六自由度焊接机器人设计

六自由度焊接机器人设计DesignofSixDegreeofFreedomWeldingRobot致谢当我回望大学四年时，不禁感慨岁月荏苒，时光如梭。流年在指尖匆匆划过，时光犹如溪水中溅起的小小水花，荡起了我内心的思绪。时光一去不复返，随着本文的内容结束，转眼间四年的大学生涯即将结束。我即将离开母校这块养育了我四年的土壤，踏上新的征程，努力追逐更高层次的理想。首先我要感谢我的毕业设计指导教师，中国矿业大学机电工程学院的李贝贝老师。没有他的谆谆教诲，没有他的耐心指导，没有他的认真负责，我的毕业设计就难以完成。每当我遇到棘手的问题，难以解决的问题，我的导师总是不厌其烦的为我讲解。每当我没有思路的时候，我的老师就会主动给我指引给我推荐。当我完成本阶段准备去完成下一阶段的时候，老师总会告诉我有哪些注意事项，给我一个大方向。李老师严谨负责的态度、渊博专业的知识、努力拼搏的精神、和蔼可亲的性格使我对李老师充满了敬佩和感恩的心情。在本科阶段能够遇到这样一个认真负责的老师，给我指明前进方向的老师，可谓是三生有幸。其次，我要感谢本科生涯教授我知识的老师们，我的老师们每一个都认真负责，一丝不苟。每当我有不懂的地方，老师们总是能够耐心的给我讲解。每当我遇到生活上的麻烦，老师也会给予力所能及的帮助。老师们不仅教会了我知识，更是教会了我如何做人，如何做一个认真负责、热心善良的人。在老师们的谆谆教诲之下，我学到了知识，学到了做事，学到了做人，涨了见识，开阔了视野。感恩所有教过我的老师们，由衷的祝福我的老师们事事顺意、节节高攀、学术成果勇登高峰。再次，我要感谢我的同学和朋友们。同学们的支持与鼓励是我完成此次毕业设计重要的一部分。遇到难以解决的问题，我们互相沟通讨论，在讨论中完成蜕变，在争辩中自我成长，在沟通中相互理解。这四年来，你们是我学习上的益友，也是生活中的伙伴，感谢你们为我的学习和生活润色。最后，我要感谢我的父母和家人。感谢父母的养育之恩，感谢家人的支持和鼓励。感恩父母含辛茹苦把我养大，不求回报，尊重我的意见，支持我的选择。逐渐苍老的容颜，是他们度过艰辛而又漫长岁月的印记。祝福我的父母平平安安、健健康康、快快乐乐。

前言人工焊接效率低下，成本较高，焊接水平参差不齐，人工容易劳累，工作时间相对机器而言较短。在这种大背景之下六自由度焊接机器人便能够很好的帮助解决这种问题。焊接机器人是机械结构与光电控制电路等相关技术的融合体。焊接机器人是工业机器人的一个种类，机器人是一个新兴行业。近些年才得到较大程度的发展，随着计算机技术的发展，机器人核心零部件的发展，传感器技术的发展等相关领域的蓬勃发展，机器人技术得以向更高端更精密的方向发展。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。焊接作为工业界的“裁缝”，是工业生产中几乎不可或缺的重要的加工手段，焊接质量的好与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。本文将完成六自由度焊接机器人的本体机械结构与控制电路的设计。

摘要六自由度焊接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。所以在设计中我们需要注意其结构的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度和轻便的特性。本设计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和相应的减速器进行了选型；在相应的工作半径的基础上，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，并用浩辰CAD绘制了装配图及部分关键零件图；且完成了基本的电路原理图的绘制。关键词：焊接机器人；结构设计；电路设计；受力分析；强度校核

AbstractThe6-DOFweldingrobotisakindofhigh-precisionautomaticmachine,whichhashighflexibilityandstability.Therefore,weneedtopayattentiontotherationalityofitsstructureinthedesign,andmakeithavethecharacteristicsofhighstrengthandlightweightinthematerialselection.Thisdesignmainlydesignsthedrivingmodeoftheweldingindustrialrobotandthetransmissionschemeofeachaxis,andselectsthemotorandthecorrespondingreducertodrivethemovement;onthebasisofthecorrespondingworkingradius,carriesonthestressanalysisandstrengthchecktothekeyparts;accordingtoitsbasicstructuralparameters,drawstheassemblydrawingandsomekeypartswithHaoChenCADAndcompletedthebasiccircuitschematicdrawing.KeyWords：weldingrobots;Structuraldesign;circuitdesign;Forceanalysis；Intensityverification

目录1绪论11.1工业机器人概述11.2课题研究背景及其意义11.3国内外研究现状及发展趋势21.4结构类型设计41.5本文主要内容42传动机构的设计与方案52.1总体方案设计与分析52.2传动方案的初步设计82.3机器人部分技术参数103结构设计103.1传动方案的确定103.2手腕传动113.3手臂133.4腰部（waist）154关键零部件校核174.1齿轮校核174.2手臂强度校核224.3手臂轴的强度校核255送丝机的选取305.1送丝机类型306示教器336.1机器人的示教337电路系统347.1电力传动的优点347.2控制电路核心元器件347.3单片机378结论45Contents1Introduction…………………...……………...……11.1Introductionofindustrialrobots…………………….…11.2Researchbackgroundandsignificance…………..…11.3Researchstatusanddevelopmenttrendathomeandabroad……………..………………21.4Structuraltypedesign……………….