五自由度电焊机器人设计说明书

毕业设计说明书分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)五自由度电焊机器人设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘要工业机器人作为现代制造技术发展的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了重要影响。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，并对总体和腰部进行结构设计。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，ABSTRACTIndustrial robot as an important symbol of the development of modern manufacturing technology and new technology industry, has been accepted by the world. And have a strong effect on the field of modern high technology industry and peoples life.With the increasing development of science and technology and industrial demand, welding technique which occupy in the industrial production of component is more and more big, and the degree of excellent welding technology directly affects the quality of parts or products. The application of welding robot has a certain scale, but with the Chinese welding production demand overall far. Therefore, to research and extension of welding robot technology be imperative.The point of this design is the use of mechanical principle and mechanical manufacturing equipment design practice and the method of welding robot. The design, is to understand the basic welding situation at home and abroad on the robot, and then master the internal structure and working principle of robot welding, and the structure design for the overall and waist. The rational layout of the hydraulic cylinder. At the same time, to understand the robot mechanical system kinematics and motion control. Provide the theoretical reference, the design reference and the data for the industrial welding robot design, provides the design theory and practice reference for industrial designers. The robot has good rigidity, high position precision, the characteristics of stable operation of the.Keywords: welding robot, hydraulic system, mechanical design,目 录摘要2ABSTRACT3目 录4第一章 概述61.1自动焊接机器人简介61.2工业机器人定义和概念71.3工业机器人的构造71.4工业机器人工作原理81.5工业机器人的基本构成12第2章 焊接机器人的总体设计212.1 总体设计的思路212.2 自由度和坐标系的选择212.3 传动方案论证232.4 焊接机器人的组成252.4.1 执行机构252.4.2 控制系统分类272.5 焊接机器人的技术参数272.6 本章小结27第3章 机身结构的设计及计算293.1机身的整体设计293.2机身回转机构的设计计算293.3 机身升降机构的计算313.3.1 手臂偏重力矩的计算313.3.2 升降不自锁条件分析计算323.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算323.4 轴承的选择分析323.5 本章小结33第4章 臂部结构的设计及计算344.1 臂部设计的基本要求344.2 手臂的典型机构以及结构的选择354.2.1 手臂的典型运动机构354.2.2 手臂运动机构的选择364.3 手臂直线运动的驱动力计算364.3.1 手臂摩擦力的分析与计算364.3.2 手臂惯性力的计算374.3.3 密封装置的摩擦阻力374.4 液压缸工作压力和结构的确定384.5 活塞杆的计算校核394.6 本章小结40第五章 控制系统设计415.1 电气系统主要元件介绍415.1.1 PLC简介及选型415.1.2 变频器简介445.1.3 人机界面465.2 电气原理图475.3 PLC程序设计475.4 人机界面程序设计52结 论55参考资料56第一章 概述1.1自动焊接机器人简介工业机器人作为现代制造技术发展的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了重要影响。从 1962 年美国推出世界上第一台 Unimate 型和 Versatra 型工业机器人以来，根据国际机器人协会截止到 1996 年底的统计，先后已有 84 万台，现有大约 68 万台工业机器人服役于世界各国的工业界。