fa钢丝网架焊接机械手的结构设计

fa钢丝网架焊接机械手的结构设计
绪论
根据建材市场的需求和国家关于创新发展新型墙体材料政策的实施，国家对建筑用材有了更加严格的要求，建筑节能越来越得到人们的高度重视。

我国全面展开了建筑节能工作，迄今为止国家已对全国50%以上的地区下达节能强制性标准和要求的文件。

传统的通过高温烧结黏土形成的红砖作为墙体材料的生产过程严重破坏生态环境，并极度浪费资源与能源，成为经济社会可持续发展的最大障碍之一]1[。

钢丝网架珍珠岩夹芯板是一种新型墙体材料，它以其自重轻、保温、隔热、隔音、抗震能力高、施工方便、价格低廉等优点，广泛应用于工业建筑与民用建筑框架结构中的非承重墙体和防火要求高的防火通道、防火墙等部位。

工业机器人技术的研究、发展与应用，使得在生产生活中很多人力难以实现任务通过机器人得以完成，同时也提高了生产效率，有力地推动了世界工业技术的发展。

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。

在当前服役的各类工业机器人中，焊接机器人占了很大比例，其中日本是世界上拥有机器人最多的国家，焊接机器人占到日本机器人总量的35%[2]。

工业机器人又称机械手，由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置组成，是一种仿人操作、自动控制、能在三维空间完成各种作业任务的机电一体化设备，它不但具有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，同时还具有机器长时间工作、精确度高、抗恶劣环境强的能力。

它对提高生产效率，改善劳动条件和产品的更新换代起着十分重要的作用[3]。

目前，我国的珍珠岩行业整体水平较差，大多以小企业为主，生产设备比较陈旧，能耗高，生产效率较低，综合起来并不能体现钢丝网架珍珠岩夹芯板的优越性。

尤其在钢丝网架生产最后一道工序的焊接作业中采用手工焊接，自动化程度低，影响了企业的长远发展。

本文在吸取已有生产设备优点的基础上，为提高钢丝网架焊接作业的自动化程度设计了焊接机械手，使珍珠岩墙体的制备机械达到较高的自动化水平，以大力提高生产效率。

通过引用新设备、新技术，可以大大降低产品的人力资源成本，加速珍珠岩材料在建材市场中的应用，从而降低利用宝贵的粘土资源烧制的红砖块的使用，为推
动了我国珍珠岩工业的发展，具有重要的现实意义。

由以上背景综合起来不难发现，钢丝网架珍珠岩夹芯板墙体材料有巨大的市场潜力，也是应我国发展绿色墙体材料的进程而生。

为提高墙体材料生产制造的效率，有必要开展对钢丝网架珍珠岩焊接机械手的研究设计，实现珍珠岩夹芯板焊接作业的自动化。

本文的主要章节如下:
第1章：简要介绍了本课题研究的焊接机械手的工作环境。

第2章：焊接机械手的总体方案设计：根据作业要求机械结构设计特点，进行本设计机构的选型，并却确定机械手自由度，材料的选用，机械手主杆件尺寸的确定。

第3章：完成了机械手传动系统设计与驱动方式的选择。

第4章：机械手各部分结构的设计：根据机械手的主要杆件尺寸并利用三维建模SolidWorks软件完成焊接机械手的机械结构装置设计，绘制各个工件的三维图。

第5章：选择合适的标准件级专业件，并完成装配工作。

绘制主要零件二维工程图。

总结与展望：总结本文主要工作，及这次毕业设计的经验，并对后续学习工作进行展望。

1焊接机械手的工作环境
钢丝网架珍珠岩夹芯板是以膨胀珍珠岩为芯材，中间埋设S型钢丝骨架，芯材两面覆以钢丝平网，通过焊接将钢丝网与S型骨架焊成一体，并以水泥砂浆作面层的复合墙板，钢丝网架珍珠岩夹芯板结构如图1-1所示。

钢丝网架是由平网和S型钢丝焊接而成，网架厚度约为76mm；内填胶凝压制成型的膨胀珍珠岩芯板，厚度约为5Omm，珍珠岩内固定有S型钢型骨架[4]。

图1-1 钢丝网架珍珠岩夹芯板
目前夹芯板的成型工艺一般由机械成网和手工成板两部分组成。

机械成网是钢丝网焊接机组(如PMH-25型机组)完成。

镀锌钢丝经转盘放线架、纵丝调直机调直、剪网机切割、平网点焊机、卸网架等焊接成100mm×100mm的平网格板；弯曲机将调直的镀锌钢丝弯曲成若干S型钢丝，构成轴向网架；平网在两边定位固定，用专用工具为S型钢丝定位；膨胀珍珠岩颗粒与泡花碱、憎水剂等材料按配方比例混合后，定量送人装有S型钢丝的模具中，在压力机下压制成型；成型芯板再经翻转，除去压制外模，叠放后进入烘干窑烘烤。

