焊接机器人结构设计[六自由度工业机器人]（全套含CAD图纸）
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毕 业 设 计（论文）任 务 书 毕业设计（论文）题目 ： 焊接机器人机构设计 毕业设计（论文）要求及技术参数： 设计一种在焊接生产线上固定位置使用的，用来在较恶劣环境下使用的六自由度焊接（ 器人。本次毕业设计“焊接机器人机构设计”进行六自由度焊接机器人装置机械系统设计及控制原理设计。 系统选用 动力 ; 机器人基座采用固定机构 ; 机器人可以连续作业 ； 设计过程考虑避障要求； 部回转、大臂摆、小臂摆、小臂旋转、腕部旋转、腕摆 量为 5枪重量） 0.2 各关节动作范围： 腰： 0 270 肩： 0 70 肘： +17 - 14 腕旋转： 45 小臂旋转： 45 腕俯仰： +135 各关节速度： 腰： 30 s/ (5 r/肩： 45 s/ (7.5 r/肘： 45 s/ (7.5 r/腕旋转： 120 s/ (20 r/腕俯仰： 180 s/ (30 r/腕扭矩： 2 1 页 3毕业设计说明书格式（或参考学校规定的格式） （ 1） 太原学院毕业设计统一封面 （ 2） 毕业设计任务书 （ 3） 毕业设计中英文摘要 中文摘要 300 字左右 英文摘要和中文摘要对应 （ 4） 说明书目录 （ 5） 说明书正文 第一章 一 二 三 第二章 一 二 三 第三章 第四章 （ 6） 总结（对设计内容的评价） （ 7） 致谢 （ 8） 参考文献 （ 9） 附录 4查阅有关外文资料，并将其中的 1翻译成中文 第 2 页 毕业设计（论文）主要内容 ： （ 1）进行机械手本体结构方案的优化分析设计。 （ 2）机械手机械结构设计计算（包括机械手各关节电机的选型计算，传动系统设计计算，机械手谐波齿轮减速器的选型计算，同步带的选型计算等）； （ 3）机械手总装配图设计； （ 4）机械手自动化控制系统原理设计； （ 5）关键零件的零件图； （ 6）关键零件尺寸的计算； 学生应交出的设计文件（论文）： 1开题报告。 2设计计算说明书（不少于 2 万字）。 3图纸：折合数量不少于 2 张 装图、原理图、零件图。 4外文文献及译文（不少于 1 万英文字符）。 第 3 页 主要参考文献（资料）： 1 成大先 械设计手册 化学工业出版社 2 工业机器人 北京理工大学出版社 3 传感器与敏感元件大全 电子工业出版社 4 机电传动控制 华中科技大学出版社 5 工业过程自动化 机械工业出版社 6 电气工程师手册 机械工业出版社 7 单板机的原理与应用 8 材料力学 9 机械制图 10 互换性与技术测量 专业班级 机械工程 学生 要求设计（论文）工作起止日期 指导教师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期 第 4 页 毕业设计（论文）开题报告 毕业设计（论文）题目 ：焊接机器人结构设计 学 生 ： 指 导 教 师 ： 专 业 班 级： 20 年 月 日 1. 课题名称： 焊接机器人结构设计 2. 课题研究背景： 随着社会发展和科技进步，机器人在社会各个领域的应用日益广泛，应用最广的要属工业机器人。在工业机器人应用中，大部分为焊接机器人，据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有超过一半应用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机器人就是在自动焊接生产领域从事焊接任务的工业机器人 ,绝大多数的焊接机器人的结构是在通用的工业机器人的基础上装上某种焊接工具而构成的 ,视具体焊接方式不同可对个别焊接机器人进行专门设计。焊接机器人发展历史悠久 ,从上世纪年代工业机器人开始实用化以来 ,焊接机器人就立刻被投入到点焊和电弧焊领域中并得到了持续的应用。据统计 ,全世界使用中的焊接机器人数量大约占工业机器人总数量的一半 ,焊接机器人的研究历程和应用领域几乎等同于工业机器人。焊接机器人的发展历史可以说是代表着工业机器人的发展历史。焊接机器人是工业机器人的典型应用形式之一 ,主要应用于电焊和电弧焊生产线上。经历了半个多世纪的应用和不断完善 ,国内外学者对焊接机器人的研究仍然在向前发展 ,并取得了许多成果。目前学术界正在不断完善机器人共性技术的研究 ,主要是针对机器人操作机结 构、控制系统、传感技术、网络通信技术、遥控和监视技术、虚拟机器人技术、多智能体调控技术等等的研究。未来焊接机器人正在向智能化方向、多传感器信息融合方向、模糊控制方向、群体协调和集成控制的方向发展。焊接机器人广泛应用于汽车及其零部件制造、工程机械和机车车辆等领域 ,近些年随着焊接机器人技术的不断发展 ,开始逐渐应用于石油石化、船舶制造、冶金建设和压力容器制造等领域。其中对管道相贯线全位置焊接机器人研究的力度比较大 ,其关键技术研究主要包括机械机构研究、自动跟踪技术研究和计算机程控技术研究。最初焊接机器人主要应用于汽 车、摩托车及工程机械三个主要行业里 ,而且多数主要应用于汽车及其零部件制造行业中 ,在摩托车行业和工程机械行业中只占少数 ,其他像电器、自行车、机车、航空航天等行业也有一些。焊接机器人一开始应用于汽车装配生产线上的电阻点焊 ,后来随着焊缝轨迹跟踪技术、控制技术和机器视觉技术在工业上的推广应用 ,又承担起了汽车零部件和装配过程中电弧焊的焊接任务。点焊机器人主要用于汽车及其零部件生产 ,但是在其他行业中用得却极少。弧焊机器人的分布比点焊机器人要广泛 ,但主要仍集中于汽车及其零部件生产线中 ,其余则分布于摩托车及工程机械制造行业 中。随着机器人共性技术研究的不断深化 ,焊接机器人才开始应用于造船、锅炉、重型机械等焊接领域中。这些焊接任务中最常见的就是管道插接空间相贯线焊接 ,与传统的常规平面焊接任务不同 ,对焊接机器人技术提出了新的要求。 