六自由度焊接机器人设计

1、毕业设计（ 论文） 中文摘要题 目:六自由度焊接机器人摘要：机器人焊接机，又称焊接机器人，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。焊接机器人有下列主要意义：稳定和提高焊接质量,保证其均一性；改善了工人的劳动条件；提高劳动生产率；产品周期明确，容易控制产品产量；可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。本文通过结合图形，详细阐述了关节型六自由度焊接机器人设计的主要过程， 进行整体方案确定，选择驱动方式，明确各关节的具体传动方案，并且介绍了确 定各技术参数、零件尺寸、详细结构设计的方法与过程，最后进行各主要零部件 的校核计算。通过各个步骤的详细设计和计算，最终得出了六自由度焊接机器人最终设计

2、的整体方案，实现了焊接机器人的具体工作范围要求。关键词：关节型、六自由度、焊接机器人、结构设计、驱动方式、传动、校核毕业设计（ 论文） 外文摘要TitleSix Degrees of Freedom Welding RobotAbstractRobot welding machines, also known as welding robots, is engaged in industrial robots(including cutting and spraying). Welding robot has big important meanings as the followings:

3、stability and improve the welding quality and to ensure its homogeneity; improve the working conditions of workers; improve labor productivity; product life cycle is clear, easy to control the product yield; shorten the replacement cycle of product modifications, reducing the corresponding investmen

4、t in equipment.Through a combination of graphics, the paper elaborate on the six degrees of freedom articulated welding robot design process, to conduct an overall program to identify, select the drive mode, clear the joint transmission scheme, and determine the technical parameters, part size, deta

5、iledstructural design methods and process, the final check of all major components of the calculation.Through the various steps of the detailed design and calculation, the paper ultimately come to the final design of the overall program of six degrees of freedom of welding robots, welding robot spec

6、ific scope of work requirements.Keywords：Polyarticular,sixdegreesoffreedom,weldingrobots, structural design, drive, drive, check目录1绪论21.1课题研究的目的和意义41.2本课题国内外研究现状和发展趋势51.3本次设计主要完成的工作72焊接机器人总体方案确定72.1总体传动方案72.2驱动方式选择72.3各关节传动方案83技术参数的确定及详细结构设计123.1主要技术参数确定123.2传动结构设计163.3详细结构设计184零部件的计算及校核264.1直齿圆锥齿轮的

7、校核计算264.2直齿圆柱齿轮的校核计算294.3轴的校核计算36结论38参考文献39致谢401绪论“机器人”一词最早出现于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的剧本罗萨姆的万能机器人中。1984 年，ISO（国际标准化组织）采纳了美国机器人协会（RIA）的建议，给机器人下了个定义，即“机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具，为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of materials,p

8、arts,tools or specialized systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks）”。1工业机器人作为现代制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生重要影响。机器人是柔性自动化的集中体现。自从美国推出世界上第一台工业机器人Unimate 以来，机器人技术的研究和发展过程经历了三个阶段：（1）第一代是示教再现型的机器人，这类机器人不具备外界信息反馈能力，很难适应变化的环境。目前这类机器人仍在一些工业

9、生产线上应用着；（2）第二代是具有一定的感知能力的机器人，它们对外界环境有一定的感知能力，具备听觉、视觉、触觉等功能，根据传感器获得的信息灵活调整自己的工作状态，保证能够在简单的动态环境中完成预期的任务。（3）第三代是智能机器人，它不仅具有很强的感知能力，而且具有独立的判断、行动、记忆、推理和决策的能力，甚至具有任务级的编程能力，因而操作者可以通过非常简单的操作使之完成更加复杂的任务。焊接是制造业中重要的加工工艺方法之一，由于诸多飞速发展着的因素的推动，焊接制造工艺正经历着从手工焊到自动焊的过渡。焊接过程自动化、机器人化以及智能化已成为焊接行业的发展趋势，智能化焊接技术已成为焊接界研究的新热点

10、。机器人焊接机，又称焊接机器人，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（Manipulator），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，是一个机电一体化设备。2（a）（b）图 1焊接机器人产品（a）（b）图 2焊接机器人加工状态焊接机器人分类按用途来分类，可以分为：（1）弧焊机器人（2）点焊机

11、器人。按结构坐标系特点分为：（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）球坐标型（4）全关节型。根据受控运动方式分为：（1）点位控制（PTP）型（2）连续轨迹控制（CP）型。安驱动方式分为：（1）气压驱动（2）液压驱动（3） 电器驱动。3智能化焊接机器人（IWR）系统由 6 自由度弧焊机器人本体外加一个自由度的摄像机、熔透控制计算机、含及接口控制和、电焊机和送丝机等部分构成。3焊接机器人的基本组成4：1.1课题研究目的和意义传统的焊接工艺实施主要依靠手工操作和人工经验，在我国，人工焊接仍 然占据着焊接作业的主导地位，其具有环境恶劣、劳动强度高、生产效率低、 产品质量不稳定的特点，难以实现高精度的焊接

12、要求。随着计算机与自动化技 术的渗透，焊接作业已经由传统的手工作业逐步发展成一定规模的机械化、自 动化以及机器人焊接制造。由于焊接机器人具有高效率、质量稳定、通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。采用机器人焊接已成为焊接自动 化技术现代化的主要标志。焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的 40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：1稳定和提高焊接质量,保证其均一性。2改善了工人的劳动条

13、件。3提高劳动生产率。4产品周期明确，容易控制产品产量。5可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。1.2本课题国内外研究现状和发展趋势4-11自从世界上第一台工业机器人 UNIMATE 于 1959 年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人；第二代 是具有感知能力的机器人；第三代是智能型机器人。在国际范围内，工业机器 人作为现代制造业主要的自动化设备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、装配、搬运、加工、喷涂 和码垛等复杂作业。日本、北美、欧洲、韩国等工业经济发达国家和地区是工 业机器人生产和应用的主要

14、地区。目前，国内外大量应用的焊接机器人系统，从整体上看基本都属于示教再现型的焊接机器人。这类焊接机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接过程中缺乏“柔性”和适应性，表现出明显的缺点。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，研究探索智能化焊接机器人的关键技术已成为必需。为了改进示教再现型焊接机器人的适应功能，需要从模仿焊工观察感觉、思考决策、以及协调操作等人工智能行为入手，研究智能焊接机器人的关键技术，并发展智能型的焊接机器人，推进机器人焊接的智能化水平提高。我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于 20 世纪 70 年代。到 80 年

15、代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常熟悉 的工业产品。鉴于国内外形势，国家先后将工业机器人的开发计划纳入“七五” 计划和“863”计划，以及后来的“八五”、“九五”计划。在国家的组织和支持下，经过几十年的努力，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键 元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器 人系列产品，能够实现小批量生产。我国目前应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种，但是其中国产机器人的数量不足 100 台。日系主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系主要有德国的 KUKA、CLOOS，瑞典的 A

16、BB，意大利的COMAU 及奥地利的 IGM 公司的产品。国产的主要是沈阳新松机器人公司的产品。我们应该承认，国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的产品，经历了 30 多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高。而我国处于一种单件小批量的生产状态，没有进入成熟期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的发展。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，发达国家都在加大力

17、度，对机器人技术进行深入研究。从技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去研究的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等将是未来研究的主要方向。在“十五”期间，我国曾把

18、包括焊接机器人在内的示教再现型工业机器人 的产业化关键技术作为重点研究内容之一，其中包括焊接机器人(把弧焊与点焊 机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切 割作业)产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉 焊缝跟踪装置的开发，激光发射器的选用，CCD 成象系统，视觉图象处理技术， 视觉跟踪与机器人协调控制；焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿 真等。在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的基础制造装备；另一方面，仍然通过引进和消化，吸收一些现有的先进技术，踩在别人的肩膀上，尽快缩短

19、和别人的差距。并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际竞争舞台上的地位。1.3本次设计主要完成的工作本次设计主要完成工作有：确定焊接机的传动原理方案，进行相关运动学分析，确定焊接机的结构方案、整体布局，进行相关零、部件设计和机械结构设计。具体相关工作包括：焊接机器人运动方式的确定、动力装置的选取、各个传动关节传动机构设计、减速机构选取、机器人详细设计（手腕结构设计、小臂结构设计、大臂结构设计、腰部结构设计、基座结构设计）、前中期报告及设计说明书的编写。所有的设计过程，遵循着二维三维二维的设计流程，即先拟出系统二维平面结构草图，确定方案后进行三维实体建模并虚

20、拟装配，进行部件、零件间的干涉检查；待检查无误后，再次进行图纸的绘制。2焊接机器人总体方案确定2.1总体传动方案焊接机器人设计归结为机器手（臂）的设计。综合考虑了焊接机器人的动作位姿及对轨迹的要求，最终决定选用关节型机器人。因为关节型机器人的工作范围大，运动灵活，避障能 力好。这样，本次设计的焊接机器人共包括五个部分， 即：底座、腰部、大臂、小臂、手腕。总体传动机构 包括六个自由度，分别为：腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕绕小臂的回转、手腕端部俯仰和手腕端部回转。（详见图 4）2.2驱动方式选择图 4机构传动简图工业机器人的驱动方式大致可分为液压、气动、电动三种方式。12.2.1液压驱动液压

