分析与优化机械臂的工作属于简单的机械动作，但是工作强度高，动作反复次数多，工作时间久，很容易产生疲劳，严重时可能会造成机器损害，造成事故。所以对机器做力学分析至关重要。本文选择系统中重要的大手臂和小手臂作为研究对象。确定它们的受力情况，做受力分析计算扭矩。然后再在ANSYS软件中虚拟仿真，施加约束和受力来模仿大小臂工作时的载荷，然后根据软件得出的各个云图来分析论证，完成对机器的优化设计。4.2.1静应力分析首先对大臂做受力分析，类似电机的设计，选择大手臂所受载荷最大的情况做受力分析。根据分析，大臂受力最大的情况如图4-7所示。此时的第三关节的转角为-20°。图4-7大手臂静力分析图根据上图中的数据代号对大手臂及上端部分受力分析并计算，计算如下。；；；.因此，得出大手臂上端受力990牛，下端受力1490牛，手臂上部分扭矩为262N*m，下部分扭矩为1065N*m图4-8小手臂静力分析图依据同样的方法，根据上图中的数据代号对小手臂上端部分受力分析并计算，计算如下。；；；得出小手臂上端受力750牛，下端受力990牛，手臂上部分扭矩为91N*m，下部分扭矩为562N*m4.2.2有限元分析与结构优化ANSYS软件可以导入模型，设置约束、选择材料、加载作用力、划分网格，然后进行有限元分析,直观的反映出零件的应力、应变、总位移。从而方便我们对材质进行选择和对模型进行优化。对于本次设计，大臂和小臂是至关重要的部件，两者的形变直接影响到打磨系统的工作精度。所以本次有限元分析选择大臂和小臂。在大臂两关节处设置重力和扭矩，仿真大手臂在工作时的受力情况，然后选择好材料，并且开始划分网格。网格如图4-9所示.图4-9大手臂网格化等待电脑计算完毕，就可以得到大臂工作状态的应力云图，应变云图，位移云图。在云图右侧是各种颜色区域对应的应力应变大小。应力云图见图4-10。云图中直观的显示了大臂的最大应力为34MPA，位置在大臂上关节处。应力反映了内部受压情况，应变量和位移反映了材料发生了形变。云图中直观的显示了大臂的应变最大值为1.29*10-4，如图4-11，其变化是经过放大后出图的，方便我们观察，位移云图中显示最大综合位移为0.068mm，如图4-12。最大应力值34mpa远远低于所选材料的屈服力，所以可以满足设计要求。图4-10大手臂应力云图图4-11大手臂应变云图图4-12大手臂总位移云图小手臂的有限元分析与大手臂相同，经过选材，画网格，加载荷之后计算出图。根据云图可以直观的看到，小手臂工作时最大应力为14551393PA，如图4-13所示,应变云图中直观表示最大应变为4.179*10-5，如图4-14所示,位移云图中显示最大综合位移0.14mm，如图4-15所示。同样，小手臂工作时最大应力值远远低于本次设计中所选材料的屈服力,明显设计满足要求。图4-13小手臂应力云图图4-14小手臂应变云图图4-15小手臂综合位移云图通过对机械手应力集中部件的ANSYS仿真，总体反映了机械手的设计是符合工程实际的，运用同样的方法对其余部件进行分析。如果出现最大应力大于所选材料的屈服强度，需要更换更大屈服强度的材料，也可适当增加厚度、设置加强筋等方式优化设计。5带导轨工作台的设计5.1转台方案拟定转台即旋转平台,本次设计是将其作为配电箱焊缝打磨装置的辅助工作台,要求可以实现位置、速率均可控制。虽然市场上已经有了很多转台产品,但是本次设计的工作台用于承载需要被打磨的工件，所以需要根据工件的特点来设计。而选定一个单轴的旋转工作台，是一个全新方向的机构，可以让我们实现从各个角度都能对坡口进行打磨，通过电机来带动转轴对的旋转从而带动整个工作台面的旋转，通过已经掌握的相关知识来完成设计。根据毕设任务书，工作台直径为，厚度为20mm，材料选取#45钢。