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机器人焊接论文

摘要

随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。

国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。

因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。

本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。

本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而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结构设计。

合理布置了液压缸。

同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。

为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。

该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。

关键字：

焊接机器人液压系统机械机构设计

Abstract

Withthedevelopmentoftechnologyandtheincreaseinindustrialdemand,weldinginindustrialproductionoccupiedmoreandmoreweight,andexcellentweldingtechnologydirectlyaffectsthedegreeofthequalityofpartsorproducts.Althoughthedomesticapplicationofweldingrobotwithacertainscale,butfallsfarshortoftheoveralldemandforwelding.Therefore,greateffortstostudyandpromotetheweldingrobottechnologyisimperative.

Thefocusofthisdesignistheuseofmechanicaltheoryanddesignofmachineryandequipmentdesignandmethodsofpracