【文章內(nèi)容簡介】 3。 28 4 送絲機構(gòu) 29 5 外形尺寸 30 附錄 B： 焊接機器人傳動機構(gòu)設(shè)計圖 31 1 基座旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及大臂俯仰機構(gòu)設(shè)計圖 31 2 大臂小臂聯(lián)接部分小臂俯仰設(shè)計圖 32 3 小臂旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計圖 33 4 手腕俯仰機構(gòu)及旋轉(zhuǎn)設(shè)計圖 33 5 腕部頂端法蘭連接部分設(shè)計圖 34 附錄 C： 焊接機器人整體設(shè)計圖 35 學位論文數(shù)據(jù)集 36 中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒論 前言 在科技日益發(fā)達的今天，機器人已逐步進入人類的生產(chǎn)生活當中。當初只能在電視電影上看到的機器人，那些能 夠舉起千斤重物的機器人，能夠在墻上飛檐走壁的機器人。在我們這個時代已經(jīng)不是夢想，在大街上我們可以看到爬壁機器人的高空作業(yè)，在深海機器人又可以代替人類考察，甚至上月球進行研究考察數(shù)據(jù)。這些機器人將在我們的生活中越來越平凡。 在工業(yè)生產(chǎn)中機器人更有人類難以取代的位置。機器人可以在惡劣的環(huán)境下代替人類工作，機器人不會覺得累。在焊接方面機器人更是做的比較出色。對于線條、點面進行的焊接精確度是相當?shù)母?。焊接機器人的質(zhì)量直接就決定了生產(chǎn)制造出的產(chǎn)品的質(zhì)量，所以制造一個精度高，機構(gòu)精巧的焊接機器人是必不可少的。 選 題的背景及意義 選題的背景 機器人在現(xiàn)代化生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是工業(yè)機器人的應(yīng)用。工業(yè)機器人是一種多用途的機器人。在惡劣的環(huán)境中機器人可以代替人類完成絕大部分的工作，因此工業(yè)機器人在高溫、低溫、缺氧、等環(huán)境中應(yīng)用較多。焊接機器人的應(yīng)用在半自動化生產(chǎn)中比較廣泛，如汽車外殼、底盤的生產(chǎn)等。 從大角度來看國內(nèi)焊接機器人的應(yīng)用不少，但是國人自主研發(fā)的焊接機器人還是比較薄弱的，在生產(chǎn)中大多用的是德系，日系等國外技術(shù)生產(chǎn)的機器人。就國內(nèi)國人自足研發(fā)焊接機器人，其重要部件如電機等還是需要向外國訂購 。從這方面可以看出，雖然中國是一個大國，但工業(yè)發(fā)展還是落后與其他小國家的。 不管國內(nèi)還是國外對于焊接機器人的需求都是很大的，擁有一款好的焊接機器人將在焊接行業(yè)占領(lǐng)主導(dǎo)地位。從 20 世紀 90 年代以來，計算機的迅速發(fā)展，人工智能、傳感器技術(shù)等大部分新型技術(shù)都應(yīng)用到了焊接機器人當中。使焊接機器人越來越接近人工智能，焊接技術(shù)也越來越高。 選題的意義 為了提高勞動生產(chǎn)率、穩(wěn)定和提高生產(chǎn)質(zhì)量、改善勞動強度可在有害環(huán)境工作、縮短了產(chǎn)品改型換代的準備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。設(shè)計一款自主研發(fā)、精度又高的機器人是十分 有意義的。無論是為了國內(nèi)的工業(yè)發(fā)展，還是為了全球工業(yè)化速度的推進，焊接機器人作為機器人的典型代表，要是能夠設(shè)計出一款新型的焊接機器人將是機器人行業(yè)的一大亮點，能夠造福整個機械行業(yè)。 中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 需解決的主要問題 了解焊接機器人實際應(yīng)用中的意義和該類機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，對焊機機器人的原理、構(gòu)造、控制電路、運動軌跡有全面的認識，以及對機器人的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電機分配有全面的把握。對該課題進行深入的分析，選擇實現(xiàn)方便、穩(wěn)定、安全、高效的方案，完成小型焊接機器人的設(shè)計。 設(shè)計小型焊接機器人需解決的問題有： 1) 需要對 小型焊接機器人的整個結(jié)構(gòu)的構(gòu)思； 2) 通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇合適的電機； 3) 根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的傳動結(jié)構(gòu)； 4) 需要對設(shè)計的傳動機構(gòu)及零件進行校核； 5) 完成焊接部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)焊接； 6) 學習繪圖軟件，如 Solidworks、 AutoCAD 繪制部分裝配圖三維圖。 