焊接机械手手臂设计及分析

焊接机械手手臂设计及分析
本文对焊接机器人小臂部分进行结构设计，该部分的关键部件是中心轴，但中心轴是细长轴，将产生较大的挠度，这对机器人的运动精度及寿命是相当不利的。

可通过对其建立有限元模型，用ANSYS对计算输出的结果进行处理，对结构性能的好坏以及设计的合理性进行评估，并作相应的改进和优化，以达到最终的目的。

标签：焊接机器人；手臂；轴；强度；分析
汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应用领域，在装配每台汽车车体时，大约60%的焊点是由机器人完成。

焊接机器人是工业机器人最大的应用领域，它占工业机器人总数的25%左右。

由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等对人体造成危害，因而，此课题的提出就有十分重要的意义。

1焊接机器人驱动与控制系统的选择
通常根据机器人各部分的功能，其机械部分的组成如图1所示。

机器人各关节（即各轴）的运动，最终都归结为相应各轴的驱动电动机的转动。

根据本课题的要求，选用交流伺服电动机来驱动。

根据一些资料和电动机规格（SGMGH-44A/A21）最终确定电动机的参数如表1所示。

2 小臂部分的设计方案
确定系统结构
点焊机器人示意图如图2所示。

根据机器人整体的功能要求，小臂部分需要3个电机分别完成3个自由度（U轴管的转动、腕部的转动、腕部的摆动）。

三个电机工作若用三根独立的轴会占用很大的空间、增加机器人的重量。

于是产生了三轴同心的结构——四轴机构，并采用同步带传动。

由此，确定小臂部分结构方案如图3。

本机构承担着三个自由度的动力输出：a、电机1的动力通过中心轴直接传到腕部提供腕部转运动所需的动力；b、电机2通过同步齿型带、中心轴管把动力传到腕部，提供腕部摆动所需的动力；c、电机3通过同步齿型带、RV减速器把动力传到U轴管，提供U轴管转动动力。

3 轴的设计及强度校核
对于中心轴和中轴管两个零件的设计对机器人的性能影响至关重要，根据电机以及联轴器的直径得d1=20，查《机械手册》第四卷，设计出轴的尺寸。

考虑
到工艺性的要求，长轴的中部设计成管状，其接头部分为焊接接头。

为了使设计简化，按抗扭强度计算出空心管与实心轴的等效尺寸，其中实心轴直径d=22mm，空心轴直径D=26.9mm。

对于焊接处取3mm。

故合成后取D=26（轴肩）+3*2（焊缝）=32mm。

由于中心轴，中轴管为一般用途的轴，可选45钢，进行调质处理。

按弯扭合成法和安全系数法校核，两者都是安全的。

4 结果分析
设计细长轴时一定要注意其抗弯强度，此次设计的中心轴虽然强度是安全的，由于机构较长，产生较大的挠度，这对机器人的运动精度及寿命是相当不利的，可采用对腕部的结构进行调整，缩短斜齿轮与轴承的距离，这样可以把齿轮的径向力尽可能的转移到轴承上，从而减小中心轴所受的弯矩。

5进行有限元分析
1）在ANSYS中进行建模
在ANSYS中建模，定义单元类型（Structural Solid 和Tet10node 92）和材料属性（弹性模量E=2×1011Pa；泊松比？滋=0.25；密度？籽=7.85g/cm3），并划分网格。

图5中，位置A焊接处，为x、y、z三个方向全约束；位置B处的外圈只有角接触球轴承支撑，所以此处的约束为y、z方向约束，而x方向是没有约束的。

b、施加集中力
图6中，在斜齿轮的作用下，A处受到了载荷分别有：径向力Fr=175.6N 和圆周力Ft=472.4N；而在轴心方向受到载荷有：轴向力Fa=100.4N。

c、ANSYS求解
d、浏览分析结果
分析结果：变形形状生成结果如图6所示，节点位置云图如图8所示，应力分布生成结果如图8所示。

从图中可以知道，在力的施加处存在了最大的应力，其应力节点值为503.919Pa，最大位移为0.01mm。

符合45号钢的强度要求和机器人工作手臂运动轨迹的高精度和准确性的要求。

6 结束语
焊接机器人手臂的总体结构设计：
1）通过对焊接机器人的工作原理和运动轨迹要求来选择其驱动方式采用交流伺服电机驱动、以及必要的运动轴参数。

2）确定小臂部分的具体设计方案，并对影响重大的中心轴和中心管进行强校核，通过强度和刚度校核本设计采用45号钢以及设计的结构形状符合设计要求。

3）使用Pro-e进行建模，再使用ANSYS进行有限元分析，对结构性能的好坏和设计的合理性进行评估，并作相应的改进和优化，以达到最终的目的。

4）本次设计点焊机器人小臂部分的强度和运动精度均足够，但我们还可对腕部的结构进行调整，缩短斜齿轮与轴承的距离，这样可以把齿轮的径向力尽可能的转移到轴承上，从而减小中心轴所受的弯矩。

参考文献
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