21、驱动输出功率大机器人有很大的抓取能力，可高达上百公斤，液压力可达 7Mpa。液压传动平稳可靠，响应速度快，可实现定位伺服，易与 CPU 连接。但液压驱动需要配置液压系统，难以小型化，液压源和液压油要求严格， 容易产生泄漏而影响运动精度。2.2.2气压驱动气压传动的机器人结构简单，动作迅速，价格低廉，气压驱动气源方便， 容易达到高速传动，气源系统简单、清洁无污染。但气动系统体积大，功率小， 而且由于空气可压缩，因而运动平稳性差，位置精度底，远距离传输困难，难 于伺服。2.2.3电动驱动电动驱动是目前在工业机器人领域中应用最多的一种驱动方式。电动驱动的位置精度高，控制简单，编程容易，动作响应快，停

22、止性好，能实现定位伺服，体积小，动力大，易与 CPU 连接。缺点主要是在传输功率较大是过载差， 易受外部噪声影响。通过上面叙述，不难发现，电动驱动方式应用广泛，技术成熟，并且具有较高的位置精度，控制简单，动作响应快，停止性好等优点，而在本次焊接机器人主要是传动，功率不是很大，故设计中采用电动驱动的方式，电机选用伺服电动机。本次焊接机器人所选用的伺服电机，全部采用安川伺服电机，通过安川伺 服电机数据手册-系列 SGMH/SGDM 用户手册 伺服的选型与数据表来进行选取。主要选取 SGMAH 系列和 SGMPH 系列伺服电机。2.3各关节传动方案系统传动方案，各个关节的运动相互独立，互不影响，每个

23、关节都由一个伺服电机驱动。动力由伺服电机输出后，经由齿轮传动或同步带传动到达关节轴，进而驱动关节轴进行旋转，从而满足关节的回转、俯仰要求。在这六个关节中，有两个个关节应用了直齿圆锥齿轮传动，以改变动力传递的方向；三个关节使用了直齿圆柱齿轮传动；四个关节使用了同步带轮传动。下面对各个关节的结构给于详细说明。说明：为了简化记忆，现将各个关节予以编号如下：A 关节（手腕端部回转）、B 关节（手腕端部俯仰）、C 关节（手腕绕小臂回转）、D 关节（小臂俯仰）、E 关节（大臂俯仰）、F 关节（腰部回转）2.3.1A-B 关节传动方案（手腕端部回转及手腕端部俯仰关节）（详见图 5），动力的具体传动路线是：A

24、 关节电机位于小臂的末端位置动力从电机轴输出后，经过一个联轴器由长轴传动到手腕部位，图 5A-B 关节传动方案然后经过一组 1：1 锥齿轮改变传动方向，动力被传递到一组 12：16 的同步带轮上，然后再经过一组 1：1 锥齿轮改变动力运动方向，最终将动力传递到手腕回转关节。B 关节电机同样位于小臂的末端，动力从电机轴输出后，经过一组 18：28 的同步带轮传到一长轴上，经长轴传递到手腕前部，再由一组 1：1 锥齿轮改变运动方向，经一组 18：24 的同步带轮， 最终将动力传送到手腕的俯仰关节。其中，A、B 关节两个长轴为空心嵌套结构，手腕回转关节传动长轴为心轴，俯仰关节传动长轴为空心轴，两轴动

25、力方向各不干预。总之，在手腕 A、B 关节处，最终安排了三对锥齿轮传动，其中 A 关节两对，B 关节一对；三组同步带传动，其中 A 关节一对，B 关节两对。两个电机均放在小臂末端，这主要是考虑到配重的问题，电机可以充当一定的平衡配重，有利于增强运动的易控性。A 关节动力的最终传递路线为：伺服电机 A联轴器长轴（心轴）锥齿轮（1：1）同步带轮（12：16）锥齿轮（1：1）手腕端部回转轴B 关节动力的最终传递路线为：伺服电机 B同步带轮（18：28）长轴（空心轴）锥齿轮（1：1）同步带轮（18：24）手腕端部俯仰轴。2.3.2C 关节传动方案（手腕绕小臂回转关节）（详见图 6）电机放置在小臂后方，

