毕业论文-焊接机器人腰部结构及电控系统设计

焊接机器人腰部结构及电控系统设计 I 摘 要 针对焊接机器人产业化中涉及到的新型结构本体设计 、高性能机器人控制器技术及免维护系统设计等关键技术进行了研究 .结合 MOTOMAN UP-6 弧焊机器人 ,介绍了采用交流伺服电机及谐波齿轮减速器等精密传动部件进行臂传动设计 ,使得机器人结构变得越来越简单 ,传动环节减少 ,提高了系统的精度又减少了维护工作量 ,同时也简化了生产工艺 .实际结果表明生产成本降低了 30%,机器人定位精度提高了 50%。 机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段 ，它在提升企业技术水平 、稳定产品质量 、提高生产效率 、实现文明生产等 方而具有重大作用 。焊接机器人的应用 ，不但改善了劳动环境 、减轻劳动强度 、提高升产效率 ，更主要原因是焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量的一致性 ，这对于保证批量生产的产品焊接质量至关重要 。伴随着工业的发展 ，人们开始应用的机械手和操作机 ，都作为一种过渡形式 ，为机器人的完善提供了阶梯 。人类经过不懈地研究试验 ，把幻想逐步变成了现实 ，机器人终于出现于世 ，迅速发展 ，并开始对国民经济 、太空探索 、海洋开发和国防事业带来重大影响 。 关键词关键词关键词关键词 ： 弧焊机器人 、大臂结构设计 、交流伺服系统 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 II ABSTRACT Studies new arc welding roboto ,design and performance control technology. Describes the design concept and structure of MOTOMAN UP-6 arc welding robot, the AC servo motor and concordant geer reducer, to achieve high moving precision and strong stiffness, simple structure and high reliability. Convludes form experimental results that the robot production cost fall by 30 percent while the position precision raise by 50%. Robot, as a kind of typical representative and main method of advanced manufacturing technique, which is very important in the following aspects, including improving technique level of company, stabilizing quality of product, enhancing efficiency of production and performacing civilized manufacture. With the application of the welding robot, not only improving enviorment of production, releasing work intension, but also, the stabilization and the consistency of the quality of welding production when welding robot operating, which is essential for guaranteeing the welding quality of batch products to some extend. With the development of industry, people start to using manipulator and operator, both of them are kind of interim form, they provid perfect step for development of robot. Human being turn the dream into the reality so that the conceive of robot can be relized and increasing development by unremitting researching examination, all of these will bring significant and far-reaching effection to the demestic economy ,exploration of outer space, exploitation of ocean and the development of national defence. KEY WORDS ： arc welding robot, big arm structural design, AC servo sistem 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 III 目 录 第一章 前言 .1 1.1 选题背景 .2 1.2 设计思想与设计要求 .5 1.2.1 设计思想 .5 1.2.2 腰部的结构设计内容 .6 1.3 国内外焊接机器人的发展 .6 第二章 机器人的基础及腰部结构设计 .10 2.1 设计时应注意的几个问题 .10 2.1.1 刚度 .10 2.1.2 精度 .10 2.1.3 平稳性 . 