………41.5Maincontentofthispaper………………..………………42Designandschemeoftransmissionmechanism………………52.1Overallschemedesignandanalysis………………52.2Preliminarydesignoftransmissionscheme……………….………82.3Sometechnicalparametersofrobot………………..…………….…103Structuraldesign……………….…103.1Determinationoftransmissionscheme……..………….…………103.2Wristdrive………………..…..………..……………….….…113.3Arm………………..………………133.4waist………………..……….……154Strengthcheck…………….………174.1Gearcheck………………..…………………..………….……174.2Armstrengthcheck………………..……..………….……224.3Strengthcheckofarmaxis………………..……………..………….…255Selectionofwirefeeder………...…305.1Typeofwirefeeder……………….………..………………306Teachingapparatus……………….………………336.1Robotteaching………………..………………..…….………337Circuitsystem……………..………347.1Advantagesofelectricdrive………………..…………..……..………347.2Corecomponentsofcontrolcircuit……………………..…..………347.3singlechip………………………..……..…….…378Conclusions…………………….……………….…45绪论1Introduction1.1工业机器人概述（Introductionofindustrialrobots）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。焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。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，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，工业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。1.2课题研究背景及其意义（Researchbackgroundandsignificance）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:示教再现型机器人、具有感知能力的机器人、智能型机器人。机器人是一种集机械、电子、传感技术、控制技术等多种现代技术于一体的机电一体化产品。进入80年代，随着自动化生产流水线以及柔性生产系统(FMS)和柔性自动化(FA)在工业生产中的大量应用，机器人发挥着越来越重要的作用。机器人的特点是能在自动控制下通过编程完成目标操作或移动作业;机器人的构造和性能体现了人和机器各自的优点，特别是体现了人的智能和适应性以及机器的作业准确性和在各种环境中完成作业的能力。综观机器人发展的历史和高新技术的发展趋势，可以断言，机器人必将成为现代化工业发展中不可缺少的必备工具。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。本课题的意义可以概括如下：(1)提高和稳定焊接质量，保证其焊缝均一性。(2)改善了劳动条件，减少工人劳动强度。(3)提高劳动生产率，提高经济效益。(4)产品周期明确，容易控制产品产量。(5)缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。1.3国内外研究现状及发展趋势（Researchstatusanddevelopmenttrendathomeandabroad）1.3.1国外发展现状与趋势自从世界上第一台工业机器人UNIMATB于1959年在美国诞生以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。其中日本具有机器人王国之称，此外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联等一些国家的机器人产业也发展得很快。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列。现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为，在机械结构上以发展关节型机器人为主流，在控制系统方面主要是发展基于PC的开放结构的控制系统，在驱动技术方面主要是发展AC伺服驱动技术，此外智能化传感器技术的机器人数量呈上升趋势。焊接机器人技术正朝着高速、高精度、多功能化方向发展。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、工程机械、医疗器械、食品加工业等行业中应用非常广泛，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，其数量占机器人总量的37%左右。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、OTC、三菱、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、ADEPT、意大利的COMAU公司以及奥地利的重工GM等称为欧系。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。1.3.2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。我国的工业机器人技术经过三十多年的发展,现在已掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出了弧焊、点焊、装配等机器人;现阶段我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。其中弧焊机器人已广泛应用于各大汽车制造厂的自动焊装线上。但从总体上来看，我国的工业机器人技术及其工程上的应用水平和国外相比起来还有一定的差距。