3. 课题研究意义 目前使用的机器人中，焊接机器人约占总量的一半。国外对机器人技术的垄断，严重制约着我国技术的发展，要打破垄断，必须自主研制出适合自身发展的机器人，提升自身的科技水平。机器人的本体结构作为焊接机器人的基础，其加工制造精度，装配精度等对机器人工作范围、工作稳定性等方面有直接影响。 机器人 燥接可以使焊接过程更加稳定，提高焊缝成型质量，改善劳动条件，适应恶劣环境，提高生产效率，明确产品周期，有效控制产量，缩短产品更新换代周期，减小设备投资等，从而满足现代化生产的需要。 工业机器人是机电一体化的设备，是包含了多种高新技术的产品，其产品的附加值高。机器人行业虽然是现代社会一个比较新的行业，但是在提高汽车、制造等行业的自动化程度上有不可磨灭的功劳，因此，许多国内外的专业人士都认为它将是一个大规模的高新技术行业。现在人民的生活水平日益提高，对产品的要求也越来越高，这样工业机器人就有了应用的空间，随着我 国汽车、制造等行业大量使用工业机器人，我国机器人市场的需求量很大，但在实际应用的机器人中进口占了绝大多数，在目前所使用的工业机器人中，国产仅占 20%，其余都是从日本、德国、瑞典等国家引进的，然而由于国外的机器人并不完全适合中国企业的要求，有很大一部分都不能正常使用，因此现在国产机器人的发展既有机遇又有挑战。 以焊接行业为例，因为焊接工作具有工作强度高、危险性大、时间长等特点，现在已经很少有人愿意从事这一行了，这样就迫切需要大量的焊接机器人，目前我国焊接机器人较少，远没有达到饱和，再加上近年来国家政策支持发 展国产机器人，这一切都说明工业机器人有很好的发展前景，研发高精度的焊接机器人有助于提高人民的生活质量，提高工业自动化程度，促进我国从制造大国转变为制造强国。 4. 国内外发展现状与趋势： （ 1）国外发展现状与趋势： 在 1946 年，美国发明家就申请了示教再现控制技术的专利，这种控制技术目前仍然应用在大多数的示教工业机器人中，它其实就是人工把机器人从起始位置到工作目标点的运动路径运行一遍，机器人自身就记录下各个关节的转角等资料，以实现以后工作的再现。到 1959 年，第一台正式用于工业的机器人样机，在美国被设计生 产出来了。而且仅仅过了三年，可以用于实际工作的机器人“ 在美国的 此就引发了全世界对机器人的研究热潮。许多国家开始积极出台相关政策，首先作为机器人技术发源地的美国，继续加大投入，鼓励机器人的研究和应用；而德国政府则采用强硬手段支持其国内机器人的发展，一些工作岗位被强制规定：必须使用机器人，这样一来就加快了其机器人的研发和实用进程；英国为了弥补一开始的失误，采取加大对其自身机器人的财政补贴、扩大对机器人的宣传等政策，使英国机器人的发展稳步提高；日本对机器人的研发虽然起步较晚 ，但其凭借与美国的良好关系，从美国引进机器人的成熟、先进技术，再加上政府的大力支持和自身研发者的刻苦钻研，使得日本机器人，在世界机器人行业中有着举足轻重的地位。根据近期的相关统计，目前在各种领域工作的机器人，大概有 50%是由日本研发、制造的。 因为工业机器人拥有工作时间长、柔性好及适用性强等特点，所以它在汽车制造业、机械工程、医疗器械、食品加工等行业中应用较多，而在这些行业中，汽车行业是应用工业机器人最早，也是最多的，其数量大概占有 37%左右。 工业机器人的技术在国外的一些国家已经比较成熟，其应用范围也是遍 布各行各业。以日本为例来说，当初其微电子行业的发展，使日本的劳动力明显不足，这样工业机器人在公司受到了“救世主”般的欢迎，使日本的工业机器人得到政府和企业的高度重视，从而促使其快速发展，现在日本的各个行业都有机器人的身影。目前不管是从机器人的数量还是机器人的密度来看，日本都位居世界第一。而其它欧美工业发达国家机器人的发展，则更是可见一斑。下面用具体的数字来直观地描述国内外工业机器人的应用情况，从工业机器人的密度 (即每万名生产工人占有的机器人数量 )来分析，日本和意大利分别达到 1700 台和 1600 台，联邦德国为 1190 台，法兰西共和国有 1130 台，葡萄牙有 980 台，美国为 780 台，瑞典有 650 台，加拿大 620台，我国最多拥有 90 台 (汽车行业 )。 到目前为止，许多工业发达的国家都有自己知名的代表性机器人制造商，这些机器人企业一般被分为两种：欧系和日系。在这些工业机器人的生产厂家中，如发那科、安川、 菱、那驰不二越等称为日系；而另外一些常见的像史陶比尔、杜尔、 大利的 司以及奥地利的重工 称为欧系。这些跨国公司，不仅对其各自的国家来说是支柱性 企业，而且在国际上也都比较有影响力，几乎垄断了机器人行业。 （ 2） 国内发展现状与趋势 我国由于工业基础薄弱，对机器人的研究是从上世纪 70 年代才逐渐开始的，而且还仅仅是研究分析机器人的基础理论，直到 1986 年，国家出台政策，将机器人作为高新技术来研究，并且陆陆续续成立了一些专业的科研院所和公司，这样我国机器人事业才得到了较快的发展。比如说首钢莫托曼，虽然说是目前国内最大、最先进的机器人生产制造公司，但因为是中日合资企业，技术方面主要依靠从日本引进，虽然现在已经开发、生产了多个系列的多种机器人，占有一定的市场 份额，但对工业机器人国产化帮助有限。而 2000 年成立的沈阳新松机器人公司，是完全拥有自主知识产权的，同时它也是我国工业机器人的产业基地，隶属于中国科学院，它成功研制了我国第一台工业机器人，从而揭开了国产机器人应用的序幕，并且填补了我国在这一行业的空白。现如今，新松机器人公司生产的机器人种类多样，相关技术已达到国际先进标准，其产品应用在我国的很多自动化行业中，打破了国外的垄断，为促进我国工业自动化做出了较大贡献。 随着从 2008 年开始的劳工成本大幅上升，工业机器人就逐渐在我国的制造行业崭露头角，当年 我国新增的各种机器人达 7500 台之多，其数量是前 24 年销售总量的三分之一。