開題報告--焊接機器人總體設計

1、<p><b>　　焊接機器人總體設計</b></p><p>　　此次設計的目的是設計一臺焊接機器人，本文主要對焊接機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)部分進行研究、設計和分析。</p><p>　　1 焊接機器人總體設計的思路</p><p>　　設計機器人大體上可分為兩個階段：</p><p><b>　?。?

2、）系統(tǒng)分析階段</b></p><p>　　1）根據(jù)焊接機器人系統(tǒng)索要實現(xiàn)的目標，明確所采用機器人的目的和任務；</p><p>　　2）分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；</p><p>　　3) 根據(jù)焊接機器人的工作要求和工作環(huán)境，基本上確定機器人的功能和方案。例如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、承受力矩、動作精度的要求、容許的運動范圍、靜動載

3、荷以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。</p><p><b>　?。?）技術(shù)設計階段</b></p><p>　　1）根據(jù)系統(tǒng)的要求來確定機器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機器人的坐標形式和工作方式；</p><p>　　2）擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖；</p><p>　　3）確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型；</p

4、><p>　　4）選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)以及尺寸，進行機器人總裝圖的設計與裝配；</p><p>　　5）繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。</p><p>　　2 焊接機器人自由度和坐標系的選擇</p><p>　　機器人的運動自由度是指各機器人系統(tǒng)運動部件在三維空間就是固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于每一個構(gòu)件來講，它有幾個運動坐標就說明其有幾

5、個自由度。各運動部件和機構(gòu)自由度的總和就是機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣靈活的完成各種動作是比較困難的，因為人的手是由手指、掌、腕、臂等19個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐過程中沒有必要需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）此次設計的焊接機器人為4自由度，四個自由度分別為：腕部的回轉(zhuǎn)；小臂部分的伸縮；大臂部分的回轉(zhuǎn)；大臂部分的伸縮。</p><p>　　按機械手手臂的不同運

6、動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺、動的自由度。</p><p>　　工業(yè)實踐機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標型結(jié)構(gòu)、圓柱坐標型結(jié)構(gòu)、球坐標型結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及都有其相應的特點和優(yōu)點，

7、分別介紹如下:</p><p>　　(1) 直角坐標機器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　直角坐標機器人的空間運動主要是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動是最易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制的一種運動，因此，直角坐標機器人可以達到非常高的位置精度（微米級）。但是，由于這種直角坐標機器人的運動空間相比于其他機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。所以，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直

8、角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸就可能要比其他幾種類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得很多。</p><p>　　直角坐標機器人的工作空間整天上來說是一個空間長方體。直角坐標機器人主要是用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人總共有以下幾種結(jié)構(gòu)類型的：懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)[3]。</p><p>　　(2) 圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　圓柱坐標機器人系統(tǒng)的空間運動在

9、原理上可以用一個空間的回轉(zhuǎn)運動以及兩個直線運動加以實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機器人結(jié)構(gòu)相對比較簡單，精度也不是很高，經(jīng)常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個呈圓柱狀的空間。</p><p>　　(3) 球坐標機器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　球坐標機器人系統(tǒng)的空間運動可以看為兩個空間的回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動，參見圖2-1（c）。這種機器人相比于其他類型的機器人其比較結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不

10、是很高。主要用在搬運作業(yè)。工作空間呈一個類球形的空間[3]。</p><p>　　(4) 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　關(guān)節(jié)型機器人系統(tǒng)的空間運動是由三個空間回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，參見圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機器人有以下幾個優(yōu)點：動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。但是相對機器人本體尺寸，、因此其工作空間比較大。這種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛并且在生活中也較為常見，例如焊接、噴漆、搬運、裝配等

11、作業(yè)，都廣泛運用這種類型的機器人。</p><p>　　關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有兩種類型水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。</p><p>　　根據(jù)要求及在工業(yè)實際生產(chǎn)中的用途，此次設計的焊接機器人采用是第一種機器人即直角坐標型機器人。</p><p>　　圖2-1 四種機器人坐標形式</p><p>　　3 焊接機器人傳動方案論證</p>

12、<p>　　焊接機器人（直角坐標型）的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式和電動機式三種。</p><p>　　(1) 液壓驅(qū)動:是指動源發(fā)動機或者電機驅(qū)動液壓油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油的壓力能再去驅(qū)動液壓馬達，由液壓馬達產(chǎn)生并且提供機器需要的動力。是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的