中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 焊接機器人方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 焊接機器人系統(tǒng)的組成簡介 焊接機器人系統(tǒng)一般由如下幾部分組成：機械手、變位機、控制器、焊接系統(tǒng)（專用焊接電源、焊槍或焊鉗等）、焊接傳感器、中央控制計算機和相應(yīng)的安全設(shè)備等。典型的焊接機器人組成如圖 所示 ： 圖 焊接機器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 機械手是焊接機器人的執(zhí)行機構(gòu)，它由驅(qū)動器、連桿傳動機構(gòu)、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器（編碼盤）等組成。 通過前人的設(shè)計與比較，發(fā)現(xiàn)在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下面具有 6 個自由度的機器人工作范圍是相對比較大的 ， 關(guān)鍵是在機器運行中精度比較高 。 所以在生產(chǎn)方面應(yīng)用是相當廣泛的。 為了配合焊接機器人的運動，以及加快生產(chǎn)的進度，給焊接機器人配一個變位機是十分有必要的。當然，一般為了生產(chǎn)的進度都是一臺焊接機器人配 2 臺變位機，一臺用作焊接時，另一臺這負責搬運，當搬運的變位機焊接時，則焊接完畢的變位機由進行搬 運工作。這樣重復(fù)循環(huán)可以很好的利用時間，增加生產(chǎn)效率。 機器人控制器是整個機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞， 如圖 所示。 它由計算機硬件、軟件和一些專用電路組成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學及動力學軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷及自保護軟件等?？刂破髫撠熖幚砗附訖C器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。 焊接系統(tǒng)是焊接機器人完成作業(yè)的 必要 裝備，由焊鉗（點焊機器人）、焊槍（弧焊機器人）、焊接控制器及水、電、氣等輔助部分 構(gòu) 成。焊接控制器可根據(jù)預(yù) 先 的焊接監(jiān)控程序，完成焊接 數(shù)據(jù) 輸入、焊 接程序控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷，中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計 (論文） 4 并實現(xiàn)與本地計算機及手控盒的通訊聯(lián)系。 雖然在焊接機器人在設(shè)計的時候?qū)⒕忍岣叩搅俗铐敹耍磿r由于環(huán)境等因素導(dǎo)致焊接結(jié)果不是很理想，為了提高焊接的精度，給焊接機器人安裝部分傳感器是必要的。例如視覺傳感器，操作人員可以通過屏幕觀測焊接質(zhì)量是否合格。還有其他傳感器，例如焊縫跟蹤傳感器，可以很好的提高精度。 安全設(shè)備是焊接機器人系統(tǒng)安全運行的重要保障，主要包括驅(qū)動系統(tǒng)過熱自斷電保護、動作超限位自斷電保護、超速自斷電保護、機器人系統(tǒng)工作空間干涉自斷電保護及人工急停等。 圖 機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞 焊接機器人的設(shè)計方案 針對目前焊接機器人的普遍應(yīng)用于各機械行業(yè) ，且焊接機器人的構(gòu)造也有相當大的改進可以說目前的機器人已經(jīng)相當理想不過對于機器人的改進沒有最完美只有更完美。機器人的結(jié)構(gòu)的差異直接可以體現(xiàn)出機器人的使用價值。不同的焊接要求可以有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，鑒于機器人的工作環(huán)境的要求，因此設(shè)計出以下三種方案。 方案一：導(dǎo)軌式焊接機器人。通過多副齒輪導(dǎo)軌控制焊機移動達到焊接的目的，導(dǎo)軌可根據(jù)生產(chǎn)需求跟空間要求安裝齒輪導(dǎo)軌。機器人焊接機可以在導(dǎo)軌上中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5上、下、左、右、前、后運動。優(yōu) 點具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。缺點是占用空間位置，焊接位置具有局限性。 方案二：關(guān)節(jié)式焊接機器人。人之所以能活動自如就因為人身上有許許多多的關(guān)節(jié)。一個人的腰部以上包括腰部到手指幾乎能觸及到以手臂為半徑的球體范圍。