11 2.1.4 其他 . 11 2.2 电机的选择 . 11 2.2.1 电机传动及其控制系统的发展概况 .12 2. 2. 2 电动机及控制系统的分类和特点 .14 2.2.3 电机型号的选择 .23 2.2.4 电动机的维护 . 24 2.3 减速器的选择 .33 2.3.1 谐波减速器的选择 .33 2.4 齿轮的选择 ： .33 2.4.1 齿轮的强度校核 .34 第三章 经济性分析 .36 3.1 市场分析 .36 3.2 研究目的 .36 3.3 经济性评估 .36 第四章 毕业设计小结 .37 参 考 文 献 . .38 致谢 .40 声明 .41 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 III 目 录 第一章 前 言 . .1 1.1 选题背景 .1 1.2 设计思想与设计要求 .5 1.2.1 设计思想 .5 1.2.2 腰部的结构设计内容 .6 1.3 国内外焊接机器人的发展 .7 第二章 机器人的基础及腰部结构设计 .10 2.1 设计时应注意的几个问题 .10 2.1.1 刚度 .10 2.1.2 精度 .11 2.1.3 平稳性 .11 2.1.4 其他 .11 2.2 减速器的选择 .11 2.2.1 谐波减速器的选择 .11 2.3 齿轮的选择 ：. .12 2.3.1 齿轮的强度校核 .12 第三章 电动机的选择 .14 3.1 电机的选择 .14 3.1.1 电机传动及其控制系统的 发展概况 .15 3.1.2 电动机及控制系统的分类和特点 .17 3.1.3 电机型号的选择 .26 第四章 电动机的维护 .28 4.1 电动机的维护 .28 4.1.1 维护方法 .29 4.1.2 日常巡检工作 . .30 4.1.3 例行维护检查 .31 4.1.4 电动机常见机械故障检修 .34 第五章 经济性分析 .38 5.1 市场分析 .38 5.2 研究目的 .38 5.3 经济性评估 .38 第六章 毕业设计小结 .39 参 考 文 献 . .40 致 谢 . .42 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 IV 声 明 . .43 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 1第一章第一章第一章第一章 前前前 前 言言言 言 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 。这类机器人操作简单 ，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化 ，在现代化工业生产中的应用受到很大限制 。 第二代是具有感知能力的机器人 。这类机器人对外界环境有一定的感知能力 ，具备如听觉 、视觉 、触觉等功能 ，工作时借助传感器获得的信息 ，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作 。 第三代是 智能型机器人 。这类机器人不但具有感觉能力 ，而且具有独立判断 、行动 、记忆 、推理和决策的能力 ，能适应外部对象 、环境协调地工作 ，能完成更加复杂的动作 ，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力 。 长期以来 ，人类孕育着一个美好的愿望 ，就是创造出一种仿人的机器 ，即机器人，以便把人的劳动转嫁给机器人 。从顾代神话传说到现代科学幻想 ，都有财机器人的精彩描绘 ，这说明人类对机器人的向往和企盼 1。 人类在改造自然的漫长岁月中 ，总是探索和寻求各种方法和手段 ，用来减轻或取代自身的劳动 。最初出现的备种简单器械 、机构 ，用滚动摩擦代替滑动 摩擦的方法，对机器人的问世 ，都具有启蒙意义 。后来 ，伴随着工业的发展 ，人们开始应用的机械手和操作机 ，都作为一种过渡形式 ，为机器人的完善提供了阶梯 。 人类经过不懈地研究试验 ，把幻想逐步变成了现实 ，机器人终于出现于世 ，迅速发展，并开始对国民经济 、太空探索 、海洋开发和国防事业带来重大影响 。 1.1 选题背景 机器人是机电一体化产品 ，即是一个完整的机械电子系统 。它的六大要索 ，即计算机 、动力 、传感器 、驱动系统 、执行器 、机械本体 ，可比拟为人的大脑 、内脏 、五官 、肌筋腱 、四肢 、身躯 ，是人的整体功能在自然领域的复现和延伸 。计算 机是机器人的指挥系统 ，它与人的大脑作周相似 。计算机将来自各传感器的检测信息集中、储存并进行处理 ，然后按照一定的程序和节奏发出备种指令 ，去指挥和控制整个系统的运行 。