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PC的开放式控制系统俨然成为了热捧的研究方向。现阶段我国工业机器人技术主题发展战略目标是:根据21世纪初，我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高新技术发展方向，创新性地进行研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、关键技术，产品技术和系统技术。1.4结构类型设计（Structuraltypedesign）焊接机器人按照结构类型可以分为以下几种：(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。运动控制相对来说比较简单，壁障能力更强一些，但是机械结构占据空间稍大，有两个移动轴，设计难度较大。(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；本体结构占地面积大，工作空间较小，位置精度较高，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，运动范围大，但是其运动学复杂，精度以及力矩平衡问题相对比较麻烦，计算稍困难，计算量较大。如下图1-1所示：图1-1结构类型Figure1-1structuretype1.5本文主要内容（Maincontentofthispaper）（1）通过查阅工业（焊接）机器人的相关文献和论文，确定了六自由度焊接机器人的工作方式，完成工作方案的初步设计；（2）设计了腰部、大小臂、腕部以及肘部的传动方案，并总结出其总体设计方案；（3）设计各轴的结构样式，计算选择其驱动电机以及减速器的类型；（4）对关键的零部件进行校核；（5）电路元器件的选取及应用。2传动机构的设计与方案2Designandschemeoftransmissionmechanism2.1总体方案设计与分析（Overallschemedesignandanalysis）2.1.1机构选型：由本文前文可知，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，其中关节型机器人使用范围广，用途多样，其优点如下：（1）工作空间范围较大，占地面积小。（2）灵活性高，可以做到其他种类机器人难以做到的动作，用途更广泛。（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B关节和R关节组成，可实现翻转、俯仰和旋转功能。B关节和R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BBR、BRR、RBR、RRR。1BBR型手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。2RRR手腕构型的工作空间较大，但其结构较复杂，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。3RBR构型的手腕不仅很容易实现远距离的传动和控制，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RBR完全展开时更适合微调操作。手腕关节如下图所示。图2-1手腕关节Figure2-1wristjoint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。2.1.1驱动方式选择气压驱动、液压驱动和电动驱动是机器人驱动系统最为常用的三种分法。电动驱动基本没有污染，噪声较低，方便控制，成本比较低，运转效率较高等优点，所以电机的驱动方式应用最为广泛。电动驱动可分为步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、无刷伺服电动机驱动等。由于交流伺服电机动作灵敏，快速响应性好，控制准确，而且体积小，惯性小，驱动力矩高，价格也较便宜，所以在焊接机器人系统中被广泛应用。驱动方式比较如下图所示：图3-1驱动方式Figure3-1drivingmode由此，本文选取交流伺服电机作为驱动方式。2.2传动方案的初步设计（Preliminarydesignoftransmissionscheme）2.2.1大臂传动机构图4-1大臂传动机构Figure4-1transmissionmechanismofboom如图所示，直接依靠电动机与减速器相连接然后带动大臂转动。2.2.2肘部传动机构图5-1肘部传动机构Figure5-1elbowdrivemechanism如图所示，肘部关节依然用的是电机与减速器直接连接，用减速器带动肘部关节做俯仰旋转运动。2.2.3腕关节的传动结构设计图6-1腕关节传动机构Figure6-1wristjointtransmissionmechanism如图所示，在腕关节处，我们采用的是三自由度手腕，人们也称呼它为万向型手腕，它一端与小臂相连接，随着小臂的转动而转动，中间锥齿轮带动手腕做俯仰运动，轴一通过锥齿轮带动手部转动。为实现腕部三自由度的前提下，又要减轻腕部质量，所以我们尽量将电动机与减速器远离腕部关节布置，由此我们选择将电机与减速器放置在小臂靠近肘部关节处。2.2.4腰身传动机构图7-1腰部传动方式Figure7-1lumbartransmissionmode为减小机构复杂程度，腰部回转运动采取电机与减速器相连接，减速器与腰部连接方便控制，结构简单，误差较小。2.3机器人部分技术参数（Sometechnicalparametersofrobot）传动方案确定后，我们需要确定焊接机器人的运动和动力学相关参数。查阅相关文献资料后，最终确定机器人的相关运动参数如下表格所示：表1-1机器人部分技术参数Table1-1technicalparametersofrobot机器人转轴转动范围最大速度J1（腰关节）360°20r/minJ2（肩关节）180°20r/minJ3（肘关节）270°20r/minJ4（小臂回转）360°50r/minJ5（手腕俯仰）360°50r/minJ6（手腕回转）360°50r/min该机器人工作半径为两米，需要有灵活的动作，以适应不同工况和不同位置的焊接需求。本设计中该焊接机器人的本体机械结构由底座、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。3结构设计3Structuraldesign3.1传动方案的确定（Determinationoftransmissionscheme）根据前文分析可知，焊接机器人的前三个轴的传动机构比较简单，均用的是伺服交流电机和RV减速器直接带动关节转动。而四五六三个轴为手腕部分，均采用远距离传动，电机和减速器都装在小臂靠近肘部关节处，通过同轴套筒接到手腕处，从而达到减轻手腕质量的目的。