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山西工程技术学院毕业设计说明书山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：崔学儒专业：机械电子工程学号：180533017指导教师：张忠杰所属系（部）：机械电子工程系 二二年五月 五自由度的焊接机器人摘 要据不完全统计，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，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实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。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。 众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。本次我所设计的机器人为五自由度弧焊机器人。本说明书对本次设计的主要考虑内容进行了叙述和讲解，包括机器人的总体设计以及传动系统的构成与设计，电动机的选择，圆锥齿轮的设计与校核，谐波减速器的原理以及选择，腕部转动轴的校核，齿形带规格的选择以及滚动轴承的选择与校核等。由于设计经验不足以及理论知识的匮乏，本次设计肯定存在许多不足之处，望答辩老师谅解并不吝赐教。关键词： 焊接机器人；齿形带传动；谐波减速器；五自由度Welding Robot With Five Degrees Of FreedomAbstractAccording to incomplete statistics, nearly half of the worlds industrial robots in service are used for welding. The most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi-task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. The robot I designed is a DOF arc welding robot. The design statement mainly include design of robots drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on.Key Word： welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 5-DOF 目录前言41.1总述41.2本产品的意义51.4焊机机构设计研究现状与发展趋势81.5选题的依据及意义81.5.1选题的依据81.5.2选题的意义91.6运动学分析的常用方法91.1工业机器人弧焊工作站的工作任务：121.5点焊141.6，设计示意图162设计基本思路172.1总体设计思路及内容172.2结构设计181 机座 2转台 3腰座 4腕部 5小臂 6大臂182.1.2 自由度和坐标系的选择192.2设计传动方案202.1驱动传动系统的构成203焊接机器人的结构设计213.1驱动器213.2大臂的设计343.2.1电动机选择：343.2.2谐波齿轮减速器的选择353.2.3轴的计算35一、轴的结构设计35二、轴的校核364总结37参考文献38致 谢391、前言1.1总述目前，制造业仍是我国国民经济的主体，是工业化和现代化的主导力量，是衡量一个国家经济综合实力和国际竞争力的重要标志。我国大力发展制造业，实施创新驱动发展和加快经济转型具有十分重要的战略意义。而智能制造1是引领“第三次工业革命”发展的核心，在以德国提出的工业“4.0”计划、日本的新产业创造战略、美国的先进制造国家战略计划、欧盟的智能系统路线图计划等背景下，中国提出了“中国制造 2025”，充分认识到智能制造装备的重要战略地位，努力从制造大国转变为制造强国。图 1.1 焊接机器人我国制造业的发展主要是从工业技术的发展得以体现，其中最核心的是工业机器人技术。近些年我国工业机器人发展迅速，并逐步从示范应用转向大规模推广,大大减少了生产制造对劳动力的依赖。目前我国研制的工业机器人已经达到工业应用水平，尤其是在汽车制造业中有更广泛的应用，比如电焊、装配、喷涂机器人等。我国工业机器人技术正在向更智能化、现代化和科学化的方向发展。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： （1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 （3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 （4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 （5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。1.3我国发展动态我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线 。如图1.2所示，此为船舶人工焊接现场，其生产环境恶劣，焊接作业时产生有毒有害气体，弧光飞溅严重，并伴随高温以及强磁，对工人身体健康不利，直接导致了焊接工人不能长时间连续作业，从而使得焊接效率与质量得不到保证，在一.定程度上影响了工业生产效率。（a）船舱内部结构 （b）人工焊接图1.2船舶人工焊接现场图如图1.3所示，在船舶制造业中存在大量船舱格子型角焊缝，其中包括平面角焊缝以及空间角焊缝结构形式。该类格子型钢构件空间相对狭小，目前此类焊.接工作基本由工人手动焊接作业，国内还是相当缺乏在相对狭小空间作业的焊接机器人。韩国是属于造船业较发达的国家，开放式复杂船舱结构的自动化焊接技术处于世界领先水平，如图1.4所示，但对封闭式复杂船舱结构自动化焊接技术也处于不完善的阶段。我国作为船舶制造业的大国，研发一种能针对复杂船舱结构焊接这一难题的新型移动焊接机器人迫在眉睫。 图 1.3 造船厂中船舱格子型钢构件 图 1.4 韩国造船业焊接现场图清华大学机械工程系和北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁力吸附轮式移动焊接机器人其对焊炬的跟踪精度可达0.5 mm，能满足实际工程应用的要求。上海交通大学研制具有自寻迹功能的焊接式移动机器人在焊接前，该机器人能自动寻找焊缝，通过轨迹推算，自动将机器人本体和焊炬调整为待焊状态；在焊接过程中，能对焊缝进行横向、大范围的实时跟踪。目前大多数移动焊接机器人仍能进行焊缝跟踪，焊前必须用人工将机器人放置在坡口附近适当的位置，并通过人工将机器人本体、十字滑块等手动调整到适当的待焊点，即机器人的自主程度仍然较低，基本上还没有自主规划运动的能力。随着图像处理相关技术的发展，未来的发展趋势有三个方面：选择视觉传感器进行传感跟踪；使用多传感信息融合技术以应对更加复杂的焊接任务；由于控制技术从传统控制走向智能控制，移动焊接机器人的控制也将采用视觉传感器。1.3.1国外动态本文设计的移动焊接机器人为有轨移动焊接机器人，与现有的移动焊接机器人技术相比，由于焊接自动化程度较低，仅将其应用于集装箱波纹板焊接，与目前的移动焊接机器人技术发展相当。随著工业水平的发展，大型结构件的应用越来越广泛，其中许多焊接工作都需要在现场进行，如大型舰船舱体、甲板、大型球罐(储罐)等。在这种情况下，焊接机器人必须适应焊缝的变化，以达到提高焊接自动化的目的。将机器人技术与焊缝跟踪技术相结合，可以有效地解决大型结构件现场自动化焊接的难题。目前，国内外正在研究开发的几款具有代表性的移动焊接机器人如下：(1)韩国 Pukyong国立大学 Kam B O等开发的舱体结构件焊接移动机器人该机器人能在人很难到达的狭小空间内自主完成焊接过程，并能自动寻找焊缝起点。当碰上格框的拐角焊缝时，在保证焊接速度不变、焊炬精确对准焊缝的前提下，可自动调整机器人本体及横杆的位置。(2)日本庆应大学学者 Suga等研制的自主式平面薄板焊接移动焊接机器人它既能直行进，又能用两轮的差速来控制小车的转弯，还能伸缩装焊枪的手臂，探测焊缝的位置，准确地识别焊缝的形状，例如是直行、曲线、折线等等5。(3)日本庆应大学学者 Suga等研制自主式管道焊接移动机器人利用 CCD摄取的图像信息，机器人可沿管道运动，焊接前自动寻找和识别焊缝，然后使机器人本体沿管道运动至正确的焊接位置。1.4焊机机构设计研究现状与发展趋势目前，机器人的机构设计大多还是根据具体情况来设计专用焊接机器人，即所谓的固定结构机器人，其运动特性使得机器人的特殊功能只能适应某一范围，不利于机器人的发展。通过使用连接模块和连杆模块来实现可重构机器人系统的设计，以满足特定需求。以下是目前一些人正在进行的研究：(1)由Benhabib等人设立的机器人仓库，将模块分为四类，即模块单元连接件、连杆模块、主接件和端接件模块；(2) DanielaRus等人于1999年提出了一种由“分子”晶体结构组成的可自重构机器人系统；上海交通大学的费燕琼和沈阳航空工业学院的张艳丽等人研究了模块化机器人的构形。1.4.1机器人的发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；3)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。1.5选题的依据及意义在本文中，我们介绍了选题的背景，以及完成课题的意义。1.5.1选题的依据鉴于集装箱波纹板焊接自动化程度较低的现状：目前，用于集装箱侧板与上、下侧梁焊接的自动焊机，由于在焊接过程中，焊枪不能根据波形的变化来调整和焊枪速度的夹角(焊接工艺参数也没有变化)，如图1.5所示，在直线段与波内斜段之间，焊接速度方向不变，但在平直段与平直段之间，焊接速度方向相同时，焊接枪与焊缝方向垂直，因此，由于在直线段与平直段之间的焊缝成形不一致，从而直接影响了集装箱的生产质量。图 1.5 集装箱波纹板示意图1.5.2选题的意义本课题的研究内容是设计一种集装箱波纹板五自由度焊接机器人，并对其进行运动学分析，解决了焊接过程中枪口不能随着波形的变化而调整到与枪口速度的夹角这一问题，从而使直线段与波内斜边段焊接时，枪口与焊缝均保持垂直，且枪口与焊缝的速度均恒速，从而提高了直线段与波内斜边段焊接成形的一致性，提高了集装箱产品的质量。1.6运动学分析的常用方法机器人逆运动学问题是机器人运动学、动力学和控制的重要组成部分，它直接关系到控制的快速性和准确性。逆运动学问题是根据末端执行机构的位置(位置和姿态)来求解相应的关节变量。现有三种机器人运动学逆解方法：（1）几何法 研究一种基于精确的手臂几何模型的运动方程求解方法。该法只适用于特殊结构机器人。（2）齐次变换法 在机器人的雅可比矩阵已知的前提下，通常用其逆矩阵来求解运动学逆解。（3）是智能解法 这种方法具有以下特点：基于学习的算法和基于神经网络的算法；基于扩散方程的算法。2、焊接机器人弧焊工作站：2.1工业机器人弧焊工作站的工作任务：工业机器人弧焊工作站的工作任务是将钢管焊接在底板上，材料形状如图2.1图 2.1焊接材料形状焊接工艺如图2.2：图 2.2焊接工艺2.2、MAG焊接方法熔化极电弧焊(GMAW)是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属，形成熔池和焊缝的焊接方法。为了得到良好的焊缝，利用外加气体作为电弧介质并保护熔滴、熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。 2.3 焊接坡口尺寸及熔敷图 焊接时采用惰性气体与氧化性气体(活性气体)，如Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2+02等混合气作图 为保护气体，称为熔化极活性气体保护电弧焊，简称为MAG焊，尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。熔化极活性气体保护电弧焊熔敷速度快、生产效率高、易实现自动化，因而在焊接生产中得到日益广泛的应用。2.3工业机器人弧焊工作站的组成 业机器人弧焊工作站由两套机器人焊接系统构成，可以各自单独焊接，也可协调焊接。整体布置如图2.4所示：图 2.4 工业机器人弧焊工作站整体布置图一个完整的工业机器人弧焊系统由机器人系统、焊枪、焊接电源、送丝装置、焊接变位机等组成，如图所示图 2.5 工业机器人弧焊系统2.5点焊电焊的分类：点焊是电阻焊的一种。电阻焊(rsistancewelding)是将被焊母材压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到塑性状态，使得母材表面相互紧密连接，生成牢固的接合部。主要用于薄板焊接。点焊的工艺过程:1)预压。保证工件接触良好。2)通电。使焊接处形成熔核及塑性环。时时t版金3)断电锻压。使熔核在压力持续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔裂纹的焊点。点焊的通电方式按照焊接电流在电极-接合部-电极间以何种回路进行流动，而分成4大类。(1)直接点焊直接点焊如图2.6所示。这是最基本的、也是可靠度最高的焊接方法。 相对的一对电极夹住被焊接物并施压，其中一个电极通过被焊接物的接合部向另一个电极直接导通焊接电流。当然也有像图2.6一样将电极分成2根进行焊接的方法，但是由于很难使加压力和接触部位的电阻完全相同，所以与图2.6的方式相比，在工作效率上是得到了提高，但是焊接部位的可靠性变差了。图 2.6 直接点焊(2)间接点焊间接点焊如图2.7所示。被焊接物的接合部位电流，从一个电极通过被焊接物的一个部位分流通到另外一-个电极的焊接方式。有时候不需要将电极相向设置，只要在单侧设置就可以进行焊接了，因此适用于焊接大型物体。图 2.7 间接点焊(3)单边多点点焊单边多点点焊如图2.8所示。当一个焊接电流回路中有2个接合部时，电流将顺序依次流过这两个焊点部位并进行点焊，这是一个高效的方式。但是如图2.8所示，在这些方式中，电流将在被焊接物内部进行分流，由此会产生一些根本无利于接合部发热的无效电流，因此不仅仅造成了电的效率低下，有时还会对焊接质量造成坏的影响。所以为了尽量减少分流，需要尽量加大电极。而当板厚不同时，需要将厚板材放在下方。与图2.8所示的单边多点点焊：图 2.8 单边多点点焊(4)双点焊(推挽点焊)双点焊(推挽点焊)如图2.9所示。在上下都配置焊接变压器，可以同时进行2点焊接的方式。 图 2.9 双点焊1.5.1点焊的条件 焊接电流、通电时间以及电极加压力被称为电阻焊接的三尚大条件。在电阻焊接中，这些条件互相作用，具有非常紧密的联系。 (1)焊接电流 焊接电流是指电焊机中的变压器的二次回路中流向焊接母材的电流。在普通的单相交流式电焊机中，在变压器的一次侧流通的电流，将乘以与变压器线匝比(是指一次侧的线匝数N1和二次侧的线匝N2的比，即N1/N2)后流向二次侧。在合适的电极加压力下，大小合适的电流在合适的时间范围内导通后，接合母材间会形成共同的熔合部，在冷却后形成接合部(熔核)。但是,如果电流过大会导致熔合部飞溅出来(飞溅)以及电极粘结在母材上(熔敷)等故障现象。此外，也会导致熔接部位变形过大。(2)通电时间 通电时间是指焊接电流导通的时间。在电流值固定的情况下改变通电时间，会导致焊接部位所能够达到的最高温度不同，从而导致形成的接合部大小不一。