预计到 2000 年，工业机器人总数将超过 95 万台。我国工业机器人的发展起步较晚，但从 20 世纪 80 年代以来进展较快， 1985 年研制成功华字型弧焊机器人， 1987 年研制成功上海 1 号、 2 号弧焊机器人， 1987 年又研制成功华字型点焊机器人，都已初步商品化，可小批量生产。 1989 年，我国以国产机器人为主的汽车焊接生产线的投入生产，标志着我国工业机器人实用阶段的开始。焊接机器人是应用最广泛的一类工业机器人，在各国机器人应用比例中大约占总数的 40 60 。我国目前大约有 600 台以上的点焊、弧焊机器人用于实际生产。采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化新方式。刚性自动化焊接设备一般都是专用的，通常用于中、大批量焊接产品的自动化生产，因而在中、小批量产品焊接生产中，焊条电弧焊仍是主要焊接方式，焊接机器人使小批量产品的自动化焊接生产成为可能。就目前的示教再现型焊接机器人而言，焊接机器人完成一项焊接任务，只需人给它做一次示教，它即可精确地再现示教的每一步操作，如要机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若干种焊件。焊接机器人的主要优点如下：1) 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；2) 提高生产率，一天可 24h 连续生产；3) 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作：4) 降低对工人操作技术难度的要求；5) 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；6) 可实现小批量产品焊接自动化；7) 为焊接柔性生产线提供技术基础。 1.2工业机器人定义和概念 关于工业机器人的定义尚未统一，目前联合国标准化组织采用的美国机器人协会的定义如下：工业机器人是一种可重复编程和多功能的、用来搬运物料、零件、工具的机械手，或能执行不同任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统，这个定义不能概括工业机器人的今后发展，但可说明目前工业机器人的主要特点。工业机器人的发展大致可分为三代。第一代机器人，即目前广泛使用的示教再现型工业机器人，这类机器人对环境的变化没有应变或适应能力。第二代机器人，即在示教再现机器人上加感觉系统，如视觉、力觉、触觉等。它具有对环境变化的适应能力， 目前已有部分传感机器人投入实际应用。第三代机器人，即智能机器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。目前尚处实验室研究阶段。 1.3工业机器人的构造 1) 机械手 (Manipulator) 也可称为操作机。具有和人臂相似的功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。2) 驱动器 (Actuator) 将电能或流体能转换成机械能的动力装置。3) 末端操作器 (End Effector) 位于机器人腕部末端、直接执行工作要求的装置。如夹持器、焊枪、焊钳等。4) 位姿 (Pose) 工业机器人末端操作器在指定坐标系中的位置和姿态。5) 工作空间 (Working Space) 工业机器人执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。6) 机械原点 (MechanicalOrigin) 工业机器人各自由度共用的，机械坐标系中的基准点。7) 工作原点 (Work Origin) 工业机器人工作空间的基准点。8) 速度 (Velocity) 机器人在额定条件下，匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。9) 额定负载 (Rated load) 工业机器人在限定的操作条件下，其机械接口处能承受的最大负载 ( 包括末端操作器 ) ，用质量或力矩表示。10) 重复位姿精度 (PoseRepeatability) 工业机器人在同一条件下，用同一方法操作时，重复 t 次所测得的位姿一致程度。11) 轨迹重复精度 (PathRepeatability) 工业机器人机械接口中心沿同一轨迹跟随 x 次所测得的轨迹之间的一致程度。12) 点位控制 (PointToPointContr01) 控制机器人从一个位姿到另一个位姿，其路径不限。13) 连续轨迹控制 (Continuous PathContr01) 控制机器人的机械接口，按编程规定的位姿和速度，在指定的轨迹上运动。14) 存储容量 (Memory Capacity) 计算机存储装置中可存储的位置、顺序、速度等信息的容量，通常用时间或位置点数来表示。15) 外部检测功能 (External MeasuringAbility) 机器人所具备对外界物体状态和环境状况等的检测能力。16) 内部检测功能 (Internal MeasuringAbility) 机器人对本身的位置、速度等状态的检测能力。17) 自诊断功能 (SelfDiagnosisAbility) 机器人判断本身全部或部分状态是否处于正常的能力。 1.4工业机器人工作原理 现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。这就是示教与再现。实现上述功能的主要工作原理，简述如下：1.机器人的系统结构 一台通用的工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统，如图 1 所示。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。 图 1 工业机器人的基本结构控制器是机器人的神经中枢。它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。2.机器人手臂运动学 机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器 ( 如焊枪 ) ，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。机器人手臂运动学中有两个基本问题。a.对给定机械臂，己知各关节角矢量 g(f)=gl(t) ，g2(t) ，. gn(i) ，其中 n 为自由度。