机械成网的加工过程可由可编程控制器控制，工作可靠，操作简单，自动化程度较高。

图1-2 钢丝网架的生产工艺流程图出窑后在焊台上手工成板，用点焊机将S网的凸点分别焊在两边的平网上，脱去芯板内模框后经检验、包装人库，从而制成整体式S型穿丝焊接成钢丝网架芯板。

手工成板过程现阶段未实现自动化，要耗费大量的人力和时间，钢丝网架生产工艺流程和焊接生产现场如图1-2和图1-3所示。

在此情况下，单一通过手工焊接难以满足焊接质量和焊接效率的要求，使得钢丝网架珍珠岩夹芯板的产量难以有较大的提升，因而迫切需要提高焊接过程的自动化程度。

图1-3 钢丝网架焊接的生产现场
2焊接机械手的总体方案设计
焊接机械手的操作机一般是由机座、手臂、手腕、末端执行器（夹持器和焊枪）及动力装置组成的机械装置，如同人一样，它主要通过旋转副和移动副连接而成，只需6个自由度便可达到空间任意位姿。

机械手的结构参数直接影响其工作性能，合理的结构设计可以提高机械手工作的可靠性和效率，具有良好的经济性和有用性。

焊接机械手机械设计的特点是由它的独特结构决定的。

一般来说，机械设计需保证所设计的机械装置能在极限负载条件下正常的工作，而焊接机械手的主要工作是实现焊接作业，负载较小且其极限负载的降低可通过降低运动速度来实现。

2.1 方案要求
针对现在国内钢丝网架珍珠岩夹芯板的生产过程，其钢丝网架焊接主要作业采用手工作业，生产效率和自动化水平低。

由此，本文设计焊接机械手实现其生产工序中钢丝网架焊接部分的自动化。

根据现场的工作需要和实体板材的参数，如图1-1所示，其工作要求为:
(1) 焊接对象为钢丝平网与S型钢丝相交的凸点，夹芯板的横截面积为2500mm×1200mm，板材厚度为100mm，焊点共12排25列，起点A距离板材两边缘各50mm，相邻焊点之相距100mm；
(2) 机械手在给定板材工作范围内能连续运动，点焊固定的离散点，运动的时间尽可能短；
(3) 机械手的参数设计要根据实体板材的已知尺寸确定，既要满足机械手达到板材的最远点B，又要满足机械手达到距离板材的最近点C；
(4) 焊点强度要求:焊点的抗拉力 330N，无过烧现象；
(5) 焊点质量要求:为保证钢丝网架的承载能力，不允许过多漏焊、脱焊；网架漏焊、脱焊点不应超过总焊点数的8%，且脱焊点不能集中在一起，连续脱焊点不应多于2个；靠近边缘200mm区段内的焊点不允许有脱焊、虚焊现象。

图2-1 钢丝网架平面图
2.2 机械结构设计特点
机械手的结构设计应根据它的实际应用工种来决定。

对于机械手而言，增加杆件的尺寸虽然可以提高机械手的局部刚度和承载能力，但整体的结构变笨重，体积变得过大，质量增加，翻来过来对刚度的要求更高，动态性能可能会因为惯量J的增加而变差，灵活度变弱，精度也随之变低，且各关节电机的驱动功率也会随质量的增加而提高，在电机的选择上更为严格，都增加了机械手的设计成本。

本课题中焊接机械手的主要目的是准确定位到钢丝网架的各个焊点并实现焊接作业。

焊接机械手结构设计的主要思路是在满足作业任务要求的前提下，尽量减轻机械结构的体积和质量，减少传动系统的复杂性，实现稳定传动与精确定位，使得焊接机械手的灵活性和稳定性并存。

2.3 机构选型
机器人按照结构形式可分为关节型机器人和非关节型机器人。

在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有更多的绝对工作空间和相对空间，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活。

关节型机器人各个关节的自由度高，可由移动自由度和转动自由度的不同形式组合而成，它决定了机器人手臂的运动坐标形式和空间运动范围[5]。

焊接机械手完成焊接作业，相对于在其他工业上应用的机械手来说，本文所设计的机械手在根据工作任务所需达到位姿方面相对简单。

本文最初设计的两种方案：
方案一：采用直线导轨式，即如同机床的导轨的设计方法，直接采用三条导轨，通过三个步进电机来使焊枪和夹持部分一起移动到需要焊接的位置，并完成焊接工作，优缺点：成本低，工作速度快，机器的刚度好，能将其改为生产线工作，操作控制简单，遇到问题易检修，适用于二维平面的焊接任务。