所以將機械結(jié)構(gòu)設(shè)計成人體的上半身的機械臂結(jié)構(gòu)將有助于實際焊接軌跡的應(yīng)用。此機器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，機器人主體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由腰部、大臂、小臂、腕部等幾個部分組成。 方案三：極坐標焊接機器人。手臂有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個 棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標配置，運動學模型較復(fù)雜，占用空間較小，操作范圍大且靈活 。 通過對方案的比較 發(fā)現(xiàn)方案二跟適合設(shè)計要求。關(guān)節(jié)式機器人具有活動靈活，焊接位置相對比較廣，定點比較準確?？刹僮餍员容^強。所以最終確定方案二為本次設(shè)計對象。 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使機器人能夠清晰的展現(xiàn)出來，設(shè)計思路是先將機器人分成 3 個部分，即腰部、大臂、小臂與手腕。 腰部的設(shè)計 機器人的腰部不僅要實現(xiàn)可以帶動整個機械主體進行 360 度的旋轉(zhuǎn)，還需一端固定于一個基準面。本次設(shè)計是將機器人設(shè)計為落地式的機器人，所以腰部的一端是需要帶底盤的，并且可以很好的固定在地面上。所以腰部只有一個旋轉(zhuǎn)的自由度。 腰部的上面 部分則是固定一個伺服電機，電機是連接大臂部分。腰部的大小是根據(jù)整體機器人的大小以及重量等因素來確定腰部基座的大小，由于是小型焊接機器人的設(shè)計，故先將機器人的重量設(shè)定為 120kg~140kg 左右。當然腰部的設(shè)計還需要考慮剛度、精度、平穩(wěn)性。 1) 剛度 剛度是指在外力作用下抵抗形變的能力。剛度越大形變量就越小，所以為了提高剛度應(yīng)合理的選擇界面形狀的輪廓尺寸。由于腰部不僅受到彎力，還受到扭轉(zhuǎn)力。故在設(shè)計的時候需要選擇抗彎力跟抗扭轉(zhuǎn)力較大的截面形狀。剛度不僅在外形結(jié)構(gòu)上，在零件上也需要注意。 2) 精度 雖然是腰部的精度，但 失之毫厘謬以千里，要是腰部相差一度角在手臂上可能會相差 5 至 6 度，這回嚴重影響生產(chǎn)要求。影響機身和臂不位置精度的因素有剛度之外，關(guān)鍵還是主要運動部件的制造跟裝配進度，腕的部分在臂上的定位跟聯(lián)接放似乎也具有一定的影響。所以設(shè)計的時候需要更加的仔細精確。精度也主要體現(xiàn)在機械傳動是零件的精度。 中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 63) 平穩(wěn)性 機器在一定運動下多多少少會產(chǎn)生一定的沖擊和振動，這勢必會影響機器人的焊點的定位。為了使機器人在運動時盡可能的平穩(wěn)需采取緩沖裝置吸收能量，還有一方面就是需要減少機器的動能，可以在設(shè)計的時候?qū)C器做的更緊湊一些控制好質(zhì) 量，以減少慣性力所帶來的影響。 當然機械結(jié)構(gòu)的布局也挺重要，在設(shè)計的時候還是需要謹慎思考的。圖 是腰部部分結(jié)構(gòu)圖 腰部是有一個電機連接一個聯(lián)軸器去連接軸，在軸上安裝小齒輪，在軸的另一端連接一個軸承，通過電機帶動小齒輪提供動力，帶動大齒輪運轉(zhuǎn)，使腰部可以自由轉(zhuǎn)動。初步設(shè)計機器人腰部的尺寸為高 400mm，寬度及厚度為 400mm 的基礎(chǔ)模型，這邊高度是未加入基座的高度尺寸。 圖 腰部部分結(jié)構(gòu)示意圖 大臂部分設(shè)計 機器人的大臂部分相對于腰部的設(shè)計少了固定的基座，但是大臂的設(shè)計兩端個需要聯(lián)接 腰部跟小臂，其結(jié)構(gòu)設(shè)計比較精巧，其大臂部分跟腰基聯(lián)接的部分也有一個俯仰的動作的，以及大臂跟小臂聯(lián)接部分也有一個俯仰的動作，故有兩個自由度。同樣的大臂部分的剛度、精度、平穩(wěn)性也十分的重要。由于上面已經(jīng)強調(diào)過了這邊就不在重復(fù)敘述了。圖 是大臂的設(shè)計圖。預(yù)計將大臂的長度設(shè)為600mm，供后面的設(shè)計作參考。 大臂的兩端基本上是一個對稱結(jié)構(gòu)，一端是帶有軸承跟大齒輪的大臂俯仰端，另一端是帶有電機提供給小齒輪俯仰動力的機構(gòu)。兩邊機構(gòu)基本一樣，這樣就可以滿足大臂跟小臂的俯仰需求。 小臂部分及手腕部 分設(shè)計 機 器人的小臂跟機器人的大臂有點類似，除了形狀有點不一樣，其功能跟大臂也基本一樣。小臂的一端是連接大臂，另一端是連接手腕部分。小臂這需要做旋轉(zhuǎn)一個動作，故有一個自由度。手腕部分也需要旋轉(zhuǎn)跟俯仰也跟小臂一樣擁有 中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 大臂結(jié)構(gòu)主視圖及俯視圖 兩個自由度。其小臂跟