26、同两个腕部电机一样安放在了小臂的最末端。这样可以安排的作用是可以平衡配重，使机器人具有更好的运动性能。动力由电机输出后，经过一组 24：40 的同步带轮传递到小臂回转关节处。从轴的安放位置上来考虑，将轴与传递手腕动力的两个长轴同轴配置，三根轴成为互相包容的空心轴结构。这样不仅解决了三根轴的结构安置，而且节省了空间， 使结构的安排更加简洁合理。同步带轮与小臂回转轴的连接选用花键连接，在花键端部空心轴图 6C 关节传动方案端部做出固定挡板的螺纹孔，用以轴向固定。C 关节动力的最终传递路线为：伺服电机 C同步带轮（24：40）手腕绕小臂回转轴2.3.3 关节传动方案（小臂俯仰关节）（详见图 7） 动

27、力经由电动机输出后，经过一组 24：28 的同步带轮传递到齿轮组小齿轮上，然后经由25：75 渐开线圆柱直齿齿轮将动力最终传递到小臂-大臂回转关节轴上。通过优化结构，使得上述传递结构非常紧凑，这样不仅减少了系统复杂程度， 而且减轻了重量。由 D 关节传动方案图可以看出，D 关节的伺服电机、同步带轮及齿轮组均安置在了大臂上，这样不仅使得系统重心下移，而且使小臂不用再增加多余的零件，仅靠两个法兰盘与大臂连接，减轻了小臂的重量与复杂度，使小臂专门负责提供手腕的动图 7D 关节传动方案力，安置手腕的结构。D 关节的这种配置，直接为手腕结构设计及小臂设计提供了方便。D 关节动力的最终传递路线为：伺服电机

28、 D同步带轮（24：28）渐开线圆柱直齿齿轮（25：75）小臂俯仰轴2.3.4E 关节传动方案（大臂俯仰关节）（详见图 8）类似小臂的回转关节，关节的动力传动包括一组同步带轮和一组渐开线直齿圆柱齿轮。具体的传动路线是：E 关节电机位于腰部基体上，动力从电动机轴输出后，经由一组 24：28 的同步带轮传递到一组 25：100 的直齿圆柱齿轮上， 然后再由直齿圆柱齿轮组的大齿轮传递到大臂俯仰关节轴上。通过优化结构，使得上述传递结构非常紧凑，而且将中间环节考虑到的增加二级齿轮减速箱（详见中期报告）进行了简化，减少了系统复杂程度，减轻了重量。由 E 关节传动简图可以看出，E 关节的伺服电机、同步带轮及

29、齿轮组小齿轮均安置在了腰部的基体上，这样不仅使得系统的重心下移，而且使大臂不用再增加多余的零件，仅靠两个法兰盘与腰部连接，通过齿轮组的大齿轮传递俯仰动力。这样不仅减轻了大臂的重量，而且降低了大臂的复杂度，使大臂专门负责提供小臂与手腕的支撑与动力。E 关节的这种配置，也为小臂及手腕等下级结构设计提供了方便。E 关节动力的最终传递路线为：伺服电机 E同步带轮（24：28）渐开线圆柱直齿齿轮（25：100）大臂俯仰轴2.3.5F 关节传动方案（腰部回转关节）（详见图 9）图 8E 关节传动方案动力由电机轴输出后经由一组蜗轮蜗杆直接传动到关节轴上。在本关节中， 动力的传输很简单，由电机轴输出的动力，通

30、过一组蜗轮蜗杆传输到腰部回转 轴上。回转轴的支撑采取推力球轴承+深沟球轴承的组合，这样设计的原因是由于手腕、小臂、大臂及腰部的所有重量都要加在回转轴上，即载荷方向垂直水平面向下。在腰部回转关节的传 动系统中，通过 推力轴承来承担 全部的垂直方向 载荷（主要是机 器人自身的重力）。而由于水平方向载荷较少，故只用一个深沟球轴承来承担回转轴的径向载荷。3技术参数的确定及详细结构设计3.1主要技术参数的确定主要技术参数主要是指电机功率的确定及电机型号的选取。在最终比较并确定了传动方案后，就要对各轴的驱动电机进行选取。前面已经提到，本次设计中所涉及到的伺服电机，全部从安川伺服电机数据手册-系列SGMH/

31、SGDM 用户手册 伺服的选型与数据表中来进行选取。选取过程如下：根据已有各关节运动参数要求可确定各关节的驱动电机的功率及转速。（各关节运动参数要求详见表 1）表 1各运动关节参数关节轴序号关节轴名称最大动作速度要求许用扭矩A 轴腕部回转关节9.08rad/s520/s2.9 NmB 轴腕部俯仰关节5.93rad/s340/s8.8 NmC 轴小臂回转关节5.93rad/s340/s8.8 NmD 轴小臂关节2.97rad/s170/sE 轴大臂关节2.79rad/s160/sF 轴腰关节2.62rad/s150/s下面分别对各关节驱动电机进行选取。3.1.1A 关节（手腕端部回转）驱动电机：