（但直线导轨采用丝杆传动，在焊接工作中可能存在焊渣掉去导轨中，从而影响精度。

因为精度难以保证，并可能因为精度的原因，使有的点在焊接过程中出现漏焊无法达到最初的目的）。

方案二：六自由度的拟人形态焊接机械手，具有多个旋转关节的关节型机器人，可以达到工作空间所需的各个位姿，同时具有良好的可扩展性，良好的能换性，可改装成它用机械手。

优点：机器手的适应工作能力更强，能够适应三维空间的焊接任务，工作灵活性更高，同样能安装在生产线上进行工作，方便移动安装工作，最大的优点是只需更换焊接头部分（末端执行器）即可将焊接机械手变为其他工作机械手（如换成电动螺丝刀、钳子，剪刀来实现拆弹和爆破工作，完成极其危险的工作）。

综合各类因素，最终根据各自的优缺点设计方案选定为六自由度的焊接机械手。

机械手结构方案如图2-2。

图2-2机械手的结构方案图
机械手末端执行器上装有传感器，控制系统采用半封闭式，根据传感器反馈的位置和系统给定程序进行运动。

（本设计对控制部分不作具体研究）
2.4 自由度的确定
焊接作业一般是定义在空间直角坐标中的。

确定焊枪的位置需要三个独立参数
x, y, z；在作业时焊枪的自转用以保证末端执行器与钢丝网保持2个垂直，即：与网架面垂直，与焊机处钢丝垂直。

在这种情况下，才能保证达到最好的焊接效果，所以描述焊枪的姿态有三个独立参数[6]。

因此，用机械手实现焊枪的位姿需要至少六个自由度。

底座与腰部旋转、肩部、肘关节和手腕部分的上下摆动、旋转、左右摆动共六个自由度实现末端执行器的位姿。

本课题研究的焊接机械手具有六个自由度，腰关节、肩关节、肘关节和腕关节各部分之间的运动通过转动副实现。

初步确定焊接机械手的结构方案如图2-2所示。

腰部转动关节实现机器人本体除机座固定以外的所有部分的转动；肩关节和肘关节都是转动关节，可以在一定范围内调整大臂、小臂、焊枪与钢丝网间的位姿(位置和姿态)；腕关节包括两个关节，分别实现焊枪的俯仰和摆动。

2.5 材料的选择
机器人手臂所用材料的选择应综合手臂的工作环境和任务要求来考虑，并满足机器人的设计和制作要求。

机械手的设计思路是从工作任务出发，最终要求机器人手臂要完成各种运动。

因此，在选定对材料时，一个方面的要考虑到材料是作为运动的部件，它应是轻型材料。

另一方面，手臂在运动过程相对比较慢，运动中易会产生振动，振动必然大大降低它的运动精度。

所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考量，以便有效地提高手臂的动态性能。

此外，机械手的机座是直接固定用的，并不需要运动，在选材时仅需考虑刚度成本即可，机座底板较厚，本文直接采用铸铁铸造而成。

机器人手臂做为一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。

在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。

也就是机械手手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素[7]。

为节省驱动力矩，机械手臂在选择材料时尽量在满足强度条件下选择最轻型材料，查阅各种资料本文终选定为碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢。

合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢，这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了4~5倍、弹性模量E大、抗变形能力强，相对质强比小，是应用最广泛的材料。

本文轴类零件选用40Cr，板材选用45钢。

2.6 机械手的主杆件尺寸
利用罚函数法，建立目标函数，进行有约束的非线性规划求解可以得到主杆件的尺寸[8]。

根据 D －H( denavit ＆ hartenberg) 方法，建立基座坐标系并在每个连杆上建立各杆件坐标系，如图2-3所示。

图2-3 六自由度机械手的连杆坐标系
图2-3 中，1θ为腰部回转角，2θ为大臂俯仰角，3θ为小臂俯仰角，4θ为腕关节
俯仰角，5θ为腕关节旋转角，6θ为腕关节摆动角；0L 为肩部与地面高（mm d 12001+），其中1200mm 机座安装高度，根据具体工作环境而改变，2L 为大臂长，3L 为小臂长，4L 为腕关节中心到焊枪末端的距离（其中包括：一个转动部分、一个摆动部分和一个夹持部分）。