3.2手腕传动（Wristdrive）手腕是机器人小臂与末端执行器之间的联接部件，其功能是利用自身的活动使末端执行器能够达到确定的工作空间姿态，因此手腕可以称为机器人的姿态机构，是机器人中极为重要也是结构最为复杂的部件。手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成任务的种类和复杂程度，对机器人手腕结构的研究有着重要意义。3.2.2腕部电机的选择腕部具有三个自由度，所以每个自由度都需要一个电机。电机6带动手爪转动，电机5带动手腕左右摆动，而电机4则带动整个手腕绕小臂中心轴线做回转运动。由常见的设计方案可知，腕部前端焊头的质量为5kg。腕部绕质心转动惯量J6=12m6r62=0.5x5x0.12=0.025kgm已知J6关节最大转速n=50r/min角速度ω=2Πn60=2取启动时间t为0.1s，则角加速度β6=ωt=5.230.1=52.3所以关节6启动惯性力矩T6=J6β6=0.025X52.3=1.31Nm总传动比i=n电机/50=60，电机启动力矩为T电机=T6/i=1.31/60=0.022Nm由于关节6在水平面内作回转运动，所以不需要计入静力距且由于摩擦力矩相对于惯性力矩较小，故忽略不计所以关节J6的驱动力矩为T6m=1.31Nm故J6关节选取MSMD012P1B系列电机，该电机转速为3000r/min，功率P为100W，额定转矩为0.32Nm。腕部J5，关节绕质心转动惯量J5=12m5r52=0.5x6x0.22=0.12kgm腕部总转动惯量J5=J5,+J6=0.12+0.025=0.145kgm2已知J5关节最大转速n=50r/min角速度ω=2Πn60=2取启动时间t为0.1s，则角加速度β6=ωt=5.230.1=52.3所以关节5启动惯性力矩T5=J5β5=0.145x52.3=7.58Nm总传动比i=n电机/50=60，电机启动力矩为T电机=T5/i=1.31/60=0.126Nm由于关节5在水平面内作回转运动，所以不需要计入静力距且由于摩擦力矩相对于惯性力矩较小，故忽略不计所以关节J5的驱动力矩为T5m=7.58Nm故J5关节选取MSMD012P1B系列电机，该电机转速为3000r/min，功率P为100W，额定转矩为0.32Nm。腕部J4关节绕质心转动惯量J4=12m4r42+J5=0.5xρ4V4r420.5x2.7x103xΠx0.052x0.8x0.152+0.145=0.336kgm2已知J4关节最大转速n=50r/min角速度ω=2Πn60=2取启动时间t为0.1s，则角加速度β6=ωt=5.230.1=52.3所以关节5启动惯性力矩T4=J4β4=0.336x52.3=17.57Nm总传动比i=n电机/50=40，电机启动力矩为T电机=T4/i=1.31/40=0.293Nm由于关节5在水平面内作回转运动，所以不需要计入静力距且由于摩擦力矩相对于惯性力矩较小，故忽略不计所以关节J4的驱动力矩为T4m=17.57Nm故J4关节选取MSMD012P1B系列电机，该电机转速为3000r/min，功率P为100W，额定转矩为0.32Nm。3.2.3腕部减速器的选择减速器是焊接机器人的重要部件，属于精密部件。中国产的机器人减速器在可靠性方面与外国产的有一定差距，但是胜在价格较便宜。此次，由于腕部的工作扭矩较小，考虑成本因素，不需要选择可以承载大扭矩的RV减速器。故此次我们选择谐波减速器。由上述计算可知，腕部关节需要的最大驱动力矩为17.57Nm。考虑批量采购更加便宜，所以我们选择了三个减速器均相同。初步选取的减速器型号为LCSG-14-50-C-2。该减速器容许的输入转速为3500r/min，容许最高输入转速为8000r/min，大于3000r/min，启停时容许最大转矩为23Nm，大于17.57Nm。均满足条件，故此减速器选取合理。3.3手臂（Arm）3.3.1手臂作用概述手臂是焊接机器人的重要部件。手臂分为大臂和小臂，我们此次设计将三个电机和三个减速器均放置在小臂靠近肘部的位置。手臂的大臂和小臂既需要克服自身重力矩，同时也需要克服启动惯性力矩。所以，手臂的大臂和小臂需要一定的强度，且对应位置的电机功率会更高，需要扭矩更大，减速器需要承受更大的扭矩。3.3.2电机选择由前述可知，腕部和小手臂处的重量都需要肘部电机来克服阻力做功，所以功率相对需要会更大。为了减轻重量，我们主体结构均用7系铝合金，且强度比较大。为了工作留由一定的余量，选取稍大功率的电机，有利于延长工作寿命。所以我们计算时，质量选取较大来计算。选择工作时最不利的情况来计算，选取受力最大的情况来计算。小手臂的质量m3’=Πx0.052x1x2.7x103=21.2kg前三个关节的电机总质量为md=0.68x3=2.04kg前三个关节减速器的总质量为mj=0.52x3=1.56kg小手臂的最大质量m3=m3’+2.04+1.56+5=29.8kg所以小手臂绕肘部的转动惯量为J3=13m3r32=29.8x0.82/3=6.36kgm已知J3关节最大转速n=20r/min角速度ω=2Πn60=2取启动时间t为0.1s，则角加速度β6=ωt=5.230.1=21所以关节3启动惯性力矩T3=J3β3=6.36x21=133.56Nm关节3的静力矩T3’=mgL=（29.8-3.6）x9.8x0.4-3.6x9.8x0.1=18.12Nm由于摩擦力矩相对于惯性力矩较小，故忽略不计所以关节3驱动力矩为T3m=1.3x（T3+T3’+T3’’）=1.3x(133.56+18.12)=197.18Nm需要电机功率至少为P电=TW=197.18x2.1=414W总传动比i=n电机/20=100，电机启动力矩为T电机=T3/i=197.18/100=1.972Nm根据上述计算，我们选择肘部电机的型号为MDME064G1C，额定转速为2000r/min，电机功率为P=600W，重量为2.86kg。满足条件。由于此关节处需要转矩较大，考虑工作条件，我们选取减速RV减速器。减速器型号为RV-20E-105，减速器质量为4.7kg，启停时容许最大转矩为412Nm，瞬时最大允许833Nm均大于上述197.18Nm。故选取合理。接下来，我们需要选取大手臂末端，肩关节处的电机和减速器。为了给机器能得到充分的力矩保证，我们选取受力的最大情况来计算。肩关节之前的质量m2=m3+m电3+m减3+m大臂=29.8+2.86+4.7+6=43.36kg肩关节处J2的转动惯量J2=13m2r22已知J2关节最大转速n=20r/min角速度ω=2Πn60=2取启动时间t为0.1s，则角加速度β6=ωt=5.230.1=21所以关节2启动惯性力矩T2=J2β2=14.53x21=305.13Nm关节2的静力矩T2’=mgL=43.36x9.8x0.5=212.46Nm由于摩擦力矩相对于惯性力矩较小，故忽略不计所以关节3驱动力矩为T2m=1.3x（T2+T2’+T2’’）=1.3x(305.13+212.46)=672.87Nm需要电机功率至少为P电=TW=672.87x2.1=1413.02W总传动比i=n电机/20=100，电机启动力矩为T电机=T3/i=672.87/100=6.73Nm根据上述计算，初步选取MINASA5系列MDME152SCH额定输出1500W，额定转速2000r/min，重量8.2kg，额定转矩7.16Nm，最大转矩21.5Nm。