设计的主要任务是使得工作台能够水平旋转，而与工作台连接的转轴直接用电机驱动，整个装置机构主要有电机、转轴、底座、齿轮齿条等组成。转轴与工作台直接相连，转轴的运动直接由电机输出，底板与台面通过定位轴相连通过螺栓与轴承固定，其间安装一个定位心轴用于定位，底板与基座同样用螺栓固定。转台的视图如图5-1所示。为了防止待打磨工件在打磨工作使打滑，在工作台上设计卡槽使工件可以固定在工作台中央。图5-1旋转台视图5.2轴承选择5.2.1 轴承的选型轴承在安装时需要预紧，一般内圈预紧装置需要直接依靠一个锁紧的螺母对外圈进行预紧，使内外圈之间产生相对的位移,从而有效地消除游离的轴向缝隙。轴承在预紧是轴承上的橡胶圈套在和轴承的滚动体之间相挤压产生的具有弹性的预紧力变形,如此一来就有效提高了轴承在旋转时的精度。为了保证跨距的要求和旋转工作台的稳定性，本次设计的工作台中，轴承安装在底板与工作台表面之间，所以主要承载的是轴向的载荷，加上本次设计的工作台转速不高，所以选择轴承的代号为51220的推力球轴承，如图5-2所示。图5-2代号51220推力球轴承5.2.2轴承跨距的计算选择精度为p1或p2的靠背安装轴承,由《机械精度设计》表可知其径向跳动精度为,故我们可以直接求得其跳动精度要求的径向跨距为p2<br>背靠背安装的轴承提供的径向跨距跳动精度为背靠背安装的轴承提供的跨距为安装本身的跨距为故设计提供的总跨距为5.2.3轴承的润滑本次的设计主要采用了机油润滑系统中的轴承滴油润滑,因为这种作为工作台的轴承设计所需的轴承转速不大,但是滴油润滑的用量一定需要注意温度的控制,过多的转速和滴油量将直接引起工作台轴承滴油温度的急剧增高,为了使得轴承滴油通畅,常使用一种粘度较小(一般粘度控制等级不高于15)的润滑油。5.3轴的设计轴是最为关键的零件，轴是连续旋转，为了方便线路布置，采用空心轴，并初取空心率。（1）根据轴的扭转量估计轴颈假设载荷为，按照载荷全部集中在工作台边缘来计算。则其转动惯量为：当角加速度最大时，扭矩为式中——式旋转台最大的旋转角度是加速度,为10°/s2。在这个扭矩下，要求轴的角变形小于定位精度的，即式中：u=0.25——Pa；l——轴的长度，预估；——则)又有取=0.6m=60mm（2）根据轴在动载作用下不能被剪断估计轴颈式中：——扭矩，；——材料许用切应力，取MPa，为安全系数s=1故取综合考虑，由于工作台的负载还是较小，转台只对旋转角度有精确要求，故粗取转台最大直径为510mm，为了配合安装轴承和满足转台竖直工作的要求，轴设计为顺阶梯状结构。查阅机械设计手册，决定设计旋转轴第一段直径大约为50mm,长度大约为60mm。第二段轴直径45mm，长度为50mm。第三段轴直径40mm，长度为64mm。5.4导轨的选型直线导轨主要是由滑块，导轨组成。导轨可以加载平台承担一定的运动，其中像这样的直线导轨主要是用在对精度和稳定性要求比较高的运动机械元件和结构上。由于直线导轨系统是传统的滚动钢球导轨，通过滑动块与固定移动导轨之间的无限往复滚动循环，载荷平台可以方便地沿导轨做高精度的往复直线运动。与传统的滑动钢球导轨相比，滚动钢球导轨的高精度和摩擦系数可大大降低到原来的1/50。本导轨设暂时选用台湾上银的HG系列直线导轨，除了可以保证比较高的精度以外，主要还有两个特点：自动调心能力在安装钢珠时容易产生钢珠的弹性方向变形和接触点的运动方向转移,这将导致其在安装时钢珠表面有些细微的偏差,而钢珠可以产生自动的调心能力。这有效使其安装后可以进行高精度稳定的平滑运动。（2）具有互换性上银的HG导轨对于生产制造的严格要求使得导轨滑块都具有互换性，哪怕一个导轨滑块的损坏可以通过互换来使得方便更换。导轨滑块的如图5-3所示。图5-3导轨滑块示意图5.4.1导轨的安装在安装导轨之前，要完成工作台装配面清污工作，采取油石清污就可以有效清除工作台面的污物，如图5-4所示。