【正文】 ........................................................................................... 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)編程的自動控制操作機(jī)（ Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個軸的機(jī)械接口，通常是一個連接法蘭，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)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了 90 年代，隨著計算機(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格卻不斷下降。在西方社會，和機(jī)器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶 來了不小的壓力，而機(jī)器人價格指數(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)到某一平衡點的時候，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)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。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，從長遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機(jī)器人價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，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、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，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)。我國自上個世紀(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)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。 從目前國內(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)等七個方面 。 新中國成立后，經(jīng)過 50 年的艱苦努力，中國焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動化技術(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)械等國家重點骨干企業(yè)，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動化焊機(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)械化與自動化技術(shù)達(dá)到了國際 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)計的目的是為了設(shè)計一臺焊接機(jī)器人，本章主要對焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計和分析。 總體設(shè)計的思路 設(shè)計機(jī)器人大體上可分為兩個階段： (1) 系統(tǒng)分析階段 錯誤 !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、信息的存儲量、計算機(jī)功能、動作精度的要求、容許的運(yùn)動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。 (2) 技術(shù)設(shè)計階段 錯誤 !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； 錯誤 !未找到引用源。 擬訂機(jī)器人的運(yùn)動路線和空間作業(yè)圖； 錯誤 !未找到引用源。 確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型； 錯誤 !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； 錯誤 !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)動自由度是指各運(yùn)動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)動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運(yùn)動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運(yùn)動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作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由 19個關(guān)節(jié)組成，共有 27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為 36個（不包括手部）。本次設(shè)計的焊接機(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，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)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖21(a)所示。由于直線運(yùn)動易于實現(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 ） 。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，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)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖 21（ b） 。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 (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)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來 實現(xiàn)的，如圖21（ c） 。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間 錯誤 !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)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的，如圖 21（ d） 。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(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)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計的焊接機(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)動方式有液壓式、氣動式和電動機(jī)式。 (1) 液壓驅(qū)動 :是指動源（發(fā)動機(jī)或電機(jī)）驅(qū)動油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)器需要的動力。 (2) 氣動驅(qū)動多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，與液壓驅(qū)動相比較，氣動驅(qū)動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，相對于油液廉價，故氣動驅(qū)動元件比液壓元件價格低 …… (3) 電機(jī)驅(qū)動可分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。隨著材料性能的提高，電動機(jī)性能也在隨之提高并且電動機(jī)使用簡單，所以就目前來看，機(jī)器人驅(qū)動正逐步為電動機(jī)驅(qū)動式所代替。 表 21 三種驅(qū)動系統(tǒng)的比較 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動 輸出力 壓力高，可獲得大的輸出力 壓力相對要小，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，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機(jī) 易標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 6 安全性 防爆性能好，用液壓油作為傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于1000kPa（十個大氣壓）時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)換向時有火花，對環(huán)境防爆性能較差 對環(huán)境影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、電焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手 適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)械手 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 焊接機(jī)器人的組成 焊接機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣 吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 本設(shè)計為焊接機(jī)器人設(shè)計，因此手部并無其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。 （ 2）腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴(kuò)大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作 7 要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī) 構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700） ,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的焊接機(jī)器人的腕部是利用液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 設(shè)計的焊接機(jī)器人的腕部的運(yùn)動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在 00 90~90 ?? 范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖 22 所示。 圖 22 腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖 腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動 的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。 機(jī)器人手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 是 由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn) 的 。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。 （ 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到直線運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮 運(yùn)動。 臂部的運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的前后伸縮運(yùn)動。臂部的運(yùn)動參數(shù)： 伸縮行程： 1850mm； 伸縮速度： 1200mm/s~1400mm/s。機(jī)器人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