满足条件。由于此关节处需要转矩较大，考虑到工作的条件且需要较长寿命，我们选取减速RV减速器。减速器型号为RV-40E，输出转速为20r/min时额定转矩为377Nm，瞬时最大允许力矩1666Nm大于838.59Nm，允许最高输出转速70r/min，故该减速器选取较为合理。3.4腰部（waist）3.4.1底座与腰部的设计焊接机器人的底座设计需要考虑多方面的因素，底座为整个机器人的支撑部分，需要可以承担自己本体结构的质量，同时也要能够承受一定的惯性力和惯性力矩。机器在运行过程中可能会产生振动，冲击。底座需要能够承受的住一定的振动冲击，需要有一定的强度，且抗震性能好。所以底座我们选取的材料为铸件。选取的材料为ZG300-500，考虑到底座是铸件，铸造过程可能会出现缩孔等缺陷，所以我们将底座设计为中空。这样做既节省材料，又可以降低生产成本。焊接机器人的腰部是承受机器人质量的主要部分，设计时需要考虑抗扭强度。腰部材料我们依旧选取ZG300-500。并且，设计为薄壁中空结构以减轻其质量，减小其惯性力和惯性力矩。3.4.2腰部的电机和减速器选择本文设计的腰部为水平面内回转，所以主要需要计算克服启动惯性力矩所消耗的功率，由此作为选取腰部电机的重要依据。因为腰部处承受的竖直方向的力矩不需要腰部电机来带动，主要为腰部机械结构支持。所以静力距可以忽略不计。对于腰关节，我们选取受力最大的情况来计算。腰关节及之前的质量为m1=m2+md+mb=43.36+8.2+5=56.56kg工作半径为两米，但是质心靠近腰部，所以绕腰部回转等效半径r1为1.5m。所以腰关节J1转动惯量J1=13m1r12=56.56x1.32/3=31.86kgm已知J3关节最大转速n=20r/min角速度ω=2Πn60=2取启动时间t为0.1s，则角加速度β6=ωt=5.230.1=21所以关节1启动惯性力矩T1=J1β1=31.86x21=669.1Nm由于关节1在水平面内作旋转运动，所以不需要计入静力距且由于摩擦力矩相对惯性力矩过小，故忽略不计所以关节J1启动惯性力矩为T1m=669.1Nm所以关节J1处电机需要的功率Pd=TW=669.1x2.1=1405.11w所以，我们初步选取MINAS系列MDME152SCH额定输出1500W,额定转速2000r/min，额定转矩7.16Nm最大转矩21.5Nm。传动比i=额定转速/J1转速=2000/20=100.所以电机启动扭矩为890.82/100=8.19Nm<21.5Nm故电机选取合理。有前述计算可知，我们减速器选取的型号为RV-40E,输出转速为20r/min时，额定转矩为377Nm，瞬时最大允许力矩1666Nm>669.1Nm,故减速器选取合理。至此，电机的选型和减速器的选型工作已经完成。下面我们来总结一下电机和减速器的相关参数。如下表所示，为六个关节处的电动机型号和相关参数。表2-1电机相关参数Table2-1relevantparametersofmotor关节型号功率KW额定扭矩最大扭矩额定转速最高转速J1MDME152SCH1.57.1621.520003000J2MDME152SCH1.57.1621.520003000J3MDME0641GIC0.62.898.5920003000J4MSMD4012P1B0.10.328.630008000J5MSMD4012P1B0.10.328.630008000J6MSMD4012P1B0.10.328.630008000下表所示为六个关节的减速器型号和相关参数。表3-1减速器相关参数Table3-1relevantparametersofreducer关节型号额定转矩最大转矩J1RV-40E3771666J2RV-40E3771666J3RV-20E153412J4LCSG-14-50-C8.623J5LCSG-14-50-C8.623J6LCSG-14-50-C8.6234关键零部件校核4Strengthcheck4.1齿轮校核（Gearcheck）零部件校核是机械设计中必不可少的部分，这对于机器能否满足工作条件，是否可以达到预期寿命，产品质量是否有保证，都起到了关键性的保障作用。当然，并不是所有的零部件都需要校核，我们可以从中选取必要的，重要的关键零部件进行校核。一般的关键零部件有轴、齿轮、轴承、键等。这部分，我们选取齿轮进行校核，由于篇幅和时间问题，且选用齿轮较多，我们给了较大的余量。同时，本设计的齿轮主要在末端三个关节处，这三个关节所受力矩较小。其中末端处的受力最小，靠近肘关节处带动小臂回转受力较大。我们选用的齿轮依靠最大受力计算得出，且末端两个齿轮的模数m和直径与靠近肘关节处的齿轮模数m和直径相差很小，所以只要确定带动J4关节齿轮合格。那么靠近末端的两个关节齿轮必然合格。所以这里我们选取带动J4关节旋转的齿轮进行校核。4.1.1计算小齿轮上的扭矩T1，初估d1,初估Ft1计算T1，d1，Ft1所以，该计算最终数值为=17570N.mmd1=33.19mmFt1=1033.53N4.1.2齿面接触疲劳强度设计计算经过查表，可以知道使用系数取初步估计速度为所以，该计算最终数值为计算所以，该计算最终数值为查图表可以知道动载系数根据小齿轮的布置是为非对称布置，且大齿轮布置也是非对称布置，故取齿宽系数则齿宽计算所以，该计算最终数值为可以查表取得齿间载荷分配系数齿向载荷系数载荷影响系数所以，该计算最终数值为40cr材料弹性系数ZE=189.8(N/mm）0.5节点接触几何影响系数所以，该计算最终数值为40cr接触疲劳极限σHlim=700N/mm245接触疲劳极限σHlim=610N/mm2小齿轮应力循环次数N1所以，该计算最终数值为N1=241920000大齿轮应力循环次数N2N2=60n2XjXth=241920000所以，该计算最终数值为N2=241920000小齿轮接触疲劳强度寿命系数ZN1ZN1=（5X107/N1）0.0306=0.088所以，该计算最终数值为ZN1=0.088大齿轮接触疲劳强度寿命系数ZN2ZN2=（5X107/N2）0.0306=0.088所以，该计算最终数值为ZN2=0.088小齿轮齿面工作硬化系数ZW1ZW1=-0.0006x+1.278=1.119所以，该计算最终数值为ZW1=1.119大齿轮齿面工作硬化系数ZW2ZW2=-0.0006x+1.278=1.131所以，该计算最终数值为ZW2=1.131该齿轮传动为高可靠度。