清污完成后将直线导轨安装在圆形床台上，尽量不要让直线导轨侧边的两个基准面完全水平靠上，然后使床台在一个水平面。图5-4油石清污确认螺栓孔匹配后开始组装螺丝，并将导轨的底面大致固定在床身底部。首先确定螺丝与螺栓孔是否匹配，随后将导轨的底面固定在床身底部，如图5-5所示。图5-5固定导轨5.4.2导轨的润滑与防尘安装完成后，为了增长直线导轨的使用寿命，还应该采取适当的润滑和防尘措施，防止滚动部分的摩擦增加。采用润滑剂不仅能改善摩擦状态，同时还可以防锈蚀。由于导轨工作时会产生摩擦热，采用液体润滑剂即润滑油。6控制系统的设计与构建在工业生产中，基本需要机器连续性作业，所以自动控制非常关键，这会很大程度上解放人工劳动力。这不仅使生产效率有效的提升，还保证了自动打磨系统的精确性和稳定性。本文将采取PLC控制系统实现焊缝自动打磨。6.1自动控制方案自动打磨系统是由6自由度机械臂、PLC控制系统组成的一个闭环控制系统。工作原理:当系统开始工作，机械臂携带打磨机进行打磨工作。通过相机观察到的位置信息经过A/D转换器转变为数字信号，并传递给系统让机械臂可以正确运动到待打磨面进行打磨工作。在打磨期间，位于机械手指尖的传感器可以实时检测下压的压力，并将电流或者电压信号传递到PLC控制系统。若测定压力值与给定量相差不大，则打磨工作正常进行。若测量值比给定值更大，则控制系统开始工作，根据负反馈，执行器使机械手略微上抬，将打磨力度降低。反之测定值偏小，则控制机械手适度下压，增加打磨压力。整个打磨期间，打磨压力处于给定值附近，并且保持动态平衡，从而实现对待打磨工件稳定、高效的打磨拋光加工。关于打磨机器人系统方框图如图6-1所示。图6-1系统方框图整体系统以焊缝特征库和打磨工艺数据库为基础，首先将模型输入打磨系统上位机进行预处理，处理完毕后将焊缝清单下发至PLC，在人机交互界面（HMI）上对数据完成修改和设置后，PLC将焊缝清单下发至机器人控制系统。机器人发出激光扫描请求，激光扫描系统对焊缝位置进行确认，确保焊缝位置无误后，机器人开始进行打磨作业，整体工作流程如图6-2所示。图6-2系统工作流程7总结本文在自动焊缝打磨系统领域展开讨论，进行了工艺规划和机械臂的建模。以有缺陷的长条焊缝和焊瘤为工作对象，根据它们的特征建立了工艺规划。根据相机采集的焊缝图像构建数据，以这些数据作为控制系统的变量设计自动控制系统。结合国内外焊缝打磨机的现状，从实际出发，运用目前已经成熟的技术尽可能的实现自动化的打磨，解放劳动力。本次设计中进行了比较详细的强度计算和校核，设计尺寸都能满足要求。经过实际操作论证之后，未来便可以推广到机械打磨行业中。通过此次的毕业设计，我参考了机械设计等资料，很好的将理论与实际结合起来，使我受益匪浅。在机械制造业中，理论知识和实际的结合是至关重要的，只有两者有机的统一起来，不断求实创新，未来的制造业就会更加富有活力。参考文献王金金，尹德猛，胡文浩.焊接技术在动车组铝合金车体焊接的应用及发展趋势[J].焊接技术，2013，42（5）：6-9.尹保亮，任科生等.机器人自动打磨系统在机车大型构件的应用.工业技术和实践.2017，（5）.155~157.李骏驰，李春书等.焊缝打磨机器人的运动学分析与仿真.河北工业大学学报.2017,46(1).付瑶，樊亚斌，崔岩，张丽君，张硕等.曲面焊缝自动焊接工艺的开发与应用.《焊接技术》.2018（8）.110~111丁维民.核电核级工艺管道焊缝UT自动工艺检验分析.《现代焊接》.2014，（7）.49~53方光耀.基于PLC具有示教功能打磨内焊线机设计.山东工业技术.2015,(9).38~39程红，易辉.优化焊缝打磨方案,降低焊缝打磨时长.黑龙江科技信息.2016,(26).15