13、影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高</p><p>　　(2) 氣動驅(qū)動常用于開關(guān)控制和順序控制的機器人，相比于液壓驅(qū)動的機器人 ，氣動驅(qū)動由于壓縮空氣動力粘度和動力粘度都相對較小，并且空氣的摩擦力較小，因此氣動驅(qū)動的機器人容易達到高速；因為可利用工廠集中空氣體壓縮機站的設備提供所需要的氣體，

14、大大的減少了動力和驅(qū)動設備；而且空氣介質(zhì)不會污染環(huán)境，價格相對也較為便宜，并且安全在極端的溫度下都可以正常工作，比較適合焊接這種高溫作業(yè)，空氣取之不盡用之不竭，相對于液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動更為廉價，因而氣動驅(qū)動元件比液壓元件價格低。是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30

15、公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作</p><p>　　(3) 電機驅(qū)動可分為交流電動機驅(qū)動，交流伺服電動驅(qū)動、直流伺服電動機驅(qū)動以及步進電動機驅(qū)動。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，材料性能的提高，電動機也得到很大的提高，各方面的性能也在隨之提高并且電動機使用起來更加簡單方便，所以就目前來看，機器人驅(qū)動已經(jīng)漸漸變?yōu)殡妱訖C驅(qū)動式所代替。 即有特殊結(jié)構(gòu)的

16、感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前景。</p><p>　　機械傳動機械手驅(qū)動方式：即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的

17、上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可以變。</p><p>　　表2-1 三種驅(qū)動系統(tǒng)的比較</p><p><b>　　續(xù)表2-1</b></p><p>　　4 焊接機器人的組成</p><p>　　焊接機器人主要是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制機構(gòu)這三部分組成。</p><p>&l

18、t;b>　　4.1 執(zhí)行機構(gòu)</b></p><p><b>　　（1）手部</b></p><p>　　手部不僅直接參與工件接觸的部分，工業(yè)從生產(chǎn)一般都是回轉(zhuǎn)型或平動型的，多為回轉(zhuǎn)型，因為回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)簡單。手部比較常見的是兩指（也有多指）；當然這也要根據(jù)需要，一般可以分為外抓式和內(nèi)抓式這兩種；也要根據(jù)生產(chǎn)實踐的需要，可以采用負壓式、真空式的以及空氣吸

19、盤，空氣吸盤的主要作用是可以吸附在光滑表面的零件或薄板零件和電磁吸盤。</p><p>　　此次畢業(yè)設計是焊接機器人系統(tǒng)設計，所以手部并沒有其他結(jié)構(gòu)，僅僅只有一個焊槍而已，通過螺栓固定于腕來部末端。</p><p><b>　?。?）腕部</b></p><p>　　腕部是聯(lián)通著手部與臂部的重要部件，而且可以用來小范圍調(diào)節(jié)焊槍的方位和焊槍的姿態(tài)

20、，可以適度擴大焊槍的工作范圍和工作空間，還可以使手部變的更方便與靈敏，提高工件和機器人的適應性。手腕一般會設計獨立的自由度。有空間回轉(zhuǎn)運動、上下擺動以及左右擺動。工業(yè)生產(chǎn)過程中一般腕部只設有回轉(zhuǎn)運動在這基礎(chǔ)上再加一個上下擺動就可以滿足工作需求，但是有的時候有些動作為了簡單而專門設計了專用的機械手，為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也可以不設計腕部，可以直接用手臂部分完成所有并驅(qū)動手部搬運工件。</p><p>　　考慮到機械手的

21、通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)是回轉(zhuǎn)液壓缸。</p><p>　　現(xiàn)在最為常見的手腕的空間回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)是回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)很緊湊，但是靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?700）,并且要求必須嚴格密封，不然就難以保證平穩(wěn)有效的輸出扭矩，因而在要求不是大回轉(zhuǎn)角的情況下，可以選擇采用回轉(zhuǎn)液壓缸，故而不采用皮帶條傳動或鏈輪以及

22、輪系結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單靈巧。此次畢業(yè)設計所研究的焊接機器人腕部是利用回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運動這個動作的。</p><p>　　此次設計的焊接機器人的腕部的運動只有一個自由度的回空間轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)參數(shù)即回轉(zhuǎn)的角度是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制-90~+90度這個范圍之內(nèi)，它的基本的結(jié)構(gòu)層次形式如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖</p>&l