取接触疲劳强度最小安全系数为SHmin=1.25小齿轮许用接触应力[σH1]所以，该计算最终数值为小齿轮许用接触应力[σH2]所以，该计算最终数值为那么，按照标准直齿圆柱齿轮设计的接触疲劳强度对应的分度圆直径d为所以，该计算最终数值为取模数m=2齿宽b=20mm4.1.3齿根弯曲疲劳强度校核计算小齿轮Z1=17的齿形系数YFa1=2.8小齿轮Z1=17的应力集中系数YSa1=1.55大齿轮Z2=46的齿形系数YFa2=2.56大齿轮Z2=46的应力集中系数YSa1=1.56N1=2419200000，可以知道小齿轮的弯曲疲劳强度计算寿命系数YN1所以，该计算最终数值为N2=2419200000，可以知道小齿轮的弯曲疲劳强度计算寿命系数YN2所以，该计算最终数值为小齿轮的弯曲疲劳极限σFlim1=590N/mm2大齿轮的弯曲疲劳极限σFlim2=450N/mm2模数m=2.25，尺寸效应系数Yx=1该机械为高可靠度，弯曲疲劳强度最小安全系数SFMIN=1.6小齿轮许用弯曲应力[σF1]所以，该计算最终数值为大齿轮许用弯曲应力[σF2]所以，该计算最终数值为计算YFa1Ysa1/[σF1]所以，该计算最终数值为0.013计算YFa2Ysa2/[σF2]所以，该计算最终数值为0.016校核大齿轮弯曲疲劳强度σF2所以，该计算最终数值为由计算可以知道，σF2<[σF2]，所以齿轮强度校核合格。由本文前述可知，该齿轮校核合格，那么带动J5,J6关节旋转用到的齿轮也必然合格。所以，本篇章只进行了J4关节处的齿轮设计与校核。以下为带动J4,J5,J6关节齿轮的关键参数。图8-1J4关节齿轮关键参数Figure8-1keyparametersofJ4jointgear图9-1J5关节齿轮关键参数Figure9-1keyparametersofJ5jointgear图10-1J6关节齿轮关键参数Figure10-1keyparametersofJ6jointgear因为J1，J2，J3三个关节处我们是采用减速器直接连接轴，带动轴进行转动。没有用到齿轮进行传动，所以这三个关节处我们不需要校核齿轮，而是应该校核其它关键零部件。4.2手臂强度校核（Armstrengthcheck）4.2.1大臂的强度校核由于大小壁连杆承受力矩较高，所以大小臂的的强度校核必不可少。而大臂承受力矩最大的地方为大臂根部，所以如果我们计算受力最大的地方满足要求，即大臂根部满足要求，那么整个大臂都肯定是满足要求，强度肯定是足够的。为了方便计算，我们进行简化图形。把大臂根部简化成一个空心且封闭的一个截面。这个截面既承受了大臂末端及机器人末端运动及静止时的弯矩，也承受了大臂之后的机器所带来的剪力。所以这是一个弯剪组合应力。截面尺寸B=110，b=90，H=150,h=120。我们设计的大臂根部截面简图如下图所示。图11-1大臂根部截面简图Figure11-1crosssectionofboomroot抗弯截面系数W：=239700mm3大臂需要承受较大弯矩所以需要的材料强度较高，但考虑到自重问题，为了减小机身重量，减轻自重带来的弯矩，我们最终选取了7系铝合金作为我们大臂的材料。该美铝合金为型号为7075，抗拉强度较高为524Mpa，屈服强度也很高为455Mpa，密度为2820kg/m3，那么就需要拉伸应力为屈服强度/2=277.5Mpa由=0，=0可以得出如下公式。=433.6N=1378.67Nm根据σ=M/WZ，得出：==5.75Mpa<[σ]再根据t=F/A得出如下结果Mpa<<[t]根据计算，我们不难看出大臂强度是符合要求的。4.2.2小臂的强度校核小臂部分也承受着较大的力矩，所以小臂的校核也是必要的。小臂以及末端的东西质量还是较大的，所以小臂也承受着静力距和惯性力矩。而小臂的危险截面为小臂靠近肘关节处的连接部分。这个地方是小臂最危险的地方，所以，我们选择这个地方的截面进行强度校核。如果这个截面的强度校核满足要求，那么整个小臂都将满足要求。为了简化计算，精简分析，所以，我们把这个危险截面简化为空心圆柱的形状。这个截面既承受了弯矩也承受了剪切应力，所以这个截面是组合应力。故，我们将小臂的截面尺寸设计为如下图的样子。图12-1小臂截面尺寸Figure12-1crosssectionsizeofjib抗弯截面系数=6135.9mm3我们为了小臂的轻量化，减小静力距和惯性力矩。将能够较大提升机器疲劳寿命。所以，我们选取小臂的材料为7075铝合金，该材料抗拉强度较高为[σb]=524Mpa，屈服强度也很高为[σs]=455Mpa，密度为2820kg/m3，那么就需要拉伸应力为屈服强度[σ]=[σs]/2=277.5Mpa，需用剪切应力[t]=0.7[σ]=194.25Mpa。由=0，=0可以得出如下公式。=298N=197.18Nm根据σ=M/WZ，得出：==32.14Mpa<[σ]再根据t=F/A得出如下结果Mpa<<[t]根据计算，我们不难看出大臂强度是符合要求的。4.3手臂轴的强度校核（Strengthcheckofarmaxis）4.3.1小臂轴的扭转角校核小臂轴是焊接机器人重要的零件之一，轴的强度较为重要。而且由于焊接机器人工作位置误差需要较小，精密度较高，才能保证焊接质量。所以我们对小臂轴的扭转角进行了校核。如果扭转角过大，则不能保证小臂旋转精度，所以需要进行校核。下面我们进行计算扭转角φ=0.0125所以，扭转角φ=0.0125。由于该焊接机器人精度要求较高，所以，我们进行扭转角限制。查表，如下图所示。图13-1扭转变形Figure13-1torsionaldeformation经过扭转角的对比，精密传动轴的要求在0.25-0.5。我们计算出来的数值为0.0125，完全满足要求。扭转角符合要求，精度很高。4.3.2小臂轴的强度校核除了精度要求较高以外，我们还需要轴的强度同样满足要求。所以，接下来我们会进行对轴的强度校核。图14-1小臂空心轴Figure14-1hollowshaftofjib小臂轴为空心轴，如图所示。4.3.3计算轴的输入扭矩T计算轴的输入扭矩T得出的结果是4.3.4计算齿轮上水平面的圆周力FH垂直面的径向力FV计算齿轮上水平面的圆周力FH和垂直方向的的径向力FV得出的结果是4.3.5计算垂直面的轴承反力为计算轴承垂直面的支持反力，我们进行绘制了简图。如下图所示为垂直面内轴的受力简图。图15-1垂直面受力简图Figure15-1stressdiagramofverticalplane139.02x110+Fv1x70=100x500所以，计算出的结果为Fv1=495.03N139.02x40+Fv2x70=100x500所以，计算出的结果为Fv2=634.85N4.3.6计算水平面的轴承反力为计算轴承垂直面的支持反力，我们进行绘制了简图。如下图所示为水平面内轴的受力简图。图16-1水平面受力简图Figure16-1stressdiagramofhorizontalplane381.96x110+FH1x70=100x500所以，计算出的结果是FH1=114.06N381.96x40+FH2x70=100x500所以，计算出的结果是FH2=496.0.2N4.3.7计算水平面的弯矩首先计算各点处的弯矩。