【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3。 28 4 送絲機(jī)構(gòu) 29 5 外形尺寸 30 附錄 B： 焊接機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 31 1 基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及大臂俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 31 2 大臂小臂聯(lián)接部分小臂俯仰設(shè)計(jì)圖 32 3 小臂旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)圖 33 4 手腕俯仰機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)圖 33 5 腕部頂端法蘭連接部分設(shè)計(jì)圖 34 附錄 C： 焊接機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖 35 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 36 中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 前言 在科技日益發(fā)達(dá)的今天，機(jī)器人已逐步進(jìn)入人類的生產(chǎn)生活當(dāng)中。當(dāng)初只能在電視電影上看到的機(jī)器人，那些能 夠舉起千斤重物的機(jī)器人，能夠在墻上飛檐走壁的機(jī)器人。在我們這個(gè)時(shí)代已經(jīng)不是夢(mèng)想，在大街上我們可以看到爬壁機(jī)器人的高空作業(yè)，在深海機(jī)器人又可以代替人類考察，甚至上月球進(jìn)行研究考察數(shù)據(jù)。這些機(jī)器人將在我們的生活中越來越平凡。 在工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器人更有人類難以取代的位置。機(jī)器人可以在惡劣的環(huán)境下代替人類工作，機(jī)器人不會(huì)覺得累。在焊接方面機(jī)器人更是做的比較出色。對(duì)于線條、點(diǎn)面進(jìn)行的焊接精確度是相當(dāng)?shù)母?。焊接機(jī)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(gè)精度高，機(jī)構(gòu)精巧的焊接機(jī)器人是必不可少的。 選 題的背景及意義 選題的背景 機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的機(jī)器人。在惡劣的環(huán)境中機(jī)器人可以代替人類完成絕大部分的工作，因此工業(yè)機(jī)器人在高溫、低溫、缺氧、等環(huán)境中應(yīng)用較多。焊接機(jī)器人的應(yīng)用在半自動(dòng)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(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的應(yīng)用不少，但是國(guó)人自主研發(fā)的焊接機(jī)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(guó)外技術(shù)生產(chǎn)的機(jī)器人。就國(guó)內(nèi)國(guó)人自足研發(fā)焊接機(jī)器人，其重要部件如電機(jī)等還是需要向外國(guó)訂購(gòu) 。從這方面可以看出，雖然中國(guó)是一個(gè)大國(guó)，但工業(yè)發(fā)展還是落后與其他小國(guó)家的。 不管國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)于焊接機(jī)器人的需求都是很大的，擁有一款好的焊接機(jī)器人將在焊接行業(yè)占領(lǐng)主導(dǎo)地位。從 20 世紀(jì) 90 年代以來，計(jì)算機(jī)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(jī)器人當(dāng)中。使焊接機(jī)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(dòng)生產(chǎn)率、穩(wěn)定和提高生產(chǎn)質(zhì)量、改善勞動(dòng)強(qiáng)度可在有害環(huán)境工作、縮短了產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。設(shè)計(jì)一款自主研發(fā)、精度又高的機(jī)器人是十分 有意義的。無論是為了國(guó)內(nèi)的工業(yè)發(fā)展，還是為了全球工業(yè)化速度的推進(jìn)，焊接機(jī)器人作為機(jī)器人的典型代表，要是能夠設(shè)計(jì)出一款新型的焊接機(jī)器人將是機(jī)器人行業(yè)的一大亮點(diǎn)，能夠造福整個(gè)機(jī)械行業(yè)。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 需解決的主要問題 了解焊接機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中的意義和該類機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)焊機(jī)機(jī)器人的原理、構(gòu)造、控制電路、運(yùn)動(dòng)軌跡有全面的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電機(jī)分配有全面的把握。對(duì)該課題進(jìn)行深入的分析，選擇實(shí)現(xiàn)方便、穩(wěn)定、安全、高效的方案，完成小型焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)小型焊接機(jī)器人需解決的問題有： 1) 需要對(duì) 小型焊接機(jī)器人的整個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)思； 2) 通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇合適的電機(jī)； 3) 根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)； 4) 需要對(duì)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及零件進(jìn)行校核； 5) 完成焊接部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)焊接； 6) 學(xué)習(xí)繪圖軟件，如 Solidworks、 AutoCAD 繪制部分裝配圖三維圖。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 焊接機(jī)器人方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)介 焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由如下幾部分組成：機(jī)械手、變位機(jī)、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(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè)備等。典型的焊接機(jī)器人組成如圖 所示 ： 圖 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手是焊接機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、連桿傳動(dòng)機(jī)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(jì)與比較，發(fā)現(xiàn)在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下面具有 6 個(gè)自由度的機(jī)器人工作范圍是相對(duì)比較大的 ， 關(guān)鍵是在機(jī)器運(yùn)行中精度比較高 。 所以在生產(chǎn)方面應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。 為了配合焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，以及加快生產(chǎn)的進(jìn)度，給焊接機(jī)器人配一個(gè)變位機(jī)是十分有必要的。當(dāng)然，一般為了生產(chǎn)的進(jìn)度都是一臺(tái)焊接機(jī)器人配 2 臺(tái)變位機(jī)，一臺(tái)用作焊接時(shí)，另一臺(tái)這負(fù)責(zé)搬運(yùn)，當(dāng)搬運(yùn)的變位機(jī)焊接時(shí)，則焊接完畢的變位機(jī)由進(jìn)行搬 運(yùn)工作。這樣重復(fù)循環(huán)可以很好的利用時(shí)間，增加生產(chǎn)效率。 機(jī)器人控制器是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞， 如圖 所示。 它由計(jì)算機(jī)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(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷及自保護(hù)軟件等。控制器負(fù)責(zé)處理焊接機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。 