“动力 ”是机器人的能源 ，它与人的内脏作用相似 。它为驱动系统提供能量和动力功能 ，并驱使执行器运行 。传感器是机器人感知外界的器官 ，其功能是将系统运行中所需的备种参数及状态检测出来 ，变成一种可以测定的物理量 ，焊接机器人腰部结构及电控系统设计 2传到计算机 ，经过信息处理后根据需要作出反应 。它与人的五官 （眼、耳、鼻、舌、肤）作用相似 。机器人的视觉是光电传感器 ，相当于人的眼睛 。这个视觉器官像一部微型摄像机 ，摄取外部景物 ，并将景物变为电信号 。听觉器官是压力传感器 ，相当于人的耳朵 。这个听觉器官像电话里的话筒 ，将声波振动变为电信号 。嗅觉器官是气体传感器 ，相当于人的鼻子 。利用气体传感器吸入不同气体时导电能力发生变化的原理 ，发出信号 ，监测大气中的有害气体 。味觉器官是味觉传感器 ，相当于人的舌头 。将千变万化的味道变成电信号 ，输入电脑 。触觉器官是触觉传感器 ，相当于人的皮肤 。利用热敏电阻 ，将冷热变化输人电脑 ，使机器人有冷热感觉 。触觉传感器还有感知物体形状和软硬程度的功能 。驱动系统是在计算机的指挥下 ，去驱动各执行器 ，完成各种动作和功能 ，它与人的肌 、筋、腱作用相同 。执行器是机器人完成抓取物件和扩大行走范围的环节 ，它和人的四肢作用相似 。机械本体是指机器人的机械结构和支承装置 ，它和人的身躯相同 2。 工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备 ，己广泛应用于汽车 、摩托车 、工程 机械 、电于信息 、家电 、化工等行业 ，主要用于完成焊接 、装配 、搬运 、喷涂 、码垛等复杂作业 。日本 、北美 、欧洲 、韩国等工业经济发达地区是工业机器人生产和应用的主要地区 。据统计 ，目前全世界己有近 100 万台机器人投入使用 ，其中用于完成各种焊接作业的焊接机器人占全部机器 人的 45以上 。在我国 ，人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位 ，人工施焊时焊接工人经常会受到心理 、生理条件变化以及周围环境的干扰 。在恶劣的焊接条件下 ，操作工人容易疲劳 ，难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性 ，而焊接机器人则工作状态稳定 ，不会疲劳 。因而 ，选择应用焊接机器人对产品进行焊接可以实现用稳定一致的工艺条件确保产品焊接强度和满足产品各项性能指标的要求 ，同时满足焊缝成型良好的产品外观质量要求 3。 焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人 。早期的焊接机器人缺乏 “柔性 ”，焊接路径和焊接参数 须根据实际作业条件预先设置 ，工作时存在明显的缺点 。随着计算机控制技术 、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感 、智能化的柔性加工单元 （系统 ）方向发展 。 机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段 ，它在提升企业技术水平 、稳定产品质量 、提高生产效率 、实现文明生产等方而具有重大作用 。大工业焊接机器人腰部结构及电控系统设计 3革命曾使人沦落为机器的奴隶 ，而机器人的诞生和广泛推广应用又重新使人美恢复了尊严 。目前机器人技术己 成为世界各发达国家竞相发展的高技术 ，其发展水平己成为衡量一个 国家技术发 展程度的重要标志之一 4。 伴随着人类迈入 21 世纪的历史步伐 ,我国进入了现代化建设的全面发展时期 。随着科技水平的提高及国力的增强 ,我国不仅要加大空间探测的力度 ,同时还要积极参与国际上对海洋资源的竞争 。所有这一切 ,都需要大量的技术先进的特种机器人 。特别是近 10 年来人们的消费观念已经发生了根本的变化 ,在经济发达地区 ,消费水平提升很快 ,平常百姓普遍渴望轿车进入家庭 。不难估计 ,在未来 10 年 ,我国汽车工业很可能会进入一个前所未有的发展时期 。它将会带动装配机器人需求量的增加 。而且随着人们生活质量的提高 ,对服务机器人的 需求量也会大大上升 。这一切都预示着 21 世纪 ,我国拥有一个非常广阔的机器人市场 。如果不加快发展我国自己的机器人产业 ,那么 ,当下一个新技术时代到来时 ,日、美等机器人大国的产品将像洪水一样涌入我国 。相反 ,如果我们能够面对挑战 ,抓住机遇 ,根据国情及现代化建设的需要 ,有的放矢地发展我国的机器人产业 ,那么 ,我们不但有能力靠自己的力量满足我国未来广大的机器人市场需求 ,同时还能够参与国际机器人竞争 ,寻求国际市场 。由此可见 ,有计划地发展我国的机器人产业 ,具有极其深远的战略意义 。它不但可以增强我国的综合实力 ,提高我国的国际地位 。同时也能够有力地促进我国在科学技术领域整体实力的提高 。那么在下一个新技术时代到来时 ,我国与国际科技水平的差距就会大大地缩小 5。 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 。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域 。