M1=381.96x110=15278.4NmmM2=114.06x70=7984.2NmmM3=0NmmM4=100x500=50000Nmm所以，水平面内的弯矩图如下图所示图17-1水平面内的弯矩图Figure17-1bendingmomentinhorizontalplane4.3.8计算垂直面的弯矩首先计算各点处的弯矩。M1=139.02x110=15292.2NmmM2=495.03x70=34652.1NmmM3=0NmmM4=100x500=50000Nmm所以，垂直面内的弯矩图如下图所示。图18-1垂直面内的弯矩图Figure18-1bendingmomentinverticalplane4.3.9扭矩图这个轴的扭矩图如下图所示。图19-1扭矩图Figure18-1torquediagram由本节上述可知T=17570Nmm4.3.10合成弯矩弯矩图和扭矩图已经绘制完毕，下面就可以计算合成弯矩了。我们选取最危险的地方进行合成弯矩计算校核。若最危险的地方合格，那么整个轴必然也是合格的。合成弯矩M70710.68Nmm所以，合成弯矩为70710.68Nmm4.3.11强度校核按照第三强度理论进行校核。<[σ]所以该轴是满足强度要求的。校核合格。5送丝机的选取5Selectionofwirefeeder5.1送丝机类型（Typeofwirefeeder）1．送丝机按安装方式分为整体式和独立式。送丝机安装在机器人上臂后部，与机器人集成；送丝机与机器人分开安装，为独立式。由于一体式送丝机与焊枪的距离小于分体式送丝机，且连接送丝机与焊枪的软管也较短，所以本体式送丝电阻小于分体式送丝电阻。从提高送丝稳定性的角度来看，整体式优于分离式。在一体化送丝机中，送丝软管虽然较短，但有时为了方便换线盘，将送丝盘或线筒放在远离机器人的安全围栏外，这就要求送丝机具有足够的张力，从较长的导丝管的绕线盘（筒）中拉出导线，然后通过软管将其推到焊枪上。在这种情况下，送丝管相对较长且与送丝器分离，选择送丝力较大的送丝器。忽略这一点，送丝不稳定甚至断续现象时有发生。目前，越来越多的弧焊机器人送丝机构采用一体化安装方式，但机器人在焊接过程中要自动改变焊枪（改变焊丝直径或类型），就必须选择单独的送丝机构。2．送丝机按滚筒数量可分为一对滚筒和两对滚筒。送丝机的结构有一对送丝辊和两对送丝辊，只有一台电机驱动一对或两对送丝辊，两台电机分别驱动两对送丝辊。从送丝力的角度看，两对辊的送丝力大于一对辊的送丝力。使用药芯焊丝时，由于药芯焊丝较软，轧辊的压紧力不能像使用实心焊丝时那么大。为了保证足够的送丝力，采用两对滚筒送丝可以取得较好的效果。3．根据控制方式，送丝机可分为开环和闭环。送丝机的速度控制方法可分为开环和闭环两种。目前，大多数送丝机仍采用开环控制方式，有的采用伺服电机配光电传感器（或编码器）实现送丝速度的闭环控制，不受电网电压或送丝电阻波动的影响，保证送丝速度的稳定。对于充丝脉冲TIG焊，可选用连续送丝机或与焊接脉冲电流同步的脉冲送丝机。脉冲送丝机的脉冲频率可由电源控制，每一步送丝长度可任意调节。脉冲送丝机还可以连续送丝，因此近年来脉冲TIG焊接机器人配备脉冲送丝机的情况逐渐增多。四。根据送丝电源的方向，送丝机可分为推丝式、拉丝式和推丝式三种。•推丝式。主要用于直径0.8-2.0毫米的焊丝。它是最广泛使用的送丝方法。该焊枪结构简单，操作方便，但焊丝需通过长送丝软管进入焊枪。焊管内焊丝电阻大，影响送丝稳定性。一般情况下，软管长度为3-5M。•拉丝式。主要用于细焊丝（焊丝直径小于或等于0.8mm），由于细焊丝刚性小，在推丝过程中易变形，推丝困难。拉丝时，送丝电机和焊丝卷盘安装在焊枪上。由于送丝力小，拉丝电机功率小。然而，拉丝焊枪仍然很重。由此可见，拉丝方式保证了送丝的稳定性，但由于焊枪较重，增加了机器人的负载，限制了焊枪的工作范围。•推拉式。可增加焊枪的工作范围，送丝胶管可延长至10米，焊枪除有推丝机外，还增加了拉丝机。推丝是主要动力，而拉丝机只对焊丝进行矫直，以降低推丝阻力。推力和张力必须很好地匹配。一般来说，拉拔速度应略快于推拉速度。这种方法虽然具有一定的优点，但由于结构复杂、调整困难、焊枪重等原因，应用并不广泛。焊丝供给装置是专门用来向焊枪供给焊丝的装置。在机器人焊接中，主要采用推丝单辊送丝方式。即在绕线架的一侧设置焊丝滚轮，然后通过导管将焊丝输送到焊枪上。在铝合金MIG焊中，由于焊丝较软，在焊接开始或焊接过程中，焊丝会在轧辊处发生扭曲。为了克服这一困难，我们采取了各种措施。下面就是一些送丝机的图片。图20-1送丝机1Figure20-1wirefeeder1送丝机是焊接机器人重要的组成部分，送丝机质量的好坏与稳定，它会影响焊接质量。焊接机器人上的送丝机有几种不同的类型，应该根据焊接机器人的结构和使用场地环境等情况来选取。图21-1送丝机2Figure21-1wirefeeder2图22-1送丝机3Figure22-1wirefeeder3送丝机按照速度控制分成了开环和闭环这两种。目前，大多数送丝机采用的开环控制方式，有的采用伺服电机配光电传感器实现送丝速度的闭环控制，不受电网电压或送丝电阻波动的影响。闭环控制能够保证送丝速度的稳定性。所以，为了稳定性我们选取了闭环控制速度的送丝机。6示教器6Teachingapparatus6.1机器人的示教（Robotteaching）为了能够让机器人按照我们的想法顺利完成焊接任务，需要使得机器人按照我们划定的轨道和相应的速度来运行。为了顺利完成任务，在工作之前，工作人员把工作的运行轨迹，运行速度，运行顺序等方面预先教给机器人。这种预先教给机器人操作的方式，我们称之为示教。示教完成之后，需要把内容保存下来，我们称呼为记忆。有了记忆，机器人便能够开始按照记忆来工作了，机器人安装预先示教的内容进行工作，我们称之为再现。示教结束之后，就会自动按照我们示教的轨迹生成一段程序。当焊接机器人末端焊接点到达工作位置时，我们只需要开启工作启动按钮。焊接机器人就会按照示教时的内容，不用工作人员干预且能够精准的进行工作完成焊接任务。如果机器人完成了当前任务，又有了新的任务。且新任务与旧任务的内容不一致，那么工作人员不需要改动机器人的任何结构，只需要把新任务再拿过去示教一遍就可以了。图23-1示教器1Figure23-1teachingdevice1图24-1示教器2Figure23-1teachingdevice27电路系统Circuitsystem7.1电力传动的优点（Advantagesofelectricdrive）电路系统是焊接机器人运行的基础，机械无电，则无力。电路控制系统是机械传动系统中很常用的一种方式，电路控制方式较快捷简便，成本较低，控制范围较广，小功率到大功率都可以很容易的应付。