求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。在机器人示教过程中。机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。b.对给定机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。在机器人再现过程中，机器人控制器即逐点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。 运动学正问题的运算都采用 D-H 法，这种方法采用 4X4 齐次变换矩阵来描述两个相邻刚体杆件的空间关系，把正问题简化为寻求等价的 4X4 齐次变换矩阵。逆问题的运算可用几种方法求解，最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法 ob 在此不作具体介绍，可参考文献 1。对于高速、高精度机器人，还必须建立动力学模型， 由于目前通用的工业机器人 ( 包括焊接机器人 ) 最大的运动速度都在 3m s 内，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做简单的动力学控制，动力学的计算方法可参考文献正 1 3 。c.机器人轨迹规划 机器人机械手端部从起点 ( 包括，位置和姿态 ) 到终点的运动轨迹空间曲线叫路径，轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动。 d.机器人机械手的控制 当一台机器人机械手的动态运动方程已给定。它的控制目的就是按预定性能要求保持机械手的动态响应。但是由于机器人机械手的惯性力、耦合反应力和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要对它进行高精度乙斗高速、高动态晶质的控制是相当复杂而困难的，现在正在为此研究和发展许多新的控制方法。 目前工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。每个关节都有两个伺服环，机械手伺服控制系统见图 2 外环提供位置误差信号，内环由模拟器件和补尝器 ( 具有衰减速度的微分反馈 ) 组成，两个伺服环的增益是固定不变的。因此基本上是一种比例积分微分控制方法 (PID 法 ) 。这种控制方法，只适用于目前速度、精度要求不高和负荷不大的机器人控制，对常规焊接机器人来说，已能满足要求 1 。图 2 机械手伺服控制体系结构 e.机器人编程语言 机器人编程语言是机器人和用户的软件接口，编程语言的功能决定了机器人的适应性和给用户的方便性，至今还没有完全公认的机器人编程语言，每个机器人制造厂都有自己的语言。实际上，机器人编程与传统的计算机编程不同，机器人操作的对象是各类三维物体，运动在一个复杂的空间环境，还要监视和处理传感器信息。因此其编程语言主要有两类：面向机器人的编程语言和面向任务的编程语言。面向机器人的编程语言的主要特点是描述机器人的动作序列，每一条语句大约相当于机器人的一个动作，整个程序控制机器入完种：1) 专用的机器人语言，如 PUMA 机器人的 VAL 语言，是专用的机器人控制语言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ 。2) 在现有计算机语言的基础上加机器人子程序库。如美国机器人公司开发的 AR Basic 和 Intelledex 公司的 Robot Basic 语言，都是建立在 BASIC 语言上的。3) 开发一种新的通用语言加上机器人子程序库。如 IBM 公司开发的 AML 机器人语言。面向任务的机器人编程语言允许用户发出直接命令，以控制机器人去完成一个具体的任务，而不需要说明机器人需要采取的每一个动作的细节。如美国的 RCCL 机器人编程语言，就是用 C 语言和一组 C 函数来控制机器人运动的任务级机器人语言。焊接机器人的编程语言，目前都属于面向机器人的语言，面向任务的机器人语言尚属开发阶段。大都是针对装配作业的需要。 1.5工业机器人的基本构成 工业机器人的基本构成，可参见图 3 和图 4 。图 3 为一台电动机驱动的工业机器人，图 4 为一台液压驱动的工业机器人。焊接机器人基本上都属于这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在 10kg 以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过 35kg 。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒 4 个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：(1) 机械手 机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器 ( 如焊枪飞点焊钳 ) 实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下 3 种：1) 机床式 这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的 3 个运动 (x y z) 是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，如图 5 所示，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。 图 3 电动机驱动工业机器人 图 4 液压机驱动工业机器人 2) 全关节式 这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，图 6 为正置式全关节机械手，图 7 为偏置式全关节机械手。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。图 5 机床式机械手3) 平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用，又称为 SCARA 型机械手，如图 8 所示。机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国 PUMA 机械手为例来简述其内部机构，见图 9 。