截止2005 年全世界在役工业机器人约为 91.4 万套 ，其中日本装备的工业机器人总量达到了 50 万台以上 ，成为 “机器人王国 ”，其次是美国和德国 ；在亚洲 ，日本 、韩国和新加坡的制造业 中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位 。近几年 ，全球机器人的数量在迅速增加 ，仅 2005 年就达 12.1 万台 。 工业机器人由操作机 （机械本体 ）、 控制器 、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作 、自动控制 、可重复编程 、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备 。特别适合于多品种 、变批量的柔性生产 。它对稳定 、提高产品质量 ，提高生产效率 ，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作焊接机器人腰部结构及电控系统设计 4用。 机器人技术是综合了计算机 、控制论 、机构学 、信息和传感技术 、人工智能 、仿生学等多学科而形成的高新技 术，是当代研究十分活跃 ，应用日益广泛的领域 。机器人应用情况 ，是一个国家工业自动化水平的重要标志 。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 ，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置 ，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力 ，又有机器可长时间持续工作 、精确度高 、抗恶劣环境的能力 ，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物 ，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备 ，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 。 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 。据不完全统计 ，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头 ，平均每年的增长率都超过 40%,焊接机器人的增长率超过了 60%； 2004 年国产工业机器人数量突破 1400 台，进口机器人数量超过 9000 台，这其中的绝大多数都应用于焊接领域 ； 2005 年我国新增机器人数量超过了 5000 台，但仅占亚洲新增数量的 6%，远小于韩国所占的 15%，更远小于日本所占的 69%。这样的增长速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的 ，这说明我国制造业的自动化 程度有待进一步提高 ，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉 ，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制 。 当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇 。一方面 ，随着技术的发展 ，焊接机器人的价格不断下降 ，性能不断提升 ；另一方面 ，劳动力成本不断上升 ，我国经济的发展 ，由制造大国向制造强国迈进 ，需要提升加工手段 ，提高产品质量和增加企业竞争力 ，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大 。 机器人技术是综合了计算机 、控制论 、机构学 、信息和传感技术 、人工智能 、仿生学等多学科而形成的高新技术 ，当前对机器人技术的研究十分活 跃。从目前国内外研究现状来看 ，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 6。 我国开发工业机器人晚于美国和日本 ，起步于 20 世纪 70 年代初期 ，已有 30多年的发展历史 。我国已从 “七五 ”计划就把机器人列入国家重点科研规划内容 ，焊接机器人腰部结构及电控系统设计 5拨款在沈阳立了全国第一个机器人研究示范工程 ，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究 。 20 多年来 ，相继研制出是教再现型的搬运 、点焊 、喷漆 、装配等门类齐全的工 业机器人及水下作业 、军用和特种机器人 。目前 ，示教再现型机器人技术已基本成熟 ，并在工厂中推广应用 。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂与东风汽车厂投入运行 。 1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发展规划已列入研究 、开发智能机器人的内容 。目前我们国家比较有代表性的研究 ，有工业机器人 ，水下机器人 ，空间机器人 ，核工业的机器人 ，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比 ，还存在很大的差距 。 