控制距离较远，线路可以很长也可以很短，电路通讯距离可以很长。已经成了现在工业主要动力源泉。7.2控制电路核心元器件（Corecomponentsofcontrolcircuit）电路控制系统的核心元器件犹如人的大脑，控制着整个机器人的正常运转。而这个核心元器件主要有单片机和可编程控制器PLC这两种。作为一种成熟的产品，“PLC”具有可靠性高、使用方便、维护方便等优点，得到了广泛的应用；一个成熟的应用案例（如电梯）也应该说是一个很大的优势。但有人会说：“在目前的工业形势下，单片机几乎被淘汰了。客观地说，单片机只适用于玩具等小东西。其稳定性、防护水平、抗干扰能力。。。根本无法与可编程逻辑控制器相比。我不同意这些观点。事实上，在现实生活中，我们被一片单片机的海洋所包围；有些人不知不觉地被淹没在这片海洋中。手机、手表、电视、电话、照相机、冰箱、洗衣机、汽车、红绿灯几乎到处都有单片机的痕迹；医疗设备、仪器制造、工业控制产品也离不开单片机，这就是“少有的淘汰的前景！”“简易单片机”只是实验室的教具，不是参考对象。单片机及其衍生的嵌入式系统是与PLC相比的对象，必要时，单片机可以根据PLC的各项措施来提高可靠性。（但我无意改变电梯行业成功应用“PLC”的事实）民用市场的大规模需求导致了单片机的高性价比。单片机及其衍生的嵌入式系统将长期存在，并与PLC竞争。由于单片机体积较小，硬件成本较低，因此在大型产品（如汽车、家电等）中，在尺寸敏感产品（如仪器仪表）中，PLC必须避免使用单片机。我们希望您在关注“可编程控制器”的同时，也关注单片机及其衍生的嵌入式系统。从发展历史看，PLC来自继电器，MCU来自工业仪表。在一些特定的行业中，有很多固定的硬件架构，这也限制了后来设计者的想法。一般来说，环境要求它们都能很好地实现各自的功能。至于公司为什么会选择PLC或SCM，可能只是因为公司的习惯和行业传统的影响。至于价格，在生产少量设备时很难看出价格优势。而且，由于电气控制在总成本中所占的比重比较小，所以我们对其不太重视。只要有成功的案例证明PLC和SCM是可以完成的，这是没有问题的，但是如果PLC/SCM不在这个行业中使用，就意味着这个系统在这个行业中可能暴露出一些缺点，如速度、安全性等。单片机程序设计与PLC程序设计有很大的区别。单片机的所有程序均由用户自行设计。PLC程序包括系统程序（西门子称为操作系统）和用户程序。操作系统用于组织与特定控制任务无关的所有CPU功能。操作系统的任务包括处理启动过程、刷新输入输出过程图像、调用用户程序、检测中断事件和调用中断组织块、检测和处理错误、管理内存和处理通信任务。操作系统完成了PLC的扫描方式、定时器功能和中断处理等功能。绘制流程图时应该考虑这个问题。用顺序功能图描述了PLC开关控制系统的程序。原则上也可以用流程图来描述PLC的用户程序，但要区分哪些功能是由操作系统完成的，哪些功能是由用户程序实现的。例如，有人问是否有必要用跳转指令等待信号的上升沿，这是单片机编程的一种思路。PLC的扫描方式读取每个扫描周期开始时的所有开关量输入，并根据两个扫描周期前后同一输入点状态的变化判断是否有上升沿。因此，无需使用向后跳转命令等待输入信号。如果用这种方法来查询信号的状态变化，PLC就不能做其他事情，因为它的全部精力都花在查询上了！这种查询是在扫描周期内进行的，扫描周期长，容易造成监控定时器（看门狗）超时错误。在PLC的用户程序中，脉冲信号的上升沿只能通过检测上升沿的命令来捕捉。如果需要快速响应，可以使用中断模式。系统程序调用用户在脉冲信号上升沿编写的中断程序。图25-1可编程控制器Figure25-1PLC图26-1单片机Figure26-1singlechipmicrocomputer考虑到尽可能的控制成本，且占用体积需要更小。我们最终还是选取了单片机作为控制核心元器件。单片机也叫做单片微控器，是一种集成式电路芯片。在单片机中主要包含中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器、计数器、中断系统、输入输出口等部分，单片机就如同一个微小的电脑，可以完成各种简单到复杂的运算，无论是对运算符号进行控制，还是对系统下达运算指令都能通过单片机完成。由此可见，单片机依靠着强大的数据处理功能和相对低廉的价格可以在手机、电视、冰箱、机器人等智能电子设备和工业设备中得到充分的应用。可以说单片机其实就是一块芯片，这块芯片组成了一个系统，通过集成电路技术的应用，将数据运算与处理能力集成到芯片中，实现对数据的高速化处理。依靠所学的单片机知识，我们本打算考虑选用89C51系列单片机，后来发现我们这个电路有很多的子电路，所以需要大量的接口才能完成电路的连接。然而，51系列单片接口数量比较少，难以满足我们六自由度焊接机器人六个电机和其它基本电路的接口需求。这种情况，我们有两种办法去解决。一种是扩展地址，另一种则是直接更换更多接口的单片机。再考虑到单片机的运行速度，位数等条件，我们发现除了地址不够，其它地方也不是很好。所以，最终我们还是选择放弃了我们所熟悉的51系列单片机，去选择了STM32系列单片机。为什么选取STM32系列单片机呢？首先STM32系列单片机是32位的，一次处理数据的宽度为32位，而51单片机仅有8位，所以STM32系列单片机吞吐量更大，处理数据速度更快。STM32系列的内部RAM和ROM的flash都比51大得多，其中比较常用的STM32F103有64kRAM，512kROM，而STM32F407有256Kram，1MROM，它们的主频也很高，分别达72M和168M因此运算能力要强大的多。其次，STM32系列单片机上的外设也比较丰富，定时器多达14个（也有17个），PWM功能也是很强大，其ADC精度也可以达到12位，还有DA模块、实时时钟，如果选用较高档版次的还有浮点运算单元DSP功能。特别是DMA控制器，可以将CPU从繁忙的数据中转中解脱出来。另外还有FMSC内存接口，而且它的外部接口也很丰富，有多个串口可以进行USB控制。STM32系列单片机功能较为强大，然而它的价格并不高，性价比相对来说很高。所以，最终我们确定选取了STM32系列单片机。7.3单片机（singlechip）我们选取了单片机作为我们的控制方式，单片机应用很广泛。不论是在生活领域还是工业领域，几乎都有它的踪影。单片机已经发展了几十年了，技术上算是很成熟的了，稳定性也比较好，性能也不错，而且价格还便宜。是大规模生产的首选控制芯片。而51单片机是教学中最常用的单片机，因为其结构简单，功能较为强大，价格便宜，所以51是教学中最常用的单片机。而我们工业机器人领域中，51单片机就不太够用了。因为51单片机性能较低，处理速度不够快，接口比较少。所以，工业领域用的很少，而STM32系列有着更加强大的性能，更高的主频，更快的处理速度，更大的内存，更大的闪存，更多的接口，更多的功能等。这就导致工业领域使用的单片机主要以STM32系列为主。下图所示为单片机STM32F