在不久的未来，机器人将作为一种标准设备而得到广泛应用，并将成为我国工业自动化技术与应用的“生力军”。 沈阳新松公司（）在国内率先开展机器人的研巧。其研发的焊接机器人在许多厂商中得到应用，如点焊机器人成功应用于一汽轿车的小红旗、世纪星两种车型的车身姐焊；为大连华克吉莱特汽车公司组建弧焊机器人工作站等。奇瑞汽车有限股份公司主要产品有弧焊、点焊等多种机器人产品系列，但仅用于奇瑞汽车生产线上，适应范围较窄，并且未能完全实 现自主研制，其核必部件依然受国外的限制，如奇瑞中的电阻焊接控制器采用日本的电阻焊接控制器，焊巧采用曰本小原的一体化气动焊領。虽然我国在机器人技术方面取得一定的进步，但是受国外技术垄断，国内工业水平较落后等因素的影响，国产机器人占用比还是较低。另外我国研制的焊接机器人在可靠性、定位精度、使用寿命等方面与国外产品相比依然有较大差阻町因此市场竞争力较弱，产品难以打入国际市场。 随着现代加工技术要求的提升，为了适应发展要求，焊接机器人技术的研究也在不断的深入，智能化 、模块化、物联网化的概念将成为发展的主流，焊接机器人发展方向主要分为智能传感技术、多机器人协作焊接、嵌入式控制技术及开放式机器人控制系统。 智能传感技术。焊接机器人的控制是一个多变量的控制过程，控制量的控制结果则是通过传感器反馈回来，传统的传感器采集的是位置、速度、加速度等这些直接控制量，而新型传感器则具备自动识别和调节功能，再结合相关算法能让焊接机器人的控制更具智能化，比如说焊缝的自动识别与跟踪、焊接质量的自动检测、加工工件自动定位等。 多机器人协作焊接。 单机器人焊接作业虽然能够完成部分的任务，但是在实际生产中随着被加工对象的复杂性和柔性生产线的自动化要求的不断提升，单机器人的焊接系统已经无法满足要求，只有借助多机器人协同焊接才能从根本上解决问题，而多机器人焊接的协调控制也带来了许多全新的难点，但并不阻碍它成为一个研究热点。 嵌入式控制技术。物联网技术近几年一直不断的受到热捧，而物联网的核心技术要靠嵌入式系统来得以体现，将嵌入式控制技术应用在焊接机器人控制中是一个全新的突破点，嵌入式控制系统相比基于微处理器的控制具有很高的实时性和网络通讯能力，可以有效保证 焊接过程中的实时监测性能和远程监控能力。 开放式焊接机器人控制系统。随着机器人技术研究的专业化程度不断深入，焊接机器人控制系统的开放性以及模块化已经不可阻挡，控制系统的标准化和通用性已成为发展趋势，各研究机构与大型组织已经进行一些探索，如今基于 5. 设计 （论文）的 主要内容 焊接机器人结构设计毕业设计主要研究内容 （ 1）设计思路概述 焊接机器人结构的设计思路大体分为两个阶段： （ 1）系统分析阶段 根据系统目标，明确所采用的机器人的目的和任务； 分析机器人系统所在的工作环境； 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，信息的储存量，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 根据系统的要求确定机器人的自由度和和允许的空间工作范围，选自机器任的坐标形式； 拟定机器人的运动路线和空间作业图； 确定驱动系统的类型； 选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计； 绘制机器人的零件图，并确定尺寸。 （ 2）焊接机器人总体机构 总体机构设计时 ,焊接机器人是由底座，腰部，大臂，小臂，手腕，工作部分组成， 机器人活动范围： （ 3）手臂设计 手臂控制机器人末端焊枪的位姿，想要达到任意位姿，需要 3 个自由度，手臂构型常见位姿有四种， 1、直角坐标系型； 2圆柱 坐标系型；3、球坐标系型； 4、关节型； 这种形式的手臂是通过控制三个互相垂直方向 的位移，从而确定了机器人焊枪的空间位置， 由于三个关节都是移动关节，故其结构刚度大 、工作精度高，因为三个关节没有耦合运动， 所以控制起来也较为简单，但其不足之处也是 显而易见的，比如说，其运动需要导轨，这使 其整体尺寸变大，并且导致工作空间与结构所 占空间的比值减小 人焊枪的空间位置， 由于三个关节都是移动关节，故其结构刚度大 、工作精度高，因为三个关节没有耦合运动， 所以控制起来也较为简单，但其不足之处也是 显而易见的，比如说，其运动需要导轨，这使 其整体尺寸变大，并且导致工作空间与结构所 占空间的比值减小，工作速度也较慢 圆柱坐标式的手臂，是运用关节的转动形式和 移动 形式的组合运动来确定腕部 在工作空间的位置，这种构型工作速度较快， 结构尺寸好计算，但是操作起来有些 不太灵活，工作过程中容易和其他物体发生碰 撞，因此一般应用于搬运机器人 。 球坐标式手臂是由两个转动关节和一个移动关 节组成，这种构型的设计方案使其结构紧凑， 自身所占空间减小，然而移动关节需要导轨结 构，使整体机构灵活性变差，目前应用不多 。 关节式手臂是由三个转动关节来实现末端的 位姿调整，这种构型方案是运用仿生学理论 来进行设计的，其灵感来自于人或类人的手 臂结构。 关节型的手臂相对其它构型的手臂 来说，其对于确定工作空间内的任意位姿是 最快的，并且在工作时手臂几乎不存在任何 干涉；其结构紧凑，操作灵活，工作空间与 自身结构体积的比值是最大的；虽然控制较为复杂，但随着计算机技术的发展和控制算法的完善，目前已经比较成熟了。 （ 4） 手腕设计 手腕可以确定焊枪空间的姿态，在参考人体手腕的基础上，确定机 器人腕有三个自由度，俯仰形式关节为 B，旋转形式关节为 R，则 现存的手腕结构有 1 小了工 作空间，不够灵活。一般来说，旋转 关节与平移关节相比，具有工作空间大、 结构紧凑、重量轻以及灵活性好等特点， 也更容易做密封防尘。 