32、根据已有设计要求参数，A 关节最大运动速度为 9.08rad/s （520/s），即86.67r/min；许用扭矩为 2.9 Nm ，根据公式 P=T 可得到最终的输出功率为P=T=2.99.08=26.332W由输出功率，并综合考虑转速及外形尺寸，A 关节驱动电机最终选取安川SGMAH-A5-AJC 型伺服电机。部分电机参数如下：输出功率 PN=50W，自带 1/21 减速器，额定转速 nN=3000r/min，额定扭矩TN=0.159Nm电机的实际转速为：n1=21(1612)86.67=2427r/min 电机轴的实际扭矩为：T1=2.9/(211612)=0.104 Nm TNT1nN

33、n1PNP 满足条件。3.1.2B 关节（手腕端部俯仰）驱动电机：根据已有设计要求参数，B 关节最大运动速度为 5.93rad/s （340/s），即56.67r/min；许用扭矩为 8.8 Nm ，根据公式 P=T 可得到最终的输出功率为P=T=8.85.93=52.184W由输出功率，并综合考虑转速及外形尺寸，B 关节驱动电机最终选取安川SGMAH-01-AJ7 型伺服电机。部分电机参数如下：输出功率 PN=100W，自带 1/33 减速器，额定转速 nN=3000r/min，额定扭矩 TN=0.318Nm电机的实际转速为：n1=33(28/18)56.67=2909r/min电机轴的实际

34、扭矩为：T1=8.8/(33281824/18)=0.129 Nm TNT1nNn1PNP 满足条件。3.1.3C 关节（手腕绕小臂回转）驱动电机：根据已有设计要求参数，C 关节最大运动速度为 5.93rad/s （340/s），即56.67r/min；许用扭矩为 8.8 Nm ，根据公式 P=T 可得到最终的输出功率为P=T=8.85.93=52.184W由输出功率，并综合考虑转速及外形尺寸，C 关节驱动电机最终选取安川SGMAH-01-AJ7 型伺服电机，与 B 关节相同。部分电机参数如下：输出功率 PN=100W，自带 1/33 减速器，额定转速 nN=3000r/min，额定扭矩 TN

35、=0.318Nm电机的实际转速为：n1=33(40/26)56.67=2877r/min 电机轴的实际扭矩为：T1=8.8/(3340/26)=0.173 Nm TNT1nNn1PNP 满足条件。3.1.4D 关节（小臂俯仰）驱动电机：D 关节为小臂俯仰关节，驱动的负载包括 A、B、C 三个关节及附属结构。现估取 D 关节的驱动负载为 25kg，传递扭矩为克服重力做功的绕 D 关节力矩T=mgl=25100.6=150 Nm (估取力臂为 0.6m)D 关节最大运动速度为 2.97rad/s（170/s），即 28.33r/min，根据公式P=T 可得到最终的输出功率为 P=T=1502.97

36、=445.5W由输出功率，并综合考虑转速及外形尺寸，D 关节驱动电机最终选取安川SGMPH-08A-AJC 型伺服电机。部分电机参数如下：输出功率 PN=750W，自带 1/21 减速器，额定转速 nN=3000r/min，额定扭矩 TN=2.39Nm传动系统还包括一组 24：28 的同步带轮及一组 25：75 的渐开线直齿圆柱齿轮，故：电机的实际转速为：n1=21(28/24)(75/25)28.33=2082r/min 电机轴的实际扭矩为：T1=150/(21(28/24)(75/25)=2.04Nm TNT1 nNn1 PNP 满足条件。3.1.5E 关节（大臂俯仰）驱动电机：E 关节为

37、大臂俯仰关节，驱动的负载包括 A、B、C、D 四个关节及附属结构。现估取 E 关节的驱动负载为 60kg，传递扭矩为克服重力做功的绕 E 关节力矩 T=mgl=60100.6=360 Nm (估取力臂为 0.6m)E 关节最大运动速度为 2.79rad/s（160/s），即 26.67r/min，根据公式P=T 可得到最终的输出功率为 P=T=3602.79=1004W由输出功率，并综合考虑转速及外形尺寸，E 关节驱动电机最终选取安川SGMPH-15A-AJC 型伺服电机。部分电机参数如下：输出功率 PN=1500W，自带 1/21 减速器，额定转速 nN=3000r/min，额定扭矩 TN=