我国的智能机器人和特种机器人在 “ 863”计划的支持下 ，也取得了不少成果 。其中最为突出的是水下机器人 ， 6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平 ，还开发出直接遥控机器人 、双臂协调控制机器人 、爬壁机器人 、管道机器人等机种 ；在机器人视觉 、力觉 、触觉 、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作 ，有了一定的发展基础 。但是在多传感器信息融合控制技术 、遥控加局部自主系统遥控机器人 、智能装配机器人 、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步 ，与国外先进水平差距较大 ，需要在原有成绩的基础上 ，有重点地系统攻关 。 从具体应用看 ，工业机器人一般用于上下料 、喷漆 、焊接 、去毛刺和装配等作业。 80 年代初 ，随着汽车和电气工业的发展 ，各制造厂积极 推行生产设备现代化 ，使用焊接和装配机器人的数量迅速增加 。在焊接机器人使用最多的汽车厂里 ，这种机器人主要是用来焊接车身 。国外汽车制造厂几乎都实现了焊接作业的自动化 。同期，装配机器人的发展也很迅速 7。 毫无疑问 ，提高产品质量 、保证劳动安全 、提高生产柔性和生产效率是众多工业生产部门采用工业机器人的主要目的 。工业机器人技术的发展与企业技术改造的需求相结合 ，又相互促进 ，使工业机器人产量不断增长 ，应用范围也日益扩大 ，有力地促进了许多生产过程的自动化和合理化 。 1.2 设计思想与设计 要求 1.2.1 设计思想 总体设计 思想本专题的总体开发思路为 :在已取得的研究成果的基础上 ,参考国内外成熟可靠的工业机器人产品 ,结合国内目前的实际情况进行轻型工业机器人的选型 、设计与制造 . 具体的研究与开发工作如下 : 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 61 机器人设计的总体指导思想 :机器人的工作可靠性应该放在项目开发的第一位. 从方案的确定 、本体的设计到元器件的选择 ,从制造到调试等各个环节始终贯彻可靠性第一的原则 ,确保开发出的工业机器人能够可靠的工作 . 2 基于模块化的设计思想 ,进行了机器人的总体设计 ,将机器人的腰部 、大小臂部件 、腕部设计成模块的形式 ,可以根据实际要求 ,可方便的 设计出满足不同载荷和运动范围要求的机器人产品 ,减少了设计周期 ,降低了制造成本 ,有利于批量生产 . 3 在机器人的选型上 ,充分参考和分析了 90 年代中期国际上具有代表性的工业机器人的特点 ,借鉴其结构上的优点 ,确定了机器人小臂采用平行四边形连杆机构驱动 、腕部采用电机和谐波减速器置于小臂内部的驱动形式 ,具有结构紧凑 、简单、刚度大 、传动链短 、易于加工的特点 。 4 在材料上腰部应选择具有较大的硬度的铸钢为主要的材料 ，以体现其易成形的要求 。首先将主要的零件铸造成形 ，在中央具有一个较大的腔体用来放置电机 ，在保证了强度和刚度 的前提下 ，采用适当的肋板结构以减轻重量 。在底座的材料选择上 ，选择具有较大的抗压能力的铸铁 。在一些不承受主要压力的零件上采用 45#钢。 5 根据实际的工作要求 ,确定了机器人的主要技术参数和性能指标 . HT10 机器人的主要参数如表 1 所示 . 其中 ,工作范围用 表示 ,最大速度为 vm. 1.2.2 腰部的结构设计内容 1基本参数要求 ： 1-1 焊接机器人身高 ：1500 2000； 1-2 使用交流永磁式发电机 ： 1-3 焊接的形式为弧焊 ，弧上中心是处于焊接机器人运动的最佳位置 。 2任务内容要求 ： 2-1 说明部分 ： 翻译外文一份 ：查阅外 文资料 ，译文不少于 2 万字符 。 编写论文一份 ，其中包括 ： （1） 设计目的及设计任务 ； （2） 论文综述 ：查阅中外有关资料和专利 ，综述相关内容 。 （3） 基础腰部结构设计 ； （4） 首部位置及姿态分析 ，速度及加速度分析 ，位置的逆运算 ，程序框图 ； 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 7（5） 腰部电控系统 （四服电机 ）设计 。 （6） 初估总体价钱 ，进行经济分析 。 2-2 计算部分 ：焊接机器人手部的逆运算程序及结果仿真 。（ 上机 ）（ 选作 ，有加分 ） 2-3 绘图部分 ： （1） 焊接机器人腰部结构装配图一张 ； （2） 全部零件图 。 （3） 电控系统图若干长 。 1.3 国内外焊接机器人的发展 我国的工业机器人从 80 年代 “七五 ”科技攻关开始起步 ，在国家的支持下 ，通过 “七五 ”、“八五 ”科技攻关 ，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术 、运动学和轨迹规划技术 ，生产了部分机器人关键元器件 ，开发出喷漆 、弧焊 、点焊 、装配 、搬运等机器人 ；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线 （站）上获得规模应用 ，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上 。