1、焊接机器人毕业设计说明书 副本 摘 要随着科学技术的全面发展和工业需求的大幅增加，焊接这门科学技术在工业生产中所占分量也越来越大，而且焊接技术的优良好坏程度直接决定着零件或产接生产的总体量需求相差较远。因此，大力发展研究并推广焊接机器人的这门技术已经成为趋势。本次设计的要点是运用机械原理和机械制造的设计方法设计焊接机器人。此次设计，是在充分了解焊接机器人在国内外的研究现状的基础上，进而更好的掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行运动学分析和结构设计。运用液压系统控制，合理布置了液压缸。同时了解机器人机械结构运动学及运动控制学。并且为工业上焊接机器人的设计和研发提供理论、设计和数据
2、上的参考，也为工业设计者们提供设计所需的理论和设计实践的参考依据。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳等的特点。关键字：焊接机器人 液压系统 机械机构设计 AbstractIn the 21st century with the sharp increase in the overall development of science and technology and industrial demand , this science of welding technology in the share component of industrial production is also
3、growing, and excellent quality of the degree of welding technology directly determines the quality of parts or products. Now the domestic development and application of welding robots , though has a certain scale , but the overall amount of welding production demands are far away . Therefore , to de
4、velop and promote the study of this technology welding robot has become a trend.The point is to use the design principles and design mechanical design mechanical manufacturing welding robot . The design is fully aware of the welding robot at home and abroad on the basis of research on the status quo
5、 , and thus a better grasp of welding robots internal structure and working principle , and the arm and wrist kinematics analysis and structural design. The use of a hydraulic system control, reasonable layout of the hydraulic cylinder. While understanding the mechanical structure of the robot kinem
6、atics and motion control school . And provide a reference theory, design , and data on industrial welding robots for the design and development , but also provide theoretical and practical design reference design required for industrial designers . The robot has a rigid , high position accuracy , sm
7、ooth operation and other characteristics.Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design第1章 引言 焊接机器人是从事焊接（包括切割和喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊
8、钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。自从世界上第一台工业机器人于年在美国诞生以来，机器人的使用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的使用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环
9、境协调地工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人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。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高
10、，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广使用带来了契机。减少员工和增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一
11、些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的使用在各行各业得到飞速发展。焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛使用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止年，全世界在役工业机器人约为万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增加，仅年就达万台。我国自上世纪年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发
12、展，在技术和使用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过，焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，其中绝大多数使用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量的，远小于韩国所占的5，更远小于日本所占的69。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人使用程度的提高受到限制
13、。当前焊接机器人的使用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人使用及发展前景空间巨大据不完全统计，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。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛使用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和使用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其
14、是制造业的发展起到了重要的推动作用。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程和路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整
15、机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还使用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟使用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机
16、器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者和机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功使用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际使用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器
17、人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模使用，弧焊机器人己使用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程使用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人使用工程起步较晚，使用领域窄，生产线系统技术和国外比有差距;在使用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是使用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质
18、量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机四自由度机器人结构设计及控制实现:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发使用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发使用方面则刚刚起步，和国外先进水平差