38、4.77Nm传动系统还包括一组 24：24 的同步带轮及一组 25：100 的渐开线直齿圆柱齿轮， 故：电机的实际转速为：n1=21(100/25)26.67=2800r/min 电机轴的实际扭矩为：T1=360/(21(100/25)=3.43Nm TNT1 nNn1 PNP 满足条件。3.1.6F 关节（腰）驱动电机：F 关节为腰部回转关节，驱动的负载包括 A、B、C、D、E 五个关节及附属结构。现估取 F 关节的驱动负载为 100kg，传递扭矩为克服重力做功的绕 E 关节力矩 T=mgl=100100.4=400 Nm (估取力臂为 0.4m)F 关节最大运动速度为 2.62rad/s（

39、150/s），即 25r/min，根据公式P=T 可得到最终的输出功率为 P=T=4002.62=1048W由输出功率，并综合考虑转速及外形尺寸，E 关节驱动电机最终选取安川SGMPH-15A-AJC 型伺服电机(与 E 关节相同)。部分电机参数如下：输出功率 PN=1500W，自带 1/21 减速器，额定转速 nN=3000r/min，额定扭矩 TN=4.77Nm传动系统还包括一组 6：31 的蜗轮蜗杆，故：电机的实际转速为：n1=21(31/6)25=2712.5r/min电机轴的实际扭矩为：T1=400/(21(31/6)=3.67Nm TNT1nNn1PNP 满足条件。（各关节驱动电机

40、选取结果详见表 2）表 2各关节电动机选取表A 轴B 轴C 轴D 轴E 轴F 轴电机参数电机型号SGMAH-A5-AJCSGMAH-01-AJ7SGMPH-08A-AJCSGMPH-15A-AJC输出功率(W)501007501500额定转速(r/min)3000300030003000额定扭矩(Nm)0.1590.3182.394.77自带减速器参数减速比1/211/331/211/21额定扭矩/效率(Nm)/%2.67/808.40/8040.2/8080.1/80瞬时最大扭矩(Nm)9.0728.4134270额定转速(r/min高转速(r/min)190121

41、190190大致重量(kg)1.32.414.221.6附加齿轮减速器无无无1/31/56/313.2传动结构设计由于各个关节的传动方案已经在方案比较论证中确定下来,所以在此只是对齿轮组予以设计。同步带轮由于是标准件，可以直接选用。3.2.1锥齿轮传动设计在本次设计中，一共有三组锥齿轮（手腕端部回转关节两组，手腕端部俯仰关节一组）。由于这三组锥齿轮传递负载相当，尺寸相近，故为了简化设计生产，减少工作量，将这三组锥齿轮采用同样的齿数、模数、材料及加工方法， 只是局部结构予以修改。每对锥齿轮两轴之间的交角 =90齿数比 Z1:Z2=20：20=1：1（其他几何尺寸详见表 3）：表 3锥齿轮参数名称

42、代号计算公式及结果分锥角d1d1 = d2 = arctan(z1 / z2 )= 45齿顶高hah = h*m = m = 2.5aa齿根高h fh = (h* + c* )m = 1.2m = 3fa分度圆直径dd1 = d 2 = mz1 = 50齿顶圆直径dada1 = da 2 = d + 2ha cosd1 = 53.54齿根圆直径d fd f 1 = d f 2 = d - 2hf cosd1 = 45.76锥距RR = m z 2 + z 2 / 2 = 35.3412齿根角qfq = arctan(hR)= 4.85ff顶锥角dada1 = da 2 = d1 +qf = 4

43、9.85根锥角dadf 1 = df 2 = d1 -qf = 40.15顶隙cc = c*m = 0.5分度圆齿厚ss = pm / 2 = 4.71当量齿数zvzv1 = zv 2 = z1 / cosd1 = 28.28齿宽BB R / 3 = 103.2.2渐开线直齿圆柱齿轮设计本次焊接机器人设计中一共涉及到了三组渐开线直齿圆柱齿轮，分别是 D 关节（小臂俯仰关节）渐开线直齿圆柱齿轮和 E 关节（大臂俯仰关节）渐开线直齿圆柱齿轮。（各齿轮组的参数详见表 4）表 4渐开线直齿轮参数名称代号D 关节齿轮组E 关节齿轮组小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮齿数zn257525100模数m46中心距a20