但总的来看 ，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离 ，如：可靠性低于国外产品 ；机器人应用工程起步较晚 ，应用领域窄 ，生产线系统技术与国 外比有差距 ；在应用规模上 ，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四 。以上原因主要是没有形成机器人产业 ，当前我国的机器人生产都是应用户的要求 ，“一客户 ，一次重新设计 ”，品种规格多 、批量小 、零部件通用化程度低 、供货周期长 、成本也不低 ，而且质量 、可靠性不稳定 。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术 ，对产品进行全面规划 ，搞好系列化 、通用化 、模化设计 ，积极推进产业化进程 。 一 随着电子技术 、计算机技术 、数控及机器人技术的发展 ，自动弧焊机器人工作站, 从 60 年代开始用于生产以来 ，其技术已日益成熟 ，主要有以下优点 ： 1 稳定和提高焊接质量 ； 2 提高劳动生产率 ； 3 改善工人劳动强度 ，可在有害环境下工作 ； 4 降低了对工人操作技术的要求 ； 5 缩短了产品改型换代的准备周期 ，减少相应的设备投资 。 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 8因此 ，在各行各业已得到了广泛的应用 。该系统一般多采用熔化极气体保护焊或非熔化极气体保护焊方法 。设备一般包括 ：焊接电源 、焊枪和送丝机构 、焊接机器人 （或焊接专机 ）系统及相应的焊接软件及其它辅助设备等 。 二 根据国内外机器人发展的经验 、现状及近几年的动态 ，结合当前国内经济发展的具体情况 ，“十五 ”期间机器人技术应重点 开展智能机器人 、机器人化机械及其相关技术的开发及应用 ；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策 、控制一体化技术及应用的研究 。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术 ，大力推进其产业化进程 ，力争在 “十五 ”末期实现喷涂 、焊接 、装配等机器人的产业化 。 主要研究内容 ：示教再现型工业机器人产业化技术研究 1 关节式 、侧喷式 、顶喷式 、龙门式喷涂机器人产品标准化 、通用化 、模块化 、系列化设计 。 2 柔性仿形喷涂机器人开发 ：柔性仿形复合机构开发 ，仿形伺服轴轨迹 规划研究，控制系统开发 ，整机安全防爆 、防护技术开发 ，高速喷杯喷涂工艺研究 。 3 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。 4 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 。 5 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真 。 6 电子行业用装配机器人产品标准化 、通用化 、模块化 、系列化设计 。 7 批量生产机器人所需的专用制造 、装配 、测试设 备和工具的研究开发 。 三 基于虚拟传感器的双向力反应 、反馈控制 ；面向任务的虚拟工具 ；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法 ；基于 VR 模型操作和真实世界操作的可切换 、相容性和可交换性 ；VR 监控系统 。 1 工业机器人性能不断提高 （高速度 、高精度 、高可靠性 、便于操作和维修 ），而单机价格不断下降 ，平均单机价格从 91 年的 103 万美元降至 97 年的 65 万美元 。 2 机械结构向模块化 、可重构化发展 。例如关节模块中的伺服电机 、减速机 、检测系统三位一体化 ；由关节模块 、连杆模块用重组方式构造机器人整机 ；国外已焊接机器人腰部结构及电控系统设计 9有模块化装配机 器人产品问市 。 3 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展 ，便于标准化 、网络化 ；器件集成度提高 ，控制柜日见小巧 ，且采用模块化结构 ；大大提高了系统的可靠性 、易操作性和可维修性 。 4 机器人中的传感器作用日益重要 ，除采用传统的位置 、速度 、加速度等传感器外 ，装配 、焊接机器人还应用了视觉 、力觉等传感器 ，而遥控机器人则采用视觉 、声觉 、力觉 、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 ；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 。 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真 、预演发展 到用于过程控制 ，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人 。 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统 ，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制 ，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统 ，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段 。