【正文】 ................................................................ 19 本章小結(jié) ............................................................................................... 20 第 5 章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 ........................................................................ 21 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) .................................................................................... 21 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................... 22 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 ........................................................................... 23 手臂偏重力矩的計(jì)算 ................................................................ 23 升降不自鎖條件分析計(jì)算 ........................................................ 24 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ................................ 24 軸承的選擇分析 ................................................................................... 25 本章小結(jié) ............................................................................................... 25 總結(jié) ...................................................................................................................... 26 致謝 ...................................................................................................................... 27 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 28 1 第 1 章 引言 焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（ Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱 末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。 從機(jī)器人誕生到本世紀(jì) 80 年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過程。到了 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企業(yè)帶 來了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的 應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。 焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì) 70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。 從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看 ，焊接 機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離 線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面 。 新中國(guó)成立后，經(jīng)過 50 年的艱苦努力，中國(guó)焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過程機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到 20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到 40%～ 45%。在機(jī)床、鍋爐、汽車、化工機(jī)械、工程機(jī)械和重 2 型機(jī)械等國(guó)家重點(diǎn)骨干企業(yè)，通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動(dòng)化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和 柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機(jī)械化與自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到了國(guó)際 90 年代初的先進(jìn)水平，進(jìn)入世界先進(jìn)之列。 3 第 2 章 焊接機(jī)器人的總體方案 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)焊接機(jī)器人，本章主要對(duì)焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。 總體設(shè)計(jì)的思路 設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段： (1) 系統(tǒng)分析階段 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由 度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。 (2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人 的坐標(biāo)形式； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè) 計(jì)； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來說，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种?、掌、腕、臂?19個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有 27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為 36個(gè)（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人為 4自由度即： 腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸 縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下 : (1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 4 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖21(a)所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度 （ μm級(jí) ） 。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺 寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 (2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖 21（ b） 。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來 實(shí)現(xiàn)的，如圖21（ c） 。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 (4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 21（ d） 。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型 和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人采用直角坐標(biāo)。 圖 21 四種機(jī)器人坐標(biāo) 形式 傳動(dòng)方案論證 a)直角坐標(biāo)型 b)圓柱坐標(biāo)型 c)球坐標(biāo)型 d)關(guān)節(jié)型 5 焊接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)機(jī)式。 (1) 液壓驅(qū)動(dòng) :是指動(dòng)源（發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)）驅(qū)動(dòng)油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)器需要的動(dòng)力。 (2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，與液壓驅(qū)動(dòng)相比較，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)由于壓縮空氣粘度小，所以容易達(dá)到高速；由于可利用工廠集中空氣壓縮機(jī)站供氣，減少了動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)不污染環(huán)境，安全高溫下可正 常工作；空氣取之不竭用之不盡，相對(duì)于油液廉價(jià)，故氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件比液壓元件價(jià)格低 …… (3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也在隨之提高并且電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，所以就目前來看，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)正逐步為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式所代替。 表 21 三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出力 壓力高，可獲得大的輸出力 壓力相對(duì)要小，輸出力小 輸出力較大 控制性能 利用液體的不可壓縮 性，控制精度較高