2 其结构较 复杂，对焊接工作的精度有较大影响，且 当其完全伸展时，三根关节轴处于同一平 面内，同时有两根旋转轴重合，这样将导 致机器人手腕丧失一个自由度，从而使手 腕不能到达任意位置姿态，不满足本设计 要求。 3 动和控制，而且其手腕三根关节轴相交于 一点，运动学逆问题有封闭解，控制算法 简单，其结构紧凑，在 同样条件下其末端 运动件更加轻型化，并且 适合微调操作 。 （ 5） （ 6）传动结构设计 焊接机器人的驱动方式有液压式、气动式和电动机式。 1. 液压驱动 :是指动源（发动机或电机）驱动油泵产生压力油，压力油再去驱动液压马达，由液压马达产生机器需要的动力。 2. 气动驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，与液压驱动相比较，气动驱动由于压缩空气粘度小，所以容易达到高速；由于可利用工厂集中空气压缩机站供气，减少了动力设备；空气介质不污染环境，安全高温下可正常工作；空气取之不竭用之不尽，相对于油液廉价，故气动驱动元件比液压元件价格低 3. 电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着材料性能的提高，电动机性能也在随之提高并且电动机使用简单，所以就目前来看，机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。 三种驱动系统的比较 内容 驱 动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 输出力 压力高，可获得大的输出力 压力相对要小，输出力小 输出力较大 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /伺服电动机 易标准化，结构性能好，噪声低，质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 电动机一般需配置减速装置，除动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000个大气压）时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环 境防爆性能较差 对环境影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业机械手中的应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 6. 文献 查阅 概况 1 成大先 五版）（第 1卷） M学工业出版社， 2008. 2 蔡自兴 M械工业出版社， 2009. 3 李晓辉，汪苏，刘小辉，朱小波 J2005. 4 唐新华 J2006. 5 孟广喆 第一届全国焊接会议论文集 J国工业出版社， 1964. 6 国家自然科学基金委员会 热加工 )M学出版社， 1995. 7 潘际銮 控制 J册 械工业出版社， 1997. 8 林尚扬 M第 1册 械工业出版社， 1997. 9 张西庚 第八次全国焊接会议论文集 J册 械工业出版社， 1997. 10 吴林等 第八次全国焊接会议论文集 J册 械工业出版社， 1997. 11 濮良贵，纪明刚 M等教育出版社， 2009. 12 殷际英，何广平 M学工业出版社， 2003. 13 郭洪红 M学出版社， 2008. 14 马香峰主编 M. 北京：机械工业出版社， 1991. 15 刘鸿文主编 第四版 )M. 北京：高等教育出版社， 2004. 16 以三维视觉为基础的工业机器人的控制Ac2001. 17 996,3(1):2418 M 索罗门采夫主编 M. 北京：机械工业出版社， 1993. 19 陈先奎 M汉理工大学出版社， 2009. 20. rm 2009 21279- 1284, (2009) 21of 452 459, (2005) 论文）提交 形式 毕业设计图纸 毕业设计计算说明书 外文翻译资料 排 第四周 ： 相关资料的搜集，英语文献的翻译及编写开题报告。 第五周 ： 相关资料的搜集，英语文献的翻译及编写开题报告。 第六周 ： 电动机的选型，底座设计。 第七周 ： 第八周 ： 大臂，小臂，手腕的计算。 第九周 ： 其余部件的设计计算。 第十周 ： 焊接机器人结构设计计算。 第十一周 ：总体布局。 第十二周 ：焊接机器人结构总体优化及绘图。 第十三周 ：焊接机器人结构总体优化及绘图。 第十四周 ：焊接机器人控制部分设计及电气原理图绘制。 第十五周 ： 编写 设计计算 说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。 第十六周 ： 毕业答辩 。 9. 指导教师意见 签名： 年 月 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 毕业设计（论文） 毕业设计题目： 焊接机器人结构设计 毕业生姓名 ： 专业 ： 学号 ： 指导教师 ： 所属系（部） ： 二 年 月 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 前 言 机器人技术是融合了电子技术、机械技术等多种新兴技术的一种高新技术。工业机器人先后经历了从第一代示教再现机器人、第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，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。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 V 摘 要 六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。