19、距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中新中国成立后，经过50年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展使用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化和自动化程度已达到20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化和自动化程度已达到40%45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化和自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。第2章
20、 焊接机器人的总体方案此次设计的目的是设计一台焊接机器人，本章节主要对焊接机器人的机械结构系统部分进行研究、设计和分析。2.1 焊接机器人总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段： (1) 系统分析阶段1）根据焊接机器人系统索要实现的目标，明确所采用机器人的目的和任务；2）分析机器人所在系统的工作环境；3) 根据焊接机器人的工作要求和工作环境，基本上确定机器人的功能和方案。例如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、承受力矩、动作精度的要求、容许的运动范围、静动载荷以及对温度、震动等环境的适应性。 (2) 技术设计阶段1）根据系统的要求来确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人
21、的坐标形式和工作方式；2）拟订机器人的运动路线和空间作业图；3）确定驱动系统的类型；4）选择各部件的具体结构以及尺寸，进行机器人总装图的设计和装配；5）绘制机器人的零件图，并确定尺寸。2.2 焊接机器人自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各机器人系统运动部件在三维空间就是固定坐标系所具有的独立运动数，对于每一个构件来讲，它有几个运动坐标就说明其有几个自由度。各运动部件和机构自由度的总和就是机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样灵活的完成各种动作是比较困难的，因为人的手是由手指、掌、腕、臂等19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践过程中没有必要需要机器人的手有这么多的自由度一般为3
22、-6个（不包括手部）此次设计的焊接机器人为4自由度，四个自由度分别为：腕部的回转；小臂部分的伸缩；大臂部分的回转；大臂部分的伸缩。按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆、动的自由度。工业实践机器人的结构形式主要有直角坐标型结构、圆柱坐标型结构、球坐标型结构、关节型结构四种。各结构形式及都有其相应的特点和优点，分别介绍如下:(1) 直角坐标机器人结构直角坐标机器人的
23、空间运动主要是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)所示。由于直线运动是最易于实现全闭环的位置控制的一种运动，因此，直角坐标机器人可以达到非常高的位置精度（微米级）。但是，由于这种直角坐标机器人的运动空间相比于其他机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。所以，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸就可能要比其他几种类型的机器人的结构尺寸大得很多。直角坐标机器人的工作空间整天上来说是一个空间长方体。直角坐标机器人主要是用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人总共有以下几种结构类型的：悬臂式，龙门式，天车式三种结构3。(2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人系统的空间运动在原理上可以
24、用一个空间的回转运动以及两个直线运动加以实现的，如图2-1（b）。这种机器人结构相对比较简单，精度也不是很高，经常用于搬运作业。其工作空间是一个呈圆柱状的空间。(3) 球坐标机器人结构球坐标机器人系统的空间运动可以看为两个空间的回转运动和一个直线运动，参见图2-1（c）。这种机器人相比于其他类型的机器人其比较结构简单、成本较低，但精度不是很高。主要用在搬运作业。工作空间呈一个类球形的空间3。(4) 关节型机器人结构关节型机器人系统的空间运动是由三个空间回转运动实现的，参见图2-1（d）。关节型机器人有以下几个优点：动作灵活，结构紧凑，占地面积小。但是相对机器人本体尺寸，、因此其工作空间比较大。
25、这种机器人在工业中使用十分广泛并且在生活中也较为常见，例如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛运用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有两种类型水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在工业实际生产中的用途，此次设计的焊接机器人采用是第一种机器人即直角坐标型机器人。图2-1 四种机器人坐标形式2.3 焊接机器人传动方案论证焊接机器人（直角坐标型）的驱动方式有液压式、气动式和电动机式三种。(1) 液压驱动:是指动源发动机或者电机驱动液压油泵产生压力油，压力油的压力能再去驱动液压马达，由液压马达产生并且提供机器需要的动力。是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、
26、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高(2) 气动驱动常用于开关控制和顺序控制的机器人，相比于液压驱动的机器人 ，气动驱动由于压缩空气动力粘度和动力粘度都相对较小，并且空气的摩擦力较小，因此气动驱动的机器人容易达到高速；因为可利用工厂集中空气体压缩机站的设备提供所需要的气体，大大的减少了动力和驱动设备；而且空气介质不会污染环境，价格相对也较为便宜，并且安全在极端的温度下都可以正常工作，比较
27、适合焊接这种高温作业，空气取之不尽用之不竭，相对于液压驱动气压驱动更为廉价，因而气动驱动元件比液压元件价格低。是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作(3) 电机驱动可分为交流电动机驱动，交流伺服电动驱动、直流伺服电动机驱动以及步进电动机驱动。随着科学技术的发展，材料性能的提高，电动机也得到很大的提高，各方面的性能也在随之提
28、高并且电动机使用起来更加简单方便，所以就目前来看，机器人驱动已经渐渐变为电动机驱动式所代替。即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前景。机械传动机械手驱动方式：即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可以变。表2-1 三种驱动系统的比较内容驱动方式液压驱动
29、气动驱动电机驱动输出力压力高，可获得阿大的输出力和输是出功率 压力相对要小，输出力和输发出功率小输出力较大控制性能利用液体的不其可压缩性，控制精度为较高，输出功率大，可让无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩体性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，要难以实现高速、高精度的连也续轨迹控制要求也控制精度高，并且功率较大，可以做到精确定位，反拍应灵敏快速，可灵敏实现高速、高精度和连续轨迹控制，伺服特性更好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构简单，执行机构可以标准化、模拟化，容易实现直接驱动。功率/质量比较大，体积小，结构紧凑，密封问题较大，装配较为困难结构适当，执行机构可标
30、准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机更加容易标准化，结构性能好，噪声低，其电动机通常情况下需配置减速装置，除DD电动机外，都难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能很好，用液压油作为传动介质，在一定条件下存在着火灾的危险防爆性能较好，高于10000kPa（一百个大气压）时应当注意设备的抗压性能设备本身无爆炸和火灾危险，但是直流有刷电动机换向时有火花，因此对环境防爆性能比较差对环境影响液压系统比较容易漏油，对环境有污染排气时有噪声无续表2-1内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动在工业机械手中的使用范围常适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适
31、用于喷涂切割机械手、电焊机械手和托运机械手通常适用于中小负载驱动和精度要求较低的以及有限点位程序控制机械手比较适用于中小负载、具有较高要求位置控制精度和轨迹控制精度很高、速度较高的机械手成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用使用方便，但是油液对环境温度有较高要求方便较复杂2.4 焊接机器人的组成 焊接机器人主要是由执行机构、驱动机构以及控制机构这三部分组成。2.4.1 执行机构 （1）手部手部不仅直接参和工件接触的部分，工业从生产一般都是回转型或平动型的，多为回转型，因为回转型结构简单。手部比较常见的是两指（也有多指）；当然这也要根据需要，一般可以分为外抓式和内抓式这两种；也要根据生产实践
32、的需要，可以采用负压式、真空式的以及空气吸盘，空气吸盘的主要作用是可以吸附在光滑表面的零件或薄板零件和电磁吸盘。此次毕业设计是焊接机器人系统设计，所以手部并没有其他结构，仅仅只有一个焊枪而已，通过螺栓固定于腕来部末端。 （2）腕部腕部是联通着手部和臂部的重要部件，而且可以用来小范围调节焊枪的方位和焊枪的姿态，可以适度扩大焊枪的工作范围和工作空间，还可以使手部变的更方便和灵敏，提高工件和机器人的适应性。手腕一般会设计独立的自由度。有空间回转运动、上下摆动以及左右摆动。工业生产过程中一般腕部只设有回转运动在这基础上再加一个上下摆动就可以满足工作需求，但是有的时候有些动作为了简单而专门设计了专用的机械手，为了简化系统结构，也可以不设计腕部，可以直接用手臂部分完成所有并驱动手部搬运工件。考虑到机械手的通用性