美国发射到火星上的 “索杰纳 ”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 。 7 机器人化机械开始兴起 。从 94 年美国开发出 “虚拟轴机床 ”以来 ，这种新型装置已成为国际研究的热点之一 ，纷纷探索开拓其实际应用的领域 。 目前 ，用二台机器人协调工作进行弧 焊已相当普遍 。此时 ，一台弧焊机器人 焊接工件 ，而另一台夹持机器人夹持工件 ，从而可以不必为特殊工件专门设计成本高的专用夹具 ，并能保持最佳的焊接压力 。目前 ，丰田公司已开始使用能焊接 0.6mm厚的薄钢板 (间隙 2mm)的弧焊机器人 。由于这种弧焊机器人能从钢板一侧进入到焊接位置而不必像 点焊机器人那样需要从钢板两侧进入到焊接位置 ，因而将优先取代某些点焊作业 。 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 10 第二章第二章第二章第二章 机器人的基础及腰部结构设计机器人的基础及腰部结构设计机器人的基础及腰部结构设计机器人的基础及腰部结构设计 机器人的基础为机器人与固定端的连接部分 ，也就是焊接机器人与地面的联结和固定结构 。要求其能承受较大的压力和一定的扭矩 ，在机器人的腰部通过螺栓与底座连接 。机器人的低作用递交螺栓固定在地面 。 机器人的腰部分为固定结构 ，连接结构 ，传动结构和转动结构四部分 ：固定结构是通过螺栓与底座连接在一起 ；转动结构是与大臂连接的部分 ；连接结构是固定结构与转动结构之间的连接部分 （主要是个连接的轴承 ）； 传动部分要不的主要结构，包括电机 ，谐波减速器和齿轮 。 由于电机的回转中心线与转动结构的回转中心线向重合 ，当电机固定在固定结构上后 ，电机输出的转速无法直接传递到转动结构 ，所以减速器输出转速要通过此轮传递到转动结构上 。 由控制系统给电机发送信号 ，使其开始转动 ，电机的转矩由轴输出 ，轴与谐波减速器连接 ，由谐波减速器初步减速后将转矩传递给中心齿轮 ，在由偏转齿轮传递给转动零件 ，带动腰部转动 。 2.1 设计时应注意的几个问题 2.1.1 刚度 刚度是指臂部在外力作用下抵抗变形的能力 。它是用外力和在外力作用方向上的变形量 （位移 ）之比来度量的 。则刚度越大 ，变形量越小 。为了提高刚度 ，应该选择合理的截面形状的轮廓尺寸 。由于 腰部 通常既受弯曲力 ，也受扭转力 ，应选用抗弯力和抗扭转较大的截面形状 。封闭的空心截面与实心截面相比 ，不仅在两个垂直的方向上抗弯刚度较大 ，而且抗扭刚度 也较实心和开口截面大 。 1 若适当减少壁厚 ，加大轮廓尺寸 ，则刚度较大 ，采用封闭性空心界面的结构作为臂杆 ，不仅有利于提高结构刚度 ，而且空心内部还可以布置安装驱动器装置 ，传动机构机管线等 ，使整体结构紧凑 ，外形整齐 。 2 在腰部的两个零件的 接触处 之间 采用滚动轴承 ,可以使转动零件的位置得到固定 。装配实施加欲紧力 ,以提高接触刚度 ； 3 尽量对杆附加弯矩 ，减少臂杆的弯曲变形 ，合理布置作用力 ，设法使各作用力引起的变形相对地小 。 焊接机器人腰部结构及电控系统设计 11 2.1.2 精度 机器人的精度最终集中反映在手部的位置精度上 ，显然 ，它与臂和机身的位置精度密切相关 ，影响机身和臂部位置精度的因素出刚度外 ，还有个主要运动部件的制造和装配精度 ，手部或碗部在臂上定位和连接方式以及臂部和机身运动的装置和定位方式等 ，就导向装置而言 ，其导向精度和耐磨性能等对机器人和其他工作性能影响很大 ，在设计适应多加注意 。 2.1.3 平稳性 由于臂部的运动较多 ，质量较大 ，如果运动速度和负荷较大 ，运动状态变化时 ，将产生冲击和振动 ，这会影响机器人的精确定位和正常运转 。为了提高其工作平稳性，采取缓冲装置已吸收能量 。因而从减少能来方面来看 ：(1).臂部的运动部件力求紧凑 ，质量轻 ，以减少惯性 力。(2)由于臂部总重心与机身立柱转轴不重合 ，有偏心距 。因此在立柱和导套间作用一附加力矩 ，使立柱和导套变形对臂的转动和升降运动均产生影响 。 2.1.4 其他 1 传动系统应力求简短 ，以提高传动精度和效率 ； 2 各驱动装置 ，传动件 ，管线系统及各个运动的测控元件布置要合理紧凑 ，操作维护方便 。 2.2 减速器的选择 由于焊接机器人要求速度较低 ,由电机 3000rpm 转速要经过大减速比的减速器减速后才能达到焊接机器人速度要求 ,因此减速器选择谐波减速器 . 2.2.1 谐波减速器的选择 谐波减速器 R 系列分三种类型 ,XB1 单级卧式谐波传动减速器 ,杯形柔轮结构i=63315 XB2 大速比复波谐波传动减速器 i=20003000 XB3 扁平式偕波传动减速器 i=63200 根据焊接机器人的外形尺寸和传动比要求 ，焊接机器人的腰部选择 XB2 型谐波焊接机器人腰部结构及电控系统设计 12 减速器 ，传动比为 48。 2.3 齿轮的选择 ： 1 选用直齿圆柱齿轮 。 2 齿轮的工作速度不高 ，故选用 7 级精度 （GB/0095-88） 3 材料选择 中心齿轮材料选择 40Cr（调质 ）