所以在设计中我们应当注意其结构工艺的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度和轻便的特性。本论文主要对焊接工业机器人的驱动方式及各轴的传动方案进行了设计，并对驱动运动的电动机进行了选型；在对其工作空间分析的基础上，对关键的零部件进行了受力分析及强度校核；根据其基本结构参数，并用 关键词 ： 工业机器人；结构设计；传动方案设计；受力分析；强度校核 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 ix of is a of of So in we to of in of be so it of of in on of of of 录 摘 要 . V 1 绪 论 . 1 业机器人概述 . 1 题研究背景及其意义 . 1 内外研究现状及发展趋势 . 3 外发展现状与趋势 ： . 3 内发展现状与趋势： . 4 业机器人相关技术 . 5 文主要内容 . 6 2 总体方案 与传动机构设计 . 8 总体方案设计与分析 . 8 驱动方式选择 . 9 传动方案的初步设计 . 10 腕关节的传动结构设计 . 10 小臂传动机构 . 11 大臂传动机构 . 11 腰身传动机构 . 12 机器人部分技术参数 . 12 工作空间 . 14 工作空间与机器人结构尺寸的相关性 . 14 析 . 16 4 结构设计 . 17 传动方案的确定 . 17 手腕传动 . 17 腕部的设计要求 . 17 腕部电机的选择 . 17 腰部 . 18 底座及腰部设计要求 . 18 电机选择 . 18 手臂 . 19 手臂作用概述 . 19 电机选择 . 19 传动结构设计计算 . 20 5 关键零部件的校核 . 25 腕部中心轴的结构设计与校核 . 25 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度 . 25 腕部中心轴的强度校核 . 25 腕部中心轴 2的结构设计与校核 . 27 腕部中心轴 2的结构设计 . 27 腕部中心轴 2的强度校核 . 28 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核 . 28 手腕齿轮连接轴的结构设计 . 28 手腕齿轮连接轴的强度校核 . 29 腕齿轮连接轴 2的结构设计与校核 . 31 动臂座与腰部主轴连接螺钉的校核 . 31 部分三维图 . 31 6 总结 . 34 附录 . 35 参考文献 . 46 1 1 绪 论 业机器人概述 工业机器人是一种高精度的自动化生产装备，它的设计涉及到了多门学科知识，包括了气动、液压、电路、 论力学等等。 它最早出现于 20 世纪，人们通常广义的把机器人认为是能模仿人类动作的机器。相较于人具有大脑，手足，和眼睛等功能器官，随着机器人的发展，它也拥有了类似的能力，甚至在功能上远超人类。 工业机器人顾名思义，是用于辅助生产的机器人。早在 20世纪 20年代就出现了一种能够在生产线上，代替人搬送装卸工件的机械手。而在 40 年代则直接出现了可以由工人操作的机器人。 60年代则出现了可以自动的多操作的机械手。 工业机器人发展迅速，功能越来越多，甚至出现了具有智能的机器人。目前，世界上把机械手、机器人等也一并称为工业机器人。我国将其定义为：一种能自动控制，可重复编程、多功能、多自由度的机器人，并能搬运材料工件或者其他工具，用以实现多种作业。 题研究背景及其意义 随着社会发展和科技进步，机器人在社会各个领域的应用日益广泛，应用最广的要属工业机器人。在工业机器人应用中，大部分为焊接机器人，据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有超过一半应用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机 器人就是在自动焊接生产领域从事焊接任务的工业机器人 ,绝大多数的焊接机器人的结构是在通用的工业机器人的基础上装上某种焊接工具而构成的 ,视具体焊接方式不同可对个别焊接机器人进行专门设计。焊接机器人发展历史悠久 ,从上世纪年代工业机器人开始实用化以来 ,焊接机器人就立刻被投入到点焊和电弧焊领域中并得到了持续的应用。据统计 ,全世界使用中的焊接机器人数量大约占工业机器人总数量的一半 ,焊接机器人的研究历程和应用领域几乎等同于工业机器人。焊接机器人的发展历史可以说是代表着工业机器人的发展历史。焊接机器人是工业机器人的典型应用 形式之一 ,主要应用于电焊和电弧焊生产线上。经历了半个多世纪的应用和不断完善 ,国内外学者对焊接机器人的研究 2 仍然在向前发展 ,并取得了许多成果。目前学术界正在不断完善机器人共性技术的研究 ,主要是针对机器人操作机结构、控制系统、传感技术、网络通信技术、遥控和监视技术、虚拟机器人技术、多智能体调控技术等等的研究。未来焊接机器人正在向智能化方向、多传感器信息融合方向、模糊控制方向、群体协调和集成控制的方向发展。焊接机器人广泛应用于汽车及其零部件制造、工程机械和机车车辆等领域 ,近些年随着焊接机器人技术的不断发展 ,开始逐渐 应用于石油石化、船舶制造、冶金建设和压力容器制造等领域。其中对管道相贯线全位置焊接机器人研究的力度比较大 ,其关键技术研究主要包括机械机构研究、自动跟踪技术研究和计算机程控技术研究。最初焊接机器人主要应用于汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里 ,而且多数主要应用于汽车及其零部件制造行业中 ,在摩托车行业和工程机械行业中只占少数 ,其他像电器、自行车、机车、航空航天等行业也有一些。焊接机器人一开始应用于汽车装配生产线上的电阻点焊 ,后来随着焊缝轨迹跟踪技术、控制技术和机器视觉技术在工业上的推广应用 ,又承担起了汽车零部件 和装配过程中电弧焊的焊接任务。