一般而言，选择低的电流值、延长通电时间不仅仅会造成大量的热量损失，而且也会导致对不需要焊接的地方进行加热。特别是对像铝合金等热传导率好的材料以及小零件等进行焊接时，必须使用充分大的电流，在较短的时间内焊接。电极加压力电极加压力是指加载在焊接母材上的压力。电极加压力既起到了决定接合部位位置的夹具的作用，同时电极本身也起到了保证导通稳定的焊接电流的作用:此外，还具备冷却后的锻压效果以及防止内部开裂等作用。在设定电极加压力时，有时也会采用在通电前进行预压、在通电过程中进行减压、然后在通电末期再次增压等特殊的方式。 加压力具体作用包括:破坏表面氧化污物层、保持良好接触电阻、提供压力促进焊件熔合、热熔时形成塑性环、防止周围气体侵人、防止液态熔核金属沿板缝向外喷溅。此外，还有一个影响到熔核直径大小的条件，那就是电极顶端直径。电流值固定不变时，电极顶端直径(面积)越大，电流的密度则越小，在相同时间内可以形成的熔核直径会产生一些根本也就越小。好的焊接条件是指选择合适的焊接电流、通电时间以便能够形成与电极顶端直径对焊接质量造成相同的熔核。此外，焊接母材的板材厚度的组合在某种程度上也决定了熔核直径的大小。因此，只要板材厚度的组合决定了，则将要使用的电极顶端直径也就决定了，相关的电极加压力、焊接电流以及通电时间的组合也可以决定了。如果想要形成比板材厚度还大的熔核，则需要选择具有更大顶端面积的电极，当然同时还需要使用较大的焊接电流以保证所需的电流密度。 1.6，设计示意图自由度焊接机器人系统由弧焊机器人，焊接电源，焊枪送丝机构，回转双工位变位机，工件夹具和控制系统组成。如图1.4是整个焊接系统的示意图:图 1.4 机器人焊接系统示意图2设计基本思路2.1总体设计思路及内容2.1.1机器人机械设计步骤：（1）作业分析：包括任务分析和环境分析，不同的作业任务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。（2） 设计方案：(a) 确定动力源(b) 确定机型(c) 确定自由度 (d) 确定动力容量和传动方式(e) 优化运动参数和结构参数(f) 确定平衡方式和平衡质量(g) 绘制机构运动简图 （3） 结构设计: 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。（4） 动特性分析:估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析，确定其结构固有频率和响应特性。（5） 施工设计完成施工图设计，编制相关技术文件2.2结构设计包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。本次设计的机器人是五自由度、关节型焊接机器人。自由度高，采用直流伺服电机驱动、微机控制，结构紧凑，工作范围大，动作灵活，不仅用于弧焊作业，还可以用于搬运和装配作业。腰部和大、小臂的传动采用谐波传动，腕摆和腕转除采用谐波齿轮外还均采用齿形带传动和锥齿轮传动，传动比准确，精度高，结构紧凑，耐油、耐磨性好。大臂上装有气动平衡机构，使大臂驱动力矩减小，且使示教操作轻便。本次设计的焊接机器人的结构图如下图所示：1 机座 2转台 3腰座 4腕部 5小臂 6大臂图1-1焊接机器人结构图设计内容主要是5自由度焊接机器人的工作原理设计，腰部与大臂主要机构的设计与计算,主要零部件的设计与校核，装配图的绘制以及主要零部件图纸绘制等。（1） 机座 机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。（2） 转台 本转台系统有回转和俯仰两个自由度。为使俯仰运动满足自锁的要求，拟采用棘轮机构，因其工作时有较大的冲击和.噪声，而且运动精度较差，故放弃。考虑使用螺旋机构，其优点是能获得很大的减速比，还可有自锁性。它的主要缺点是机械效率一般较低，特别是具有自锁性时效率将低于50%。转台的回转运动可考虑使用蜗轮蜗杆机构，其优点是传动平稳，啮合冲击小，由于蜗杆的头数少，故单级传动可获得较大的传动比，且结构紧凑。 （3）腰座 焊机机器人的腰座是连接底座与大臂的重要部件，是影响焊机整体性能的关键部件之一。通过对腰座的强度、刚度和动力特性分析，可以预测结构的应力集中，避免工作时产生共振。用常规力学方法进行计算，不仅计算复杂，精度也不高，用有限元方法对结构进行强度和刚度分析，不仅准确可靠，而且能得到构件在不同工况下的应力分布。 （4）腕部 该机器人的主要关节结构包括腰部、大臂、小臂和腕部，如图1.1所示。主要是焊接机器人小臂和腕部结构的设计，根据莫托曼焊接机器人的外形尺寸，设计其内部结构。该机器人的小臂腕结构主要由：电机，谐波减速器，圆锥齿轮，链轮，链条，谐波减速器几部分组成。选择机器人电机，电机是机器人运行的动力来源，机器人最早使用的电机是步进电机，后来发展为直流伺服电机。焊工机器人各关节的旋转速度都很低，因此在选择电机的过程中，功率要求很小，主要考虑电机的尺寸是否能满足焊工机器人外形尺寸的要求。焊机对速度的要求较低，需要通过大减速比的电动机减速，才能达到焊机对速度的要求，所以焊机对减速比的选择范围较大。它具有结构简单、重量轻、体积小、传动比范围大、承载能力高、损耗小、效率高、齿面磨损均匀等优点。（5）小臂 手腕的仰摆采用交流伺服电机经谐波减速器减速，带动圆锥齿轮轴转动，再经过链轮、链传动驱动安装了手腕的轴旋转，使腕部与轴一起转动，从而达到腕部的仰摆。2.1.2 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）。本次设计的搬运机器人为5自由度即：手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降。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2。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。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。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，本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。(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2.2设计传动方案2.1驱动传动系统的构成在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。机器人一般有两种运动关节转动关节和移(直)动关节。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。1码盘；2 测速机；3 电机；4 联轴器；5 传动装置；6 转动关节；7 杆。8 电机；9 联轴器；10 螺旋副；11 移动关节；12 电位器(或光栅尺)腰部传动由伺服电机传出动力一路传递到谐波减速器，再传递到轴，轴通过轴承固定，再通过齿轮机构带动整个腰部机构运动。大臂传动由伺服电机传出动力一路传递到谐波减速器，再传递到大臂轴，轴通过轴承固定，通过大臂轴带动平衡汽缸运动实现整个大臂机构运动。3焊接机器人的结构设计3.1驱动器3.1.1驱动器（1）电机驱动器电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。 电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。（2）气动驱动器气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。