它是由机座、大臂、小臂、手腕 4 部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆， 以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰， 以连接末端操作器。每个关节都由一台伺服电动机驱动， PUMA 机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是 4 种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。其技术关键是要保证传动双向无间隙 ( 即正反传动均无间隙 ) ，这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。 图 6 正置式全关节机械手图 7 偏置式全关节机械手 图 8 平面关节机械手 图 9 PUMA 机械手机构(2) 驱动器 由于焊接机器人大多采用伺服电动机驱动，这里只介绍这类驱动器。工业机器人目前采用的电动机驱动器可分为 4 类：1) 步进电动机驱动器 它采用步进电动机，特别是细分步进电动机为驱动源，由于这类系统一般都是开环控制，因此大多用于焙席较低的经济型工业机 9S 人。2) 直流伺服电动机系统 它采用直流伺服电动机系统，由于它能实现位置、速度、加速度 3 个闭环控制。精度高、变速范围大、动态性能好。因此，是目前工业机器人的主要驱动方式。3) 交流电动机伺服系统驱动器 它采用交流伺服电动机系统，这种系统具有直流伺服系统的全部优点，而且取消了换相炭刷，不需要定期更换碳刷，大大延长了机器人的维修周期。因此，正在机器人中推广采用。4) 直接驱动电动机驱动器 这是最新发展的机器人驱动器，直接驱动电动机有大于 1 万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可直接驱动关节，取消了减速机构，简化了机构又提高了效率，是机器人驱动的发展方向，美国的 Adapt 机器人是直接驱动机器人。工业机器人的驱动器布置都采用一个关节一个驱动器。一个驱动器的基本组成为：电源、功率放大板、伺服控制板、电机、测角器、测速器和制动器。它的功能不仅能提供足够的功率驱动机械手各关节，而且要实现快速而频繁起停，精确地到位和运动。因此必须采用位置闭环、速度闭环、加速度闭环。为了保护电动机和电路，还要有电流闭环。为适应机器人的频繁起停和高的动态品质要求，一般都采用低惯量电动机，因此，机器人的驱动器是一个要求很高的驱动系统。 为了实现上述 3 个运动闭环，在机械手驱动器中都装有高精度测角、测速传感器。测速传感器一般都采用测速发电机，测角传感器一般都采用精密电位计或光电码盘，尤其是光电码盘。图 10 是它的原理图。光电码盘与电动机同轴安装，在电动机旋转时，带有细分刻槽的码盘同速旋转，固定光源射向光电管的光束则时通时断，因而输出电脉冲。实际的码盘是输出两路脉冲，由于在码盘内布置了两对光电管，它们之间有一定角度差，因此两路脉冲也有固定的相位差，电动机正反转时，其输出脉冲的相位差不同，从而可判断电动机的旋转方向。机器个以上脉冲。(3) 控制器 机器人控制器是机器人的核心部件，它实施机器人的全部信息处理和对机械手的运动控制。图 11 是控制器的工作原理图。工业机器人控制器大多采用二级计算机结构，虚线框内为第一级计算机，它的任务是规划和管理。机器人在示教状态时，接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教 ( 关节 ) 坐标值转换成直角坐标值，存入计算机内存。 图 10 光电码盘原理图图 11 控制器工作原理图机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的时间节拍 ( 又称采样周期 ) 对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。然后逐点的把各插补点的位置和姿态坐标值转换成关节坐标值，分送至各个关节。这就是第一级计算机的规划全过程。第二级计算机是执行计算机，它的任务是进行伺服电动机闭环控制。它接收了第一级计算机送来的各关节下一步预期达到的位置和姿态后，又做一次均匀细分，以求运动轨迹更为平滑。然后将各关节的下一细步期望值逐点送给驱动电动机，同时检测光电码盘信号，直到其准确到位。以上均为实时过程，上述大量运算都必须在控制过程中完成。以 PUMA 机器人控制器为例，第一级计算机的采样周期为 28ms ，即每 28ms 向第二级计算机送一次各关节的下一步位置和姿态的关节坐标，第二级计算机又将各关节值等分 30 细步，每 0.875ms 向各关节送一次关节坐标值。 (4) 示教盒 示教盒是人对机器人示教的人机交互接口，目前人对机器人示教有 3 种方式：1)手把手示教 又称全程示教，即由人握住机器人机械臂末端，带动机器人按实际任务操作一遍。在此过程中，机器人控制器的计算机逐点记下各关节的位置和姿态值，而不作坐标转换，再现时，再逐点取出，这种示教方式需要很大的计算机内存、而且由于机构的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在喷漆、喷涂机器人上。2)示教盒示教 即由人通过示教盒操纵机器人进行示教，这是最常用的机器人示教方式，目前焊接机器人都采用这种方式。3)离线编程示教 即无需人操作机器人进行现场示教，而可根据图样，在计算机上进行编程，然后输给机器人控制器。它具有不占机器人工时，便于优化和更为安全的优点，所以是今后发展的方向。图 12 为 ESAB 焊接机器人的示教盒，它通过电缆与控制箱连接，人可以手持示教盒在工件附近最直观的位置进行示教。示教盒本身是一台专用计算机，它不断扫描盒上的功能和数字键、操纵杆，并把信息和命令送给控制器。各厂家的机器人示教盒都不相同，但其追求的目标都是为方便操作者。图 12 焊接机器人的示教盒示教盒上的按键主要有 3 类：1)示教功能键 如示教再现、存入删除修改、检查、回零、直线插补、圆弧插补等，为示教编程用。2)运动功能键 如刀向动、 y 向动、 z 向动、正反向动、 1 6 关节转动等，为操纵机器人示教用。3) 参数设定键 如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等。 