点焊机器人主要用于汽车及其零部件生产 ,但是在其他行业中用得却极少。弧焊机器人的分布比点焊机器人要广泛 ,但主要仍集中于汽车及其零部件生产线中 ,其余则分布于摩托车及工程机械制造行业中。随着机器人共性技术研究的不断深化 ,焊接机器人才开始应用于造船、锅炉、重型机械等焊接领域中。这些焊接任务中最常见的就是管道插接空间相贯线焊接 ,与传统的常规平面焊接任务不同 ,对焊接机器人技术提出了新的要求。 目前使用的机器人中，焊接机器人约占总量的一半。国外对机器人技术的垄断，严重制约着我国技术的发展， 要打破垄断，必须自主研制出适合自身发展的机器人，提升自身的科技水平。机器人的本体结构作为焊接机器人的基础，其加工制造精度，装配精度等对机器人工作范围、工作稳定性等方面有直接影响。 机器人燥接可以使焊接过程更加稳定，提高焊缝成型质量，改善劳动条件，适应恶劣环境，提高生产效率，明确产品周期，有效控制产量，缩短产品更新换代周期，减小设备投资等，从而满足现代化生产的需要。 工业机器人是机电一体化的设备，是包含了多种高新技术的产品，其产品的附加值高。机器人行业虽然是现代社会一个比较新的行业，但是在提高汽车、制造等行业 的自动化程度上有不可磨灭的功劳，因此，许多国内外的专业人士都认为它将是一个大规模的高新技术行业。现在人民的生活水平日益提高，对产品的要求也越来越高，这样工业机器人就有了应用的空间，随着我国汽车、制造等行业大量使用工业机器人，我国机器人市场的需求量很大，但在实际应用的机器人中进口占了绝大多数，在目前所使用的工业机器人中，国产仅占 20%，其余都是从日本、德国、瑞典等国家引进的，然而由于国外的机器人并不完全适合中国企 3 业的要求，有很大一部分都不能正常使用，因此现在国产机器人的发展既有机遇又有挑战。 以焊接行业为例 ，因为焊接工作具有工作强度高、危险性大、时间长等特点，现在已经很少有人愿意从事这一行了，这样就迫切需要大量的焊接机器人，目前我国焊接机器人较少，远没有达到饱和，再加上近年来国家政策支持发展国产机器人，这一切都说明工业机器人有很好的发展前景，研发高精度的焊接机器人有助于提高人民的生活质量，提高工业自动化程度，促进我国从制造大国转变为制造强国。 内外研究现状及发展趋势 外发展现状与趋势 ： 在 1946 年，美国发明家就申请了示教再现控制技术的专利，这种控制技术目前仍然应用在大多数的 示教工业机器人中，它其实就是人工把机器人从起始位置到工作目标点的运动路径运行一遍，机器人自身就记录下各个关节的转角等资料，以实现以后工作的再现。到 1959 年，第一台正式用于工业的机器人样机，在美国被设计生产出来了。而且仅仅过了三年，可以用于实际工作的机器人“ 在美国的 此就引发了全世界对机器人的研究热潮。许多国家开始积极出台相关政策，首先作为机器人技术发源地的美国，继续加大投入，鼓励机器人的研究和应用；而德国政府则采用强硬手段支持其国内机器人的发展，一些工作岗位被强制 规定：必须使用机器人，这样一来就加快了其机器人的研发和实用进程；英国为了弥补一开始的失误，采取加大对其自身机器人的财政补贴、扩大对机器人的宣传等政策，使英国机器人的发展稳步提高；日本对机器人的研发虽然起步较晚，但其凭借与美国的良好关系，从美国引进机器人的成熟、先进技术，再加上政府的大力支持和自身研发者的刻苦钻研，使得日本机器人，在世界机器人行业中有着举足轻重的地位。根据近期的相关统计，目前在各种领域工作的机器人，大概有 50%是由日本研发、制造的。 因为工业机器人拥有工作时间长、柔性好及适用性强等特点，所以它 在汽车制造业、机械工程、医疗器械、食品加工等行业中应用较多，而在这些行业中，汽车行业是应用工业机器人最早，也是最多的，其数量大概占有 37%左右。 工业机器人的技术在国外的一些国家已经比较成熟，其应用范围也是遍布各行各业。以日本为例来说，当初其微电子行业的发展，使日本的劳动力明显不足，这样工业机器人在公司受到了“救世主”般的欢迎，使日本的工业机器人得到政府和企业的高度重视，从而促使其快速发展，现在日本的各个行业都有机器人的身影。目前不管是从机器人的数量还是机器人的密度来看，日本都位居世界第一。而其它欧美工业发 达国家机器人的发展，则更是可见一斑。下面用具体的数字来 4 直观地描述国内外工业机器人的应用情况，从工业机器人的密度 (即每万名生产工人占有的机器人数量 )来分析，日本和意大利分别达到 1700 台和 1600 台，联邦德国为 1190 台，法兰西共和国有 1130 台，葡萄牙有 980 台，美国为 780 台，瑞典有 650 台，加拿大 620台，我国最多拥有 90 台 (汽车行业 )。 到目前为止，许多工业发达的国家都有自己知名的代表性机器人制造商，这些机器人企业一般被分为两种：欧系和日系。在这些工业机器人的生产厂家 中，如发那科、安川、 菱、那驰不二越等称为日系；而另外一些常见的像史陶比尔、杜尔、 大利的 司以及奥地利的重工 称为欧系。这些跨国公司，不仅对其各自的国家来说是支柱性企业，而且在国际上也都比较有影响力，几乎垄断了机器人行业。 内发展现状与趋势： 我国由于工业基础薄弱，对机器人的研究是从上世纪 70 年代才逐渐开始的，而且还仅仅是研究分析机器人的基础理论，直到 1986 年，国家出台政策，将机器人作为高新技术来研究，并且陆陆续续成立了一些专业的科研院所和 公司，这样我国机器人事业才得到了较快的发展。比如说首钢莫托曼，虽然说是目前国内最大、最先进的机器人生产制造公司，但因为是中日合资企业，技术方面主要依靠从日本引进，虽然现在已经开发、生产了多个系列的多种机器人，占有一定的市场份额，但对工业机器人国产化帮助有限。而 2000 年成立的沈阳新松机器人公司，是完全拥有自主知识产权的，同时它也是我国工业机器人的产业基地，隶属于中国科学院，它成功研制了我国第一台工业机器人，从而揭开了国产机器人应用的序幕，并且填补了我国在这一行业的空白。