各连杆及关节的参数如下所示：
①mm d
4001=，mm L 16000=，︒≤≤︒-1351351θ ②mm d
02=，mm L 12502=，︒≤≤︒-901352θ ③mm d
03=，mm L 11503=，︒≤≤︒-901353θ ④mm d
04=，mm L 04=，︒≤≤︒-904135θ ⑤mm d
05=，mm L 5005=，︒≤≤︒-1801805θ ⑥mm d 06=，mm L 1106=，︒≤≤︒-90906θ
注：其中值为0，表示数值比较小，在总长不变的情况下，应用在具体设计绘图过程中可有适当的变动，不作过细注释。

（本数据是将钢丝网架平放在工作台上，做出的优化数据，不能代表网架安放非平放时一定适用。

）
3 传动机构的设计与驱动方式的选择
机械手的运动主要是通过各类电动机伺服驱动器经过各种传动装置减速后驱动负载的，或通过液压传动等方式。

本文在末端执行器夹持部分的驱动力上就是采用的电磁力来驱动的。

驱动方式的选择好坏将直接影响到机械手的运动平稳性和控制精度。

3.1 传动机构的设计
一般常用的机械传动机构有齿轮传动、带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动等。

根据实际工况在选择传动方式均有自身的优缺点，在实际应用中，对于同一机械，在不同的位置，设计者通常会根据其不同的工作要求，多采用不同种类的传动方式，这样通过不同传动方式的组合来达到最优的效果[9]。

由于一般的驱动系统输出力矩较小，带负载能力弱，通常利用传动机构来增加力矩以提高带负载能力。

但由于工业的发展，现在市场出现很多相对而言较大输出力矩的电机，因此出现很多直接采用电机轴为驱动方式的机械产品。

本设计中也借鉴了此种传动方式。

3.2 驱动方式的选择
机械手的驱动装置是带动各个关节运动到达指定位置的动力源。

常见的驱动方式有电机驱动、液压驱动、气压驱动三种。

气压驱动的工作介质是高压空气，操作简单易于编程，但其带负载能力小，体积大，位置精度低；液压驱动以高压油为工作介质，能得到较大的动力，虽然精度上较气压驱动有了提高，但液体对温度变化敏感，易造成泄露并对环境造成污染，并且液压和气压驱动都易产生巨大的噪声。

而电动机驱动具有启动转矩大、控制灵活、使用方便等优点在机器人
设计中的得到广泛应用。

驱动电机主要包括三大类:直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。

直流伺服电机便于调速，具有良好的机械特性，但直流电动机的动态特性差，尤其是在低速运转条件下，同时其转动惯量和尺寸较大，因此不便于在有较高精度要求的机器人中使用；交流伺服电机主要用于闭环控制，通常用于位置精度和速度要求高的机器
人中；步进电机主要适用于开环控制系统，具有控制性能好、可实现速度和位置的精确控制、以及体积小等优点，常用于控制系统简单、成本低的简易机器人中。

本设计中采用步进电机就能满足实际使用的要求。

步进电机有三种基本类型：永磁式、变磁阻式（反应式）和永磁感应子式（混合式）。

其中永磁感应子式步进电机又称混合式（HB）步进电机，他综合了永磁式和磁阻式电机的特性。

因为集合了两者的优点，无论是在定位转矩、还是在输出转矩方面都比其他两种电机有所提高。

这类电动机具有优良的分辨率、输出转矩和加速度等特性，典型的步距角为︒
9.0，对于大功率电机而言，可以如图3-1所示
~
︒6.3
制作成多段转子[10]。

图3-1 单段体和多段体混合式步进电机此部分选自《微特电机应用技术手册》第580~581页。

这也是为什么本文在在设计时，在有些部位直接采用电机轴的根本原因，因为它的步距角为︒
9.0，步
︒8.1
~
距角十分小，不在采用变速装置的情况下，可直接满足本设计的机械手的运动所需角度，采用电机轴不断使的机械手的结构简单，质量大大减轻，材料的刚度要求更低，同时采用多段体混合式步进电机完全可以满足焊接机械比较小的结构和相对较小的转矩要求，可能此种设计在电机上的成本比常规方法所选的电机成本高些，但由于省去减速设备的设计，也方便安装和后期的维护，编程时不用考虑其他因素，使得综合起来成本大大降低，所以此法合理。