（3）作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。2.1.2电动机选择：大致确定P至少大于1KW有下表可选取合适的电动机。综合以上数据130SYX-01型号伺服电机，其参数如下：额定功率=1.2KW额定转矩=4N/M额定转速=3000r/min额定电压=160V额定电流=9.4A峰值转矩=32N/M电枢电阻=0.2电框电感=3.2MH4 机器人的常用传动机构4.1.1机器人传动机构的基本要求：(1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2) 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的固有频率，降低整机的低频振动；(3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；(4) 寿命长、价格低。 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。4.1.2谐波齿轮减速器的选择 谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。谐波传动通常由三个基本构件(俗称三大件)组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器。柔轮的外齿数少于刚轮的内齿数。在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波传动。谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 （1）传动原理 （2） 谐波传动的主要特点(a)传动比大，单级为50300，双级可达2x106。(b)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。在相同的工作条件下，体积可减小20一50。(c)齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好时，对i =100的传动，效率可达0.85。(d)传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。(e)回差小。精密谐波传动的回差一般可小于3，甚至可以实现无回差传动。(f)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。(g)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。它主要由三个基本构件组成：（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮； （2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；（3）波发生器H，它相当于行星架。 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。（二）特点 1承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 2传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70500。 3体积小、重量轻。 4传动效率高、寿命长。 5传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。6由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。谐波减速器在国内于六七十年代才开始研制，到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业，由于它的独特优点，在化工行业的应用也逐渐增多。RV摆线针轮传动RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的。二、主要特点与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大26倍，但重量却增加了13倍。该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节(腰关节)，这时自重是坐落在底座上的，充分发挥了高刚度作用，可以大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。 （三）减速器的选择根据电动机的参数，有机械设计手册表15-2-129查表选出谐波减速器型号为： 。XB1为产品代号，120机型，150表示减速比。其参数为：输入功率=1.25KW输入转速=3000r/min输出转矩=450N/M输出转速=20r/min3.1.3 轴的计算（一）轴材料选择轴的材料选用45钢，调质处理，=360 MPa。（二）轴的校核轴因为是竖直的，本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用。故只对轴扭矩进行校核。对轴进行简化计算： 从齿轮计算中得到转矩T=3820N.mm，得到的扭矩图：有图可知，危险截面在C面。在C面：扭转应力：=53*53*53*3.14/16=29217 m =T/=3820 /29217=0.13 MPa 在C无须进行弯转应力校核，也无须根据第三强度理论进行强度校核。轴的材料选用45钢，调质处理，=360 MPa，远远大于最大应力，故合适。3.1.4 轴承选择并校核机构中有多个轴承，现在选取一圆锥滚子轴承校核。简图如下：(1) 验算轴承平均压力p(单位为MPa) =247N=0.24MPa式中：B轴承宽度，mm(根据宽径比B/d确定) p轴瓦材料的许用压力，单位为MPa(2) 验算轴承的pv值(单位为MPam/s)pv=0.240.17=0.0408MPam/sv轴径圆周速度，即滑动速度，m/spv轴承材料的pv许用值，MPam/s3.验算滑动速度v(单位为m/s)v=0.17m/sv为许用滑动速度，单位为m/s根据这些数据查机械设计第七版表12-2选择轴承为耐磨铸铁HT300。滑动轴承和轴承座的配合为过渡配合，定为，IT6=13,IT7=21基准孔H7的下偏差EI=0,上偏差为ES=EI+IT7=+0.021轴瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+IT6=0.021由此得，。滑动轴承和轴的配合为间隙配合，定为，IT6=13,IT7=21基准轴h6的上偏差es=0,下偏差为ei=esIT6=(013)=13孔H7的下偏差EI=0孔H7的上偏差ES=EI+IT7=21由此得，。，3.1.5 齿轮的设计与校核齿轮参数计算及其校核： 材料：高速级小齿轮选用钢调质，齿面硬度为250HBS。高速级大齿轮选用钢正火，齿面硬度为220HBS。 齿轮计算，查课本表得: 。 材料弹性系数Z Z=189.8(N/mm)（表15-17） 重合度系数Z=（4-）/3）=0.9（表15-18） 节点区域系数Z Z=2.5(图15-22) 螺旋角系数Z Z=1 (式15-34) 计算应力循环次数N：N=60njL=605001811250=6.6108N= N/i=6.610/4.2=1.571108 表10-4得： 。故 。查课本表10-21图得： 。故 。