现如今，新松机器人公司生产的机器人 种类多样，相关技术已达到国际先进标准，其产品应用在我国的很多自动化行业中，打破了国外的垄断，为促进我国工业自动化做出了较大贡献。 随着从 2008 年开始的劳工成本大幅上升，工业机器人就逐渐在我国的制造行业崭露头角，当年我国新增的各种机器人达 7500 台之多，其数量是前 24 年销售总量的三分之一。在不久的未来，机器人将作为一种标准设备而得到广泛应用，并将成为我国工业自动化技术与应用的“生力军”。 沈阳新松公司（）在国内率先开展机器人的研巧。其研发的焊接机器人在许多厂商中得到应用，如点焊机器人 成功应用于一汽轿车的小红旗、世纪星两种车型的车身姐焊；为大连华克吉莱特汽车公司组建弧焊机器人工作站等。奇瑞汽车有限股份公司主要产品有弧焊、点焊等多种机器人产品系列，但仅用于奇瑞汽车生产线上，适应范围较窄，并且未能完全实现自主研制，其核必部件依然受国外的限制，如奇瑞中的电阻焊接控制器采用日本的电阻焊接控制器，焊巧采用曰本小原的一体化气 5 动焊領。虽然我国在机器人技术方面取得一定的进步，但是受国外技术垄断，国内工业水平较落后等因素的影响，国产机器人占用比还是较低。另外我国 研制的焊接机器人在可靠性、定位精度、使用寿命等方面与国外产品相比依然有较大差阻町因此市场竞争力较弱，产品难以打入国际市场。 随着现代加工技术要求的提升，为了适应发展要求，焊接机器人技术的研究也在不断的深入，智能化、模块化、物联网化的概念将成为发展的主流，焊接机器人发展方向主要分为智能传感技术、多机器人协作焊接、嵌入式控制技术及开放式机器人控制系统。 智能传感技术。焊接机器人的控制是一个多变量的控制过程，控制量的控制结果则是通过传感器反馈回来，传统的传感器采集的是位置、速度、加速度等这些直接控制量，而新型传感 器则具备自动识别和调节功能，再结合相关算法能让焊接机器人的控制更具智能化，比如说焊缝的自动识别与跟踪、焊接质量的自动检测、加工工件自动定位等。 多机器人协作焊接。单机器人焊接作业虽然能够完成部分的任务，但是在实际生产中随着被加工对象的复杂性和柔性生产线的自动化要求的不断提升，单机器人的焊接系统已经无法满足要求，只有借助多机器人协同焊接才能从根本上解决问题，而多机器人焊接的协调控制也带来了许多全新的难点，但并不阻碍它成为一个研究热点。 嵌入式控制技术。物联网技术近几年一直不断的受到热捧，而物联网的核心技术要靠 嵌入式系统来得以体现，将嵌入式控制技术应用在焊接机器人控制中是一个全新的突破点，嵌入式控制系统相比基于微处理器的控制具有很高的实时性和网络通讯能力，可以有效保证焊接过程中的实时监测性能和远程监控能力。 开放式焊接机器人控制系统。随着机器人技术研究的专业化程度不断深入，焊接机器人控制系统的开放性以及模块化已经不可阻挡，控制系统的标准化和通用性已成为发展趋势，各研究机构与大型组织已经进行一些探索，如今基于 业机器人相关技术 工业机器人按坐标系统可分为以下五 种： (1)圆柱坐标型 这种机器人只有一个转动关节，其余都是移动关节，它的空间定位较为直观，但其移动副不易防护，手臂伸缩的时候，可能与其他物体相碰撞。 (2)直角坐标型 只具有移动关节，其运动部分看起来是由三个相互垂直的直线组成，其工作空间图形为矩形。控制算法简单，没有耦合；占地面积大，工 6 作空间较小，结构刚度高，操作类似于数控机床。 (3)球坐标型 这是有两个转动关节、其余为移动关节的机器人，有着占地面积大，工作空间大具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 (4)关节型 具有三个 转动关节的机器人，其动作灵活，工作空间大，结构紧凑，占地面积也小，但是其运动学复杂，计算困难，计算量大 (5) 平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面垂直平面刚度好，水平面柔顺性好结构轻便，响应快，适用于平面定位，垂直装配作业 图 1种坐标类型 文主要内容 （ 1）通过阅读学习工业机器人的相关书籍和论文，确定了工业机器人使用方式，完成工作方案的初步设计； （ 2）设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案； （ 3）运用数学知识，作图计算其工作空间，根据 算主要结构尺寸要素； （ 4）设计各轴结构样式，选择其驱动电机类型； （ 5）对关键的零部件进行校核。 7 8 2 总体方案与传动机构设计 总体方案设计与分析 由第一章可知，工业机器人按坐标系统可分为直角坐标机器人，圆柱坐标机器人，球面坐标机器人，关节型机器人和 中关节型机器人使用范围广，用途多样，其优点如下： （ 1）工作空间范围大，占地面积小。 （ 2）灵活性高，能够做到其他种类机器人所无法做到的动作，用途广泛。 （ 3）没有移动关节，所以不需要设计导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。 （ 4）驱动各轴运动时转矩较小，耗能少 综上所述，我们决定采用关节型机器人。 手臂由动力关节和连接杆件构成，用以调整手腕和末端执行器的位置。由于本设计要求能达到工作空间的任意位置，因此采用三自由度手臂。机座则采用回转机座。 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。由于本机器人对要求的动作多样，灵活性高，故选用三自由度手腕。 三自由度手腕由 关节组成，可实现翻转、俯仰和旋转功能。 关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，因此其结构形式也多种多样。 手腕可以确定焊枪空间的姿态，在参考人体手腕的基础上，确定机器人腕有三个自由度，俯仰形式关节为 B，旋转形式关节为 R，则现存的手腕结构有 1 腕减少了手腕纵向尺寸，减小了工作空间，不够灵活。