机械手的肩关节和肘关节分别安装一个步进驱动电机，实现各个关节的旋转运动和俯仰运动，而腕关节安装有两个步进电机，分别完成俯仰和摆动。

焊接机械手的各关节在驱动电机的相互协调下运动，末端执行器可达到预想的位置完成焊接作
业。

这通过计算后可直接采用电机轴进行设计，可满足工作任务的要求。

末端执行器的夹紧部分采用电磁力驱动来实现夹紧工作。

其原因在本文的（4-1
末端执行器的设计）中给出了具体的说明和两种方案的对比。

在机械手的腰关节驱动力的选择时，充分考虑到如果机械手的整个手臂再完全
伸直状态时，重心和机座的距离很远，根据公式F r F M ⨯=)(0，使得此部分在转动
时所需要的转矩不较大，如果直接采用电机轴很难实现腰部的转动。

根据公式：
6
09.5510P T n =⨯ ， 1212i T T = 因而需要采用减速传动机构来增大转矩，从而提供电动机的带负载能力。

机械
手传动机构的特点有：
(1) 传动刚度大，即在相同的扭矩下，由驱动器的输出轴到关节的转轴角度变
形小，这样可减轻整机的低频振动，提高固有频率，避免产生共振而对机械手造成
巨大的损害，或隐藏重大安全隐患。

(2) 结构紧凑，即具有相同的传动比和传动功率时，体积相对较小，重量较轻
轻。

(3) 回程差小，即空行程要小，这样可提高位置控制精度。

(4) 使用寿命长，便于维修。

(5) 设计成本和维护成本低。

谐波传动是一种大传动比的减速机构，经过对谐波减速器相关资料的查阅，了
解到谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。

与一般
齿轮传动相比，谐波齿轮传动有以下优点：传动比大，目前市场上的谐波齿轮传动
比一般为100，可达到200以上，“范围宽、结构简单、体积小、重量轻；同时参与
啮合的齿轮对数比其他齿轮传动多，承载能力大，且阻尼较大；传动精度高，在相
同制造精度下，谐波齿轮传动比一般齿轮传动的精度至少高一级；齿侧间隙便于调
整，易获得零侧隙传动。

传动效率高，单级传动效率约为65%-90%。

其缺点是:由于
柔轮的疲劳强度问题，限制了输入速度；扭转刚度低，尤其是在低扭矩情况下，这
限制了它在机器人中的应用；当输入转速等于或者是啮合频率的2倍、4倍、6倍时，
会产生明显的振动，这对于低速运动的连接件很不]11[利。

”因而本设计中将此种传动
方式排除在外。

最后综合所学传动结构的优缺点、传动机构的基本要求以及现场的作业任务要求，本文选用齿轮传动和蜗轮蜗杆传动的组合方式作为机械手的传动机构。

由于腰部关节是个转动关节，速度要求不高，但腰部关节需要带动除机座以外的其他部件转动，故要有较大的转矩，采用减速的齿轮传动可以达到腰部关节的转动要求，本文腰关节综合体积与工作任务最后直接选用带减速器的步进电机。

具体计算数据和公式在第四章各个部分的设计给出。

4 机械手各部分机械结构的设计
4.1 末端执行器的设计
末端执行器也就是机械手的手部，安装在机械手的最末端，机械手与产品网架直接接触的重要工作部件。

其上装有夹持部分和用于焊接的焊枪等。

在焊接过程中，既要保证末端执行器到达的点是正确的，就是说机械手整体要有较高的精度和灵活性；也要求保证末端执行器与钢丝网保持2个垂直，即：与网架面垂直，与焊机处钢丝垂直。

在这种情况下，才能保证达到最好的焊接效果。

这两个垂直由机械手的机身的各个关节的6个自由度来协调实现，并通过传感器和反馈系统协同完成（半闭环系统）。

末端执行器主要作用是夹持和焊接工作，夹持好了后进行焊接工作。

（夹持所需的加紧力大约为100N左右）
夹持部分设计2种方案进行选择：
方案一：采用液压为驱动力的夹紧装置。

优点：夹紧力大，有良好的持续力作用其上，稳定持续性好，有一定的缓冲的作用，冲击小。

方案二：采用电磁力为驱动力的夹紧装置。

优点：总体体积小，安装方便，在电压充足的情况下，能有较大的加紧力和持续性。

两种方案进行对比，液压式虽然比电磁式可实现更大的夹紧力，对加工工件的冲击更小，但考虑到所要加工的工件是焊接钢丝网，其夹紧力只需100N左右，焊接后网架是直接在板内部的，对其机构精度没有很高的要求，在夹紧时产生的冲击对其没有任何影响。

其中液压式其总体占用空间会远大于电磁式，还需要考虑到液压管的安装，电磁式只需用电线，易于安装维护。

液压式用一定的时间后可能会出现漏油的情况，对环境有污染，很重要的一个原因是此部分离焊枪太近，焊接时会有。