44、0375压力角a2020分度圆直径d100300150600齿顶高ha46齿根高h f57.25齿全高h913.25齿顶圆直径da108308162612齿根圆直径d f90290135.5585.5基圆直径pb94.0281.9140.95563.82齿距p12.5618.84齿厚s6.289.423.2.3蜗轮蜗杆设计本次焊接机器人设计中 F 关节（腰部回转关节）采用蜗轮蜗杆传动。（蜗轮蜗杆参数详见表 5）表 5蜗轮蜗杆参数名称代号蜗轮蜗杆中心距a200齿数（头数）zn316模数m10蜗轮齿形角a20蜗杆导程角334124分度圆直径dn31090齿顶圆直径dan330110齿宽bn7016

45、0齿顶高han1010齿根高hfn1212齿全高hn2222齿厚sn9.6512.56蜗轮齿顶圆弧半径Ra235蜗轮齿根圆弧半径Rf2573.3详细结构设计3.3.1手腕部件结构设计根据已经确定的手腕部件传动方案，手腕部分一共包括三个自由度：手腕 绕小臂的回转、手腕端部的俯仰及手腕端部的回转。其中，手腕端部的俯仰和 手腕端部的回转结构十分紧凑，需要在手腕基体上布置两对同步带、三对锥齿 轮和至少 6 根轴加上这些相应部件的辅助零件，如端盖、轴承、键、挡板、各种型号的螺钉，使得手腕的结构相当复杂紧凑。而同时，手腕关节的灵活性 又要求手腕关节整体尺寸不能过大，过大不仅行动不便，而且对于整个焊接机 器

46、人整体而言，过重的端部负载（包括手腕的自重和负载重量）会导致系统中心上移（和前移），对于机器人的控制、安装、机器人其他结构的设计都起着至关重要的决定作用，影响着机器人设计参数的 40%。可以说，机器人结构设计的成功与否，直接取决于手腕关节的结构和尺寸。由手腕传动结构示意图可以确定，手腕的结构可以细分为两个部分：一部 分是手腕端部的俯仰关节，它是一个单独的小子装配体，主要包括手腕的端部 回转轴、端部俯仰轴、传递端部回转动力的传动轴、传递端部俯仰动力的传动 轴及相应的同步带轮、改变动力方向的锥齿轮等组件；另一个是手腕主体部分， 用以安置其余的部件两组锥齿轮、一对同步带轮和至少三根轴及相应的配 套组

47、件。在设计过程中，将手腕的端部俯仰关节独立出来，单独设计了一个手 腕端部俯仰基体，用以安置上述的手腕端部回转轴、端部俯仰轴、传递端部回 转动力的传动轴及相应组件。图 10手腕端部基体图 11手腕端部装配体手腕端部俯仰基体为一个箱体（如图 10 所示）。手腕端部俯仰轴和传递端部回转动力的传动轴都安置在这个箱体中，通过一对锥齿轮轮来进行动力的传递。为了装配的方便，箱体上下面均设有大孔，由密封毡圈和端盖密封。这样设计的出发点主要是考虑回转轴的安装问题，因为回转轴在箱体内部有一个固定端盖，如果箱体只设有一端开口，则端盖无法顺利装配。将轴、轴承、齿轮等零件装配到基体上便为端部的装配体（如图 11 所示）

48、。手腕基体设计为图 12 图示结构，特别要注意的是在端部俯仰关节处的连接设计，这样设计的目的主要是考虑到装配时手腕端部俯仰基体的放入。同时与之相配合的手腕基体固定部 件由两个固定板条与一个基体固定 件通过内六角螺钉相连接。装配时， 相将手腕基体与手腕端部俯仰基体及相关轴承等辅件安放至指定位置， 然后将固定部件装配上，最后再进图 12 手腕基体行俯仰件端盖的固定。至此，手腕基体设计结束，可以进行手腕内部结构设计。腕内部结构设计，端部俯仰部分已经基本完成，余下主要是传动机构的设 计从上面的说明中可以看出，传动机构包括两部分：手腕基体箱体内的齿 轮-轴传动部分和箱体外侧传递动力到手腕端部俯仰关节的同

49、步带轮部分。其中， 手腕基体箱体内的齿轮-轴传动部分是这样设计的：第一组负责传递手腕俯仰动 力的锥齿轮，其中之一要设计为空心的锥齿轮轴，该齿轮轴通过一对锥齿轮啮 合，将动力传递到带轮上，形成端部俯仰装置；另一根轴上装配锥齿轮，通过 锥齿轮啮合传动，将动力传递到另一组同步带轮，进而向前传递，形成端部回 转运动。在这两组锥齿轮传动中，最细轴与空心的齿轮轴相互嵌套，形成互不干扰的独立传动。至此，手腕零部件的造型已经基本完成，只差将手腕端部俯仰部件与手腕基体部件组装上就可以完成手腕的装配。按手腕端部俯仰部件装配顺图 13手腕部件装配体手腕部分（如图 13 所示）。序，最后装配完成手腕部件是机器人设计中

