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摘 要
随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。
本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计。合理布置了液压缸。同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。
关键字：焊接机器人 液压系统 机械机构设计
Abstract
With the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.
The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.
Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 引言 1
第2章 焊接机器人的总体方案 3
2.1 总体设计的思路 3
2.2 自由度和坐标系的选择 3
2.3 传动方案论证 4
2.4 焊接机器人的组成 6
2.4.1 执行机构 6
2.4.2 控制系统分类 8
2.5 焊接机器人的技术参数 8
2.6 本章小结 8
第3章 腕部结构的设计及计算 10
3.1 腕部设计的基本要求 10
3.2 腕部结构及选择 10
3.2.1 典型的腕部结构 10
3.2.2 腕部结构和驱动结构的选择 10
3.3 腕部结构设计计算 11
3.3.1 腕部驱动力计算 11
3.3.2 腕部驱动液压缸的计算 11
3.4 液压缸盖螺钉的计算 12
3.5 动片和输出轴间的连接螺钉 13
3.6 本章小结 13
第4章 臂部结构的设计及计算 15
4.1 臂部设计的基本要求 15
4.2 手臂的典型机构以及结构的选择 16
4.2.1 手臂的典型运动机构 16
4.2.2 手臂运动机构的选择 16
4.3 手臂直线运动的驱动力计算 17
4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 17
4.3.2 手臂惯性力的计算 18
4.3.3 密封装置的摩擦阻力 18
4.4 液压缸工作压力和结构的确定 18
4.5活塞杆的计算校核 19
4.6 本章小结 20
第5章 机身结构的设计及计算 21
5.1机身的整体设计 21
5.2机身回转机构的设计计算 22
5.3 机身升降机构的计算 23
5.3.1 手臂偏重力矩的计算 23
5.3.2 升降不自锁条件分析计算 24
5.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 24
5.4 轴承的选择分析 25
5.5 本章小结 25
总结 26
致谢 27
参考文献 28
引言
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。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。
从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。
据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。
从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，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。
新中国成立后，经过50年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%～45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。
第2章 焊接机器人的总体方案
该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。
2.1 总体设计的思路
设计机器人大体上可分为两个阶段：
(1) 系统分析阶段
1）根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；
2）分析机器人所在系统的工作环境；
3) 根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。
(2) 技术设计阶段
1）根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；
2）拟订机器人的运动路线和空间作业图；
3）确定驱动系统的类型；
4）选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；
5）绘制机器人的零件图，并确定尺寸。
2.2 自由度和坐标系的选择
机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。本次设计的焊接机器人为4自由度即：腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩。
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:
(1) 直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。
直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构[3]。
(2) 圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1（b）。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。
(3) 球坐标机器人结构
球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间[3]。
(4) 关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。
关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。
根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的焊接机器人采用直角坐标
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