由设计计算公式（10-9a）进行试算即 转矩 载荷系数K:K= KKKK 7级精度制造，查课本表10-3得：载荷系数，取齿宽系数 计算中心距： 考虑计算原因取 则取 传动比：i=齿宽：取大齿轮： ,小齿轮： 大端分度圆直径 d=m=436=144，d=m=471=284齿顶圆直径 d= d+2mcos=144+6cos13.3924=236.87，d= d+2mcos=284+6cos76.6076=295.900齿根圆直径d= d-2.4mcos=63-2.4cos13.3924=55.966d= d-2.4mcos2=276-2.4cos76.6076=86.532齿轮锥距 R=1/2=135.998大端圆周速度 v=dn/60000=3.1463500/60000=1.649m/s，齿宽b= 0.4135.998=64.14选齿轮精度为7级=（0.10.2）R=（0.10.2）305.500=30.0560.1取=10，=14,c=10轮宽 L=（0.10.2）d=（0.10.2）93=12.4L=（0.10.2）d=（0.10.2）291=39 按齿面接触强度设计： 所以安全。 验算轮齿弯曲强度： 查课本表10-5得： 最小齿宽计算： 所以安全。查课本第162页表11-2知选用7级的的精度是合适的。以上课本为 机械设计（第七版）。3.2大臂的设计3.2.1电动机选择：电动机功率计算：以上是大致受理图，得出电机需带动的扭矩。T=cos*F*S=cos*12*10*/1000=78N/MT=9550*P/nN=60r/min所以输出功率P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。因为功率经过整个传动系统后不变，所以电机至少需要也为490W,即0.49KW。考虑到安全系数S,一般取S=1.5，所以P至少大于1.5*0.49=0.735kw有下表可选取合适的电动机。3.2.2谐波齿轮减速器的选择根据电动机的参数，有机械设计手册表15-2-129查表选出谐波减速器型号为：XB1-100-125。XB1为产品代号，120机型，150表示减速比。其参数为：输入功率=0.777KW输入转速=3000r/min输出转矩=240/M输出转速=24r/min3.2.3轴的计算一、轴的结构设计根据轴承的要求和机构本身的性能要求，等到轴的尺寸如附图：轴的材料选用45钢，调质处理，=360 MPa。二、轴的校核轴本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用,故只对轴扭矩进行校核。A,B处为相同两个槽，受扭矩相同，C处也是受扭矩影响大之处。故腰对B,C两处进行校核。对轴进行简化计算： 从电动机计算中得到转矩T=2387.5N.mm，计算A,B处扭矩为3119N.mm得到的扭矩图： 有图可知，其受理情况一直，每处受到扭矩一样，故可随机选取一点。在B面：=1717173.14/16=964mm。=T/=6238/964=6.47MPa 在C面：扭转应力：=72*72*72*3.14/16=73249.92 m =T/=2387.5 /73249=0.03 MPa 在C无须进行弯转应力校核，也无须根据第三强度理论进行强度校核。轴的材料选用45钢，调质处理，=360 MPa，远远大于最大应力，故合适。4总结经过六个月的不懈努力，我的毕业设计终于接近尾声了。在做毕业设计之前，我就深知其重要性。他是大学教学的最后一个环节，对毕业生在大学所学知识的一次综合运用，是保证毕业生质量的必然要求。所以我认真地去完成其中的每一个细节，包括设计中的设计原理、计算、图纸及撰写设计说明书等。不懂就去查质料，去请教老师和同学。不放过其中不懂的知识点。经过毕业设计之后，我更加深刻地体会到了毕业设计的重要意义。通过毕业设计，我对大学四年所学的理论知识和基本技能作了一次综合运用。对许多以前所学的专业知识进行了系统复习。包括：理论力学、材料力学、机械原理、机械零件、机械设计、机械制造、互换性与测量技术、机械制图、AUTOCAD计算机绘图、SOLIDWORKS三维实体建模、机电传动控制、微机控制原理、机电一体化系统设计等课程。巩固了专业知识，提高了我独立分析和解决实际问题的能力，培养了我的创新意识。增强了我对机电一体化行业的兴趣。我在以下几方面得到了锻炼与专业认识： 1、巩固和丰富所学的专业理论知识。本次设计所要求的专业知识面是广泛的。题目是5自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计。从控制到传动都是机械，是纯机械的设计。我意识到，作为一名设计员，首先必须掌握各种各样的较为全面的理论知识，并且要将这些知识灵活应运于设计之中。2、本次设计中我所学到的是一个系统的。学会调查、研究，初步掌握收集资料，获取技术信息的方法和手段。在设计过程中不可死板套用，要注意创新。从多方面来考虑问题，从多种方案中挑选最佳方案。设计必须仔细，用系统与科学的态度处理每个问题。 3、设计能够解决生产的实际问题。所以在设计中体现出来的问题是相当的客观的。通过本次设计，增强了自身知识的应用能力和综合能力；增强了分析和解决生产实际问题的能力。参考文献1基于多信息传感的FANUC焊接机器人系统研究.叶震.余焕伟.陈华斌.方古.陈善本.李杰，20122012年中国机器人焊接学术与技术交流会2港珠澳大桥焊接机器人系统应用.高峰.郭强.季富强.邹纪祥，2014中国交通建设股份有限公司2014年现场技术交流会3.全位置弧焊机器人机构及控制系统设计与实现.作者：胥潇.精密仪器及机械电子科技大学2014（学位年度）4.中部槽自动焊接焊枪运动方法的研究与实现.作者：杨佳.机械工程浙江工业大学2014（学位年度）5.采用SVR雅可比估计器的焊接机器人视觉导引.华南理工大学学报（自然科学版）.被中信所中国科技期刊引证报告收录ISTIC.被EI收录EI.被北京大学中文核心期刊要目总览收录PKU.2013年7期.李鹤喜.石永华.王国荣.6.立体车库设备制造中自动焊接技术的开发应用.中国机械.2015年8期.罗观宝.7.基于scara的五自由度五自由度的焊接机器人研究被机电一体化学报2015年03期。8杨丽华.一种焊接机器人的仿真分析J.装备制造技术,2019,1(9):1-3.9杨丽华.一种焊接机器人的仿真分析J.装备制造技术,2019,1(9):1-3.10肖宇星,祁蕾.浅议六自由度焊接机器人的轨迹规划与运动仿真J.时代农机,2019,3(4):23-30.11周大良.基于MRDS的多自由度焊接机器人运动学求解及仿真J.电子工业专用设备,2016,2(6):33-45.12曹峰,刘积昊,周宸,等.基于SCARA的五自由度焊接机器人的研究J.机电一体化,2015,3(3):40-50.13Michael Tannous, Marco Miraglia,Francesco Inglese,etc.Haptic-based touch detection for collaborative robots in welding applicationsJ.