一般来说，旋转 关节与平移关节相比，具有工作空间大、结构紧凑、重量轻以及灵活性好等特点，也更容易做密封防尘。 2 其结构较复杂，对焊接工作的精度有较大影响，且当其完全伸展时，三根关节轴处于同一平面内，同时有两根旋转轴重合，这样将导致机器人手腕丧失一个自由度，从而使手腕不能到达任意位置姿态，不满足本设计要求。 3 动和控制，而且其手腕三根关节轴相交于一点，运动学逆问题有封闭解，控制算法简单，其结构紧凑，在同样 9 条件下其末端 运动件更加轻型化，并且 。 图 2自由度手腕的几种形式 动关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直，旋转角度小； 把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式，这种关节旋转角度大，可达到 360以上。 业机器人的自由度越多，灵活性越好，但过多的自由度也会使得设计与结构复杂化。 考虑到本机器人的实际用途，故采用六自由度，依次为腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回转，手腕俯仰，手腕侧摆。 驱动方式选择 工业机器人的驱动方式可以分为气压驱动、液压驱动及电动机驱动等多种类型。它们各有优缺点，且适应的工作场合也不同。三种驱动方式的特点比较见表 10 2 表 2驱动方式比较 特性 气压驱动 液压驱动 电动机驱动 输出功率和使用范围 气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大。 油压高，可获得较大的输出功率，适于重型，低速驱动 适用于运动控制严格的中、小型机器人，输出功率较大 控制性能和安全性 压缩性大，对速度位置的精确控制困难，阻尼效果差，低速不易控制，排气有噪声，泄漏对环境无影响 液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无极调速，能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏污染环境 控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，伺服特性好，控制系统复杂，对环境无影响 结构性能 结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出 结构尺寸较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要 结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 效率和制造成本 效率低（为 源方便，结构简单，成本低 效率中等（管理结构较复杂，成本高 成本较高，根据上述驱动系统特点，本文最终选择电机驱动的方式。 传动方案的初步设计 腕关节的传动结构设计 11 图 2腕传动机构 如图所示，我们采用的是三自由度手腕，也被叫做万向型手腕，它一部分与小臂相连，随小臂转动而转动，中间锥齿轮 动手腕做俯仰运动，轴 1则带动手爪转动。为了使手腕能实现三个自由度并减轻手腕重量，必须用远距离传动，故将电动机装在小手臂的关节处。 小臂传动机构 图 臂结构 图 2臂关节的传动机构简图如图 2示。小臂做 +130至 而调节整个腕部的空间位置。其驱动电机装在驱动臂座上，即大手臂的关节处，通过大臂底部的通孔，使用两根连杆与小手臂座相连。通过连杆的动作，实现小手臂座的俯仰动作。底部使用平键连接，大臂与底杆则使用涨紧套连接。 大臂传动机构 12 图 2臂结构 如图 2臂和小臂的俯仰动作将共同决定手腕在平面中的位置，其底部有通孔，大臂与减速器通过通孔相连，电动机在减速器旁边并列安装。 腰身传动机构 腰部旋转和大臂小臂的俯仰动作共同决定手腕在空间中的位置。腰部采用力矩电机来传递转矩，腰部主轴是空心轴，通过键与力矩电机相连。因此，力矩电机带动腰部主轴旋转，从而使腰部回转盘旋转。 机器人部分技术参数 13 表 2方案信息 工艺描述 六轴动作顺序 动作范围 最大速度 驱动功率 1轴（回转） 360 160 /s 2轴（大臂俯仰） 130 160 /s 3轴（小臂俯仰） 220 220 /s 4轴（手腕回转） 360 500 /s 5轴（手腕俯仰） 220 330 /s 6轴（手腕偏转） 220 330 /s 该机器人固定于两条自动装配线末端中间，同时负责两条装配线的工件搬运，因此，该机器人必须具有动作灵活的特点。 本设计中该搬运机器人本体由底座、腰部、大臂小臂、手腕和末端执行器组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。 机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最广泛的驱动方式。 14 3 工作空间分析及计算 工作空间 该机器人的结构参数应该根据一定的工作空间要求来确定，工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。工作空间是机器人的一个重要性能指标，是机器人机构设计要研究的基本问题之一。当给定机器人结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究机器人应具有什么样结构。本文所讨论的搬运机器人主要用于装配线末端产品的搬运，本文将用一种根 据工件尺寸确定机器人位置机构参数的简便方法确定该搬运机器人的主要结构参数，包括大小臂的长度尺寸及其极限摆角。
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