第2章 焊接机器人的总体设计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) 系统分析阶段根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；分析机器人所在系统的工作环境；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；拟订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。2.2 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（m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Error! Reference source not found.。(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Error! Reference source not found.。(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。a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标型 d)关节型图2-1 四种机器人坐标形式2.3 传动方案论证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。 表2-1 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/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，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1000kPa（十个大气压）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2.4 焊接机器人的组成 焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.4.1 执行机构（1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在范围内，其基本的结构形式如图2-2所示。图2-2 腕部回转基本结构示意图腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手腕的回转运动是由回转液压缸实现的。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的前后伸缩运动。臂部的运动参数：伸缩行程：1650mm；伸缩速度：250mm/s。机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。（4）机身机身部分运动的目的：把臂部送到直线运动范围内任意一点。如果改变臂部的姿态（方位），则用机身的自由度加以实现。因此，机身部分具有两个自由度才能满足基本要求，即机身的伸缩、左右旋转运动。机身的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现基座的上下伸缩、以及机身的回转运动。机身的运动参数：伸缩行程：500mm；伸缩速度：250mm/s；回转范围：。机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式机身结构的驱动可采用液压缸直接驱动。机身部分和滑轨的配置型式采用立柱式单臂配置，其回转运动的驱动源来自回转液压缸。（5）滑轨滑轨是悬臂机器人的基础部分，起悬挂作用，它将机身悬挂于导轨之上。并带动机身沿轨道直线运动。2.4.2 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。本设计采用电磁控制。2.5 焊接机器人的技术参数一、用途：用于焊接工件 二、设计技术参数:1、焊枪:；2、自由度数:5个自由度（底盘旋转和底盘移动，大臂摆动，小臂摆动，腕部移动5个运动）；3、坐标型式:直角坐标系；4、最大工作半径:2750mm；5、手臂最低中心高:450mm；6、手臂运动参数:伸缩行程：500mm伸缩速度：250mm/s升降行程：1650mm升降速度：250mm/s回转范围：；7、手腕运动参数:回转范围：。2.6 本章小结本章从焊接机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。同时，就焊接机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和基座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。第3章 机身结构的设计及计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。3.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：(1) 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。(2) 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。(3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于伸缩缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和伸缩。回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与伸缩缸的活塞杆是一体的。具体结构见图6-1。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。3.2机身回转机构的设计计算(1) 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡： Ma=0.5Fd (5.1)惯性力矩的计算： Mc=D4/32 (5.2)回转部件可以等效为一个长1200mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。(2) 回转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算： D=80mm即设计液压缸的内径为80mm，根据表4-2选择液压缸的基本外径尺寸100mm(不是最终尺寸)