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2020,4(3):32-40.14Amruta Rout,Deepak Bbvl,Bibhuti B 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non-inertgasesmaybeusedintheshieldingmixture,suchashydrogenornitrogen.AutogenousGTAWwelding(withoutfillermetal)isusedinthinsquareedgedsections(2mm),whileVandXtypeedgepreparationsareneededinthickersections.Inthiscase,theadditionoffillermetalisnecessary.Thisprocessisextensivelyusedforweldingthin components0fstainlesssteel,aluminum,magnesiumortitaniumalloysaswellpiecesof carbonandlowalloysteels.HeatinputinGTAWdoesnotdependonthefillermaterial rate.Consequently,theprocessallowsaprecisecontrolofheataddictionandthe productionofsuperiorqualitywelds,withlowdistortionandfreeofspatter.Itisless economicalthanotherconsumableelectrodearcweldingprocesses,duetoitslower depositionrate,anditissensitivetowindyenvironmentbecauseofthedifficultyin shieldingtheweldpool.Besidesitshowslowtolerancetocontaminantsonfillerorbase metals.1.1.2WeldingEquipmentinthissectiontherelevantaspectsrelatedtotheweldingequipmentusedwiththe GATWprocesswillbereviewed,withtheobjectiveofexploringtheimplicationsAutomaticroboticwelding.1.1.3PowerSourcesPowersourcesforGTAWaregenerallyoftheconstantcurrenttypewithdrooping volt-amperestaticcurves,Lightweighttransistorizeddirectcurrentpowersourcesare currentlyused,beingmorestableandversatilethantheoldthyristor-controlledunits.Inrectifier-inverterpowersourcestheincomingACcurrentisrectifiedandthenconvertedintoACcurrentatahigherfrequencythanthatofthemainssupply,intheinverter. AfterwardshighvoltageACcurrentistransformedintolowvoltageACcurrentsuitableforwelding,inthetransformer,andthenrectified,Theaimtoincreasethecurrentfrequencyistoreducetheweightofthetransformerandothercomponentsofthesourcesuchas inductorsandcapacitors.1.1.4WeldingTorchTheweldingtorchholdsthenon-consumableelectrode,assuresthetransfer currenttotheelectrodeandtheflowofshieldinggastotheweldpool.Torcheswith weldingregimesupto200Aaregenerallygas-cooledandthosewithcontinuous operationbetween200and500Aarewater-cooled.1.1. 5Non-consumableElectrodesNon-consumableelectrodesarecomposedofpuretungstenoroftungstenalloys.PuretungstenelectrodescanbeusedwithDCbutaremoresensitivetocontamination,havelowerservicelife-cycleandexhibithighertipdeteriorationthanalloyedelectrodes.TheseelectrodescanbeusedinweldingofaluminumandmagnesiumalloysonAC. Thoriatedtungsten(2%ThO2)electrodesarewidelyusedinindustrialapplicationsdueto itsexcellentresistancetocontamination,easyarcstartingandstableelectricarc.Concernsaboutsafety,becausethoriumoxideisradioactive,ledtothedevelopmentof otherelectrodescontainingsmallproportions(around2%)ofsimpleearthrareelements suchaslanthanum,yttriumandceriumorevenmixturesofseveralelements.These electrodeshavebetteroperationalcharacteristicsthanthoriatedelectrodesandcanbe usedinweldingcarbonandstainlesssteels,nickelandtitaniumalloys.Zirconiated tungstenelectrodesareexcellentforACduetoitsgoodarcstarting,highresistanceto contaminationandsmalltipshapedeterioration.1.1.6ArcStrikingTechniquesArcinitiationbytouchstrikingwasusedformerlyinmanualGTAW,butthistechnique isverysensitivetotungstencontamination,adverselyaffectingtheservicelifeofthe electrode.High-frequency-high-voltage.g.3kVat5MHz)suppliesarecurrentlyusedin arcstrikingandACarcstabilizationinmanualGTAWsystems.Thisarcstartingtechnique usuallyproducesinterferenceinelectronicequipmentinthevicinityofthepowersource.Programmedtouchstrikingisanalternativetechniquedevelopedforautomaticsystems.Inthistechniquecurrentandvoltagearelimitedwhenelectrodetouchesinthework-piece,inordertopreventelectrodecontamination.Apilotarcstartingcanalsobeusedto initiatethemainelectricarc,thoughamorecomplextorchisneeded.1.1.7ShieldingGasRegulatorTheregulatorisadevicethatreducessourcegaspressuretoaconstantworking pressure,independentlyofsourcepressurevariations.Pressurereductioncanbemadein oneortwostages.Regulatorsintwostagesgiveingeneralmorestableoutputflow1.2ProcessParametersInthissectiontherelevantparametersfortheGTAWprocesswillbereviewedwith thedoubleobjectiveofpresentingthemandshowingthattheycancertainlybeusedfor automaticroboticwelding.1.2.1CurrentCurrenthasdirectinfluenceonweldbeadshape,onweldingspeedandqualityofthe weld.MostGTAWweldsemploydirectcurrentonelectrodenegative(DCEN)(straight polarity)becauseitproduceshigherweldpenetrationdepthandhighertravelspeedthanelectrodepositive(DCEP)(reversepolarity).Besides,reversepolarityproducesrapid heatinganddegradationoftheelectrodetip,becauseanodeismoreheatedthancathode ingastungstenelectricarc.Reversepolaritymaybeofinterestinweldingaluminum alloysbecauseofthecatholiccleaningactionofnegativepoleinthework-piece,thatis theremovaloftherefractoryaluminumoxidelayer.Howeveralternatingcurrentisbetter adaptedtoweldingofaluminumandmagnesiumalloys,becauseitallowsbalancing electrodeheatingandwork-piececleaningeffects.Weldpenetrationdepthobtainedwith ACisbetweendepthobtainedwithDCENandDCEP.1.2.2WeldingSpeedTheeffectofincreasingtheweldingspeedforthesamecurrentandvoltageistoreducetheheatinput.Theweldingspeeddoesnotinfluencetheelectromagneticforce andthearcpressurebecausetheyaredependentonthecurrent.Theweldspeed increaseproducesadecreaseintheweldcrosssectionarea,andconsequently penetrationdepth（D)andweldwidth （W)alsodecrease,butthe/Wratiohasaweak dependenceontravelspeed.Theseresultssuggestthatthetravelspeeddoesnot influencethemechanismsinvolvedintheweldpoolformation,itonlyinfluencesthe volumeofmeltedmaterial.Normalweldingspeedsarefrom100to500mm/min dependingoncurrent,materialtypeandplatethickness.1.2.3ArcLengthThearclengthisthedistancebetweentheelectrodetipandthework-piece.Thearc lengthinGTAWisusuallyfrom2to5mm.lfthearclengthincreases,thevoltageto maintainthearcstabilitymustincrease,buttheheatinputtowork-piecedecreasesdueto radiationlossesfromthecolumnofthearc.Consequently,weldpenetrationandcross sectionareaofmeltedmaterialdecreasewithincreasingarclength.1.2.4ShieldingGasesShieldinggasesareusedinGTAWinordertopreventatmosphericcontamination0ftheweldmetal.Thiscontaminationcanproduceporosity,weldcracking,scalingandevenchangeinthechemicalcompositionofmeltedmaterial.Besidesshieldinggasalsohasa largeinfluenceonthestability0ftheelectricarc.Gaseswithlowionizationpotential facilitatetheignitionoftheelectricarcandthosewithlowthermalconductivitytendto increasethearcstability.ArgonisthemostusedGTAWshieldinggas.Ithaslow ionizationpotentialandisheavierthanair,providinganexcellentshieldingofthemolten weldpool.Furthermoreitislessexpensivethanhelium,theotherinertshieldinggasused intheprocess.Argonisusedinweldingofcarbonandstainlesssteelsandlowthickness aluminumalloyscomponents.Forweldingthickaluminumwork-piecesandotherhigh-conductivematerials,suchascopperalloys,heliumisrecommendedbecauseithas higherionizationpotentialthanargon,needinghighervoltageforarcinitiationand maintenance,butproducinghigherheat-input.Heliumorhelium/argon(30-80%He) mixturesallowincreasedweldingspeedandimprovedprocesstolerance.Mixturesof argonwithupto5%ofhydrogenarefrequentlyusedinweldingofausteniticstainless steels.Hydrogenincreasesarc-voltageandconsequentlyheatinput,increasingweld penetrationandweldtravelspeed,aswellimprovingweldappearance.Argon / hydrogen mixturesarealsousedinweldingofcoppernickelalloys.Argonisalsousedasbackside shieldinggas,mainlyinweldingofstainlesssteels,aluminumalloysandreactivemetals.Flowratesofshieldinggasesdependonweldthickness,being4-10l/minforargon and10-15l/minforhelium,becauseitislighterthanargon,andconsequentlyless effectiveinshielding.Gaseswithapurityof99.995%areusedinweldingmostofthe metals,thoughreactivematerialssuchastitaniumneedcontaminantlevellessthan50ppm.1.2.5FillerMetalsFillermetalsaregenerallyusedforplatethicknessabove2mm,havingchemical compositionsimilartothat0ftheparentmaterial.Fillermetaldiameterisbetween1.6and3.2mmandinautomaticsystemsisnormallyaddedcoldfromarolloracoil.1.2.6ElectrodeVertexAngleThenon-consumableelectrodeangleinfluencestheweldpenetrationdepthandthe weldshape.Electrodeanglesbetween30and1200areused.Smallanglesincreasearc pressureandpenetrationdepthbuthavehightipshapedeterioration.Electrodeangles from60oto1200maintaintipshapeforlongerperiodsandgiveweldswithadequate penetrationdepth-to-widthratio.1.2.7Cast-to-castVariationCast-to-castvariationreferstovariationobservedinpenetrationofweldsproducedin thesameweldingconditionsinseveralbatchesofausteniticstainlesssteelwithnominally identicalcomposition.Thesechangesintheweldbeadshapeareattributedtovariationin proportionoftraceelementsinthematerial,suchassculpture,calciumandoxygen.Variationsintraceelementsseemtoaffectsurfacetensionandmetalflowintothepool Weldpoolshapeisalsoaffectedbyelectromagneticforces,arcpressureandthermo capillarityforces.Tominimizethisproblemseveralstrategieshavebeenadoptedsuchas theuseofhighercurrentsorofpulsedcurrent,theapplicationofadequateshielding gasesortheapplicationonplatesurfaceoffluxcoatingscontainingactiveingredients.1.3ProcessVariants GTAWisregardedasahighqualityprocessforweldingthinmetalsusinglowtravel speedandlowelectrodedepositionrate,requiringhighlyskilledpersonnelinmanual welding.Variantsdevelopedseektoimproveproductivity,mainlydepositionrate,penetrationdepthandweldingspeed.Thesevariantsareimplementedinautomatic0 roboticsystems.Hot-wireGTAWisavariantwhereaheatedfillerwireisfedtotherearof themeltedweldpoolataconstantrate.Fillerwireisresistanceheatedclosetomelting pointusingmainlyACpowersources,inordertominimizemagneticdisturbanceofthe electricarc.Depositionratesupto14kg/hcanbeattainedwiththisprocess.Ithasbeen usedinheavywallfabrication,maintaininghighjointintegrity .Theuseofadual-shieldingGTAWtechnique,whereanadditionalconcentricgas shieldgivesanincreaseinconstrictionandstiffnessoftheelectricarc,maybeused to in creaseweldingspeedandpenetrationdepth.Constrictionofthearcisproducedbythe externalcoldgasflowwhichdecreasestemperatureoftheouterpartofthearc,decreasingthearccrosssectionwherecurrentflowoccurs,consequentlyincreasing currentdensityandtemperature.Electrodegasandannulargasmaybeofthesameorof differentcompositions,suchasArgonplus5%hydrogenforinternalgasandargonfor externalgaswhenweldingausteniticstainlesssteels.Thistechniquealsotendsto increasetheriskofundercut.Veryhighcurrents(1I300A)mayalsobeusedina conventionalautomatedGTAWprocesstoincreasethepenetrationdepth,butdefects mayformandtheprocessbecomesunstableabove500AThekeyholemodegas tungstenarcweldingprocess,whichwasdevelopedafewyearsago,seemstobe suitableforferrousandnon-ferr
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