焊接系統(tǒng)是焊接機(jī)器人完成作業(yè)的 必要 裝備，由焊鉗（點(diǎn)焊機(jī)器人）、焊槍（弧焊機(jī)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(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 4 并實(shí)現(xiàn)與本地計(jì)算機(jī)及手控盒的通訊聯(lián)系。 雖然在焊接機(jī)器人在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⒕忍岣叩搅俗铐敹?，按時(shí)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(jī)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(cè)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(jī)器人系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過熱自斷電保護(hù)、動(dòng)作超限位自斷電保護(hù)、超速自斷電保護(hù)、機(jī)器人系統(tǒng)工作空間干涉自斷電保護(hù)及人工急停等。 圖 機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞 焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 針對(duì)目前焊接機(jī)器人的普遍應(yīng)用于各機(jī)械行業(yè) ，且焊接機(jī)器人的構(gòu)造也有相當(dāng)大的改進(jìn)可以說目前的機(jī)器人已經(jīng)相當(dāng)理想不過對(duì)于機(jī)器人的改進(jìn)沒有最完美只有更完美。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的差異直接可以體現(xiàn)出機(jī)器人的使用價(jià)值。不同的焊接要求可以有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鑒于機(jī)器人的工作環(huán)境的要求，因此設(shè)計(jì)出以下三種方案。 方案一：導(dǎo)軌式焊接機(jī)器人。通過多副齒輪導(dǎo)軌控制焊機(jī)移動(dòng)達(dá)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(jī)器人焊接機(jī)可以在導(dǎo)軌上中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5上、下、左、右、前、后運(yùn)動(dòng)。優(yōu) 點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。缺點(diǎn)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(jī)器人。人之所以能活動(dòng)自如就因?yàn)槿松砩嫌性S許多多的關(guān)節(jié)。一個(gè)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成人體的上半身的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)將有助于實(shí)際焊接軌跡的應(yīng)用。此機(jī)器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，機(jī)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(gè)部分組成。 方案三：極坐標(biāo)焊接機(jī)器人。手臂有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè) 棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較復(fù)雜，占用空間較小，操作范圍大且靈活 。 通過對(duì)方案的比較 發(fā)現(xiàn)方案二跟適合設(shè)計(jì)要求。關(guān)節(jié)式機(jī)器人具有活動(dòng)靈活，焊接位置相對(duì)比較廣，定點(diǎn)比較準(zhǔn)確?？刹僮餍员容^強(qiáng)。所以最終確定方案二為本次設(shè)計(jì)對(duì)象。 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使機(jī)器人能夠清晰的展現(xiàn)出來，設(shè)計(jì)思路是先將機(jī)器人分成 3 個(gè)部分，即腰部、大臂、小臂與手腕。 腰部的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的腰部不僅要實(shí)現(xiàn)可以帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械主體進(jìn)行 360 度的旋轉(zhuǎn)，還需一端固定于一個(gè)基準(zhǔn)面。本次設(shè)計(jì)是將機(jī)器人設(shè)計(jì)為落地式的機(jī)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(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度。 腰部的上面 部分則是固定一個(gè)伺服電機(jī)，電機(jī)是連接大臂部分。腰部的大小是根據(jù)整體機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì)，故先將機(jī)器人的重量設(shè)定為 120kg~140kg 左右。當(dāng)然腰部的設(shè)計(jì)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(jì)的時(shí)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(huì)相差 5 至 6 度，這回嚴(yán)重影響生產(chǎn)要求。影響機(jī)身和臂不位置精度的因素有剛度之外，關(guān)鍵還是主要運(yùn)動(dòng)部件的制造跟裝配進(jìn)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(jì)的時(shí)候需要更加的仔細(xì)精確。精度也主要體現(xiàn)在機(jī)械傳動(dòng)是零件的精度。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 63) 平穩(wěn)性 機(jī)器在一定運(yùn)動(dòng)下多多少少會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)，這勢(shì)必會(huì)影響機(jī)器人的焊點(diǎn)的定位。為了使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)器的動(dòng)能，可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)C(jī)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(dāng)然機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局也挺重要，在設(shè)計(jì)的時(shí)候還是需要謹(jǐn)慎思考的。圖 是腰部部分結(jié)構(gòu)圖 腰部是有一個(gè)電機(jī)連接一個(gè)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(gè)軸承，通過電機(jī)帶動(dòng)小齒輪提供動(dòng)力，帶動(dòng)大齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，使腰部可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。初步設(shè)計(jì)機(jī)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(jì) 機(jī)器人的大臂部分相對(duì)于腰部的設(shè)計(jì)少了固定的基座，但是大臂的設(shè)計(jì)兩端個(gè)需要聯(lián)接 腰部跟小臂，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較精巧，其大臂部分跟腰基聯(lián)接的部分也有一個(gè)俯仰的動(dòng)作的，以及大臂跟小臂聯(lián)接部分也有一個(gè)俯仰的動(dòng)作，故有兩個(gè)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(qiáng)調(diào)過了這邊就不在重復(fù)敘述了。圖 是大臂的設(shè)計(jì)圖。預(yù)計(jì)將大臂的長(zhǎng)度設(shè)為600mm，供后面的設(shè)計(jì)作參考。 大臂的兩端基本上是一個(gè)對(duì)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(jī)提供給小齒輪俯仰動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。兩邊機(jī)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(jì) 機(jī) 器人的小臂跟機(jī)器人的大臂有點(diǎn)類似，除了形狀有點(diǎn)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(gè)動(dòng)作，故有一個(gè)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(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 大臂結(jié)構(gòu)主視圖及俯視圖 兩個(gè)自由度。其小臂跟