50、相当重要的一个部件，详细的手腕部件装配图将在最后绘制出。3.3.2小臂部件结构设计根据前面已经确定下来的小臂传动路线图，我们可以清楚的发现，虽然小臂在传动简图上只负责了一个自由度（小臂俯仰关节），但其实在实际上，手腕绕小臂的回转关节主要也是在小臂关节得以实现的。手腕绕小臂的回转关节， 基本上全部结构均位于小臂上，靠螺钉与手腕连接。不仅如此，小臂还肩负着装置手腕部件的动力源伺服电机及其传动机构。应该说，手腕的动力系统全部基于小臂，小臂的设计，大部分是设计手腕的动力传动装置在小臂上的布局安置。图 14 为手腕绕小臂回转关节的关键部位：小臂轴 1 组件。它由小臂轴 1、两个圆锥滚子轴承及一个同步带轮

51、组成。其中同步带轮靠键与小臂轴 1 径向固定，在轴端部有弹性挡圈固定同步带轮轴向方向。在小臂轴 1 的另一端，有 12 个 M6 的内六角螺钉沉孔，靠 12 个内六角螺钉与手腕相固连。小臂轴 1 组件固定在小臂基体上。下面考虑小臂基体的布局安排。前面已经提到，小臂基体没有特图 14手腕绕小臂回转关节轴别的机构，其所实现的功能也只是为手腕的三个运动关节安置电机并提供支撑。需要在小臂上安置的部件包括：手腕端部俯仰关节电机及传动结构（包括同步 带轮组、轴系）、手腕端部回转关节电机及传动结构（包括同步带轮组、轴系、联轴器）、手腕绕小臂回转关节电机及传动结构（包括同步带轮组、轴系）。由 于已经确定了手腕

52、端部两个关节的传动轴为空心轴嵌套结构，故应该有一个电 机与空心轴同轴配置，依靠 联轴器与空心轴的心轴连接；另一个电机配置在空心轴轴侧，通过同步带轮传递动力。手腕绕小臂回转关节电机也配置在轴侧； 由于考虑到小臂图 15小臂部件装配体的整体长度，不可能将连个轴侧电机形成前后配置，故将两个电机水平配置在小臂轴向下方。这样，小臂的径向尺寸即将超过 200mm，但这是必要的。径向尺寸同样也影响着后面大臂的结构。（如图 15 所示）图中，装配体轴线位置为三根相互嵌套的空心轴系。由里至外，分别为小臂轴 3、小臂轴 2、小臂轴 1。分别传递手腕端部回转关节动力、手腕端部俯仰关节动力和手腕绕小臂回转关节动力。三

53、个伺服电机，分别安置在小臂基体后部的隔板上。隔板一共有三个，从前至后，分别位置为手腕绕小臂回转关节电机、手腕端部俯仰关节电机、手腕端部回转关节电机。其中，中间隔板还担负着同步带轮的定位。在小臂装配体中我们可以发现，在小臂后方布置的电机已经不可能再布置一根通轴来实现小臂的绕轴转动如果非要这么设计，小臂的轴向高度将会再次的提高，尺寸也会大大增加。于是，在大臂-小臂连接处，我使用了两个法兰盘，通过 12 个 M10 内六角螺钉与小臂固连。图 16手腕-小臂装配体至此，手腕-小臂组件已经可以完成。图 16 为手腕- 小臂部件的三 维模型，为了 能完全显示其 结构，其中部分零件设计为半透性。应该说，这一

54、部分是机器人的关键部位。手腕-小臂的尺寸及性能，影响着机器人性能的很大一部分。3.3.3大臂部件结构设计由已经确定的小臂-大臂传动路线方案可以看出，小臂的驱动电机及传动部件安置在了大臂上；大臂的驱动电机及传动部件安置在了腰部上。前面已经说过，这样布置可以降低机器人的重心，而且可以预留出手腕电机及传动装置在小臂中布局的空间。将两个空轴孔，安置两对圆锥滚子轴承来承受小臂的全部重量。（如图 17所示）刚才已经说过，小臂俯仰关节动力及驱动均布局在大臂基体上，故作为大臂设计的一个重要环节，现在来讨论小臂俯仰关节的动力及传动配置。大小齿轮相互啮合，动力从电机轴输出后经由一组同步带传动传递到齿轮组上。在设计的初始阶段，中间轴（齿轮-带轮中间轴）的安置一度 成为困扰我的问题。在二维图纸上增加 了一