23、t;p>　　此次設計腕部的驅(qū)動方式是采用直接驅(qū)動的方式，因為腕部裝在手臂部分的末尾，所以必須設計的一個裝配十分緊湊的機構(gòu)，直接把驅(qū)動源安裝在手腕上。焊接機器人手腕的空間回轉(zhuǎn)運動是直接由回轉(zhuǎn)液壓缸提供動力來實現(xiàn)的。采用夾緊直線式活塞缸的外殼與擺片區(qū)動油缸的動片這兩個機構(gòu)連接在一起；當回轉(zhuǎn)液壓缸中出現(xiàn)不同的壓力時油腔中進油即可實現(xiàn)手腕朝不同方向的回轉(zhuǎn)。</p><p><b>　?。?）臂部</

24、b></p><p>　　手臂部件是機械手，是機器人里最重要握持部件。臂部的作用是支撐腕部和手部，包括工作或夾具，并且?guī)油蟛亢褪植孔鏊璧目臻g運動。</p><p>　　臂部運動的作用：將手部運送到工作范圍里的任意一點，并改變手部的姿態(tài)和方位，則用腕部相關(guān)的自由度就可以加以實現(xiàn)。所以說臂部只需要一個自由度就能夠基本滿足要求，即手臂部分的伸縮運動即可。</p><

25、p>　　手臂部分的運動通常用驅(qū)動機構(gòu)按時（如液壓缸或者氣缸）和各暗示種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作五個中既四個受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活留個性以及抓重大七個小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)臂部的前后伸縮半個運動。臂部的運動參數(shù)：伸縮行程：1850mm；伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s。機器加速度人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式里的大小

26、結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最力比多長度遠距離。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。</p><p><b>　?。?）機身</b></p><p>　　機身部分運動的目的：把臂部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機身的自由度加以實現(xiàn)。因此，機身部分具有兩個自由度才能滿足基本要求，即機身的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)運動。</

27、p><p>　　機身的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。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械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)基座的上下伸縮、以及機身的回轉(zhuǎn)運動。機身的運動參數(shù)：伸縮行程：3650mm；伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機器人機身的

28、伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結(jié)構(gòu)中，機身的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式機身結(jié)構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。機身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉(zhuǎn)運動的動力源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。</p><p><b>　?。?）滑軌</b></p><p>　　滑軌是懸臂機器人的基礎(chǔ)部分，起懸掛作用，它將機身懸掛于導軌之上。并帶動機身沿軌道直線運

29、動。</p><p><b>　　2 控制系統(tǒng)分類</b></p><p>　　在機械手的控制上，分別有點動控制和連續(xù)控制這兩種方式。但是在工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)用插銷板進行點位控制，偶爾也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制等方式控制的，并且采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序等方法。其目的是控制坐標位置，注重其加速度特性。此次畢業(yè)設計采用電磁控制。</p>

30、;<p>　　5 焊接機器人的設計技術(shù)參數(shù)</p><p>　　一、用途：用于焊接工件 </p><p><b>　　二、設計技術(shù)參數(shù):</b></p><p><b>　　1、焊槍:；</b></p><p>　　2、自由度數(shù):4個自由度（手腕部分回轉(zhuǎn)；小臂部分伸縮；大臂部分回轉(zhuǎn)；大

31、臂部分伸縮這4個運動）；</p><p>　　3、坐標型式:直角坐標系；</p><p>　　4、最大工作半徑:4500mm；</p><p>　　5、手臂最低中心高:4000mm；</p><p>　　6、手臂運動參數(shù):伸縮行程：1600mm</p><p>　　伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s</

32、p><p>　　升降行程：3600mm</p><p>　　升降速度：1000mm/s~1500mm/s</p><p><b>　　回轉(zhuǎn)范圍：；</b></p><p>　　7、手腕運動參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍：。</p><p><b>　　6 小結(jié)</b></p>&l

33、t;p>　　本文是從焊接機器人的工業(yè)實際應用方面入手，經(jīng)過計算得出并設計出了一個總體設計方案，在根據(jù)機器人所需要的自由度的前提上選取的坐標系是直角坐標系為本次焊接機器人的設計坐標系。而且與此同時，本次設計焊接機器人的機構(gòu)組成是由執(zhí)行機構(gòu)、控制機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)，再加上現(xiàn)實實際作業(yè)，清晰的給出了手部分、手腕部分、臂部和基座等結(jié)構(gòu)組成形式；通過計算和比較，最終選擇的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動作為此次畢業(yè)設計的驅(qū)動機構(gòu)。最后，經(jīng)過計算查表得出了設計

34、中需要的所有技術(shù)參數(shù)和數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 成大先.機械設計手冊（第五版）（第1卷）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[2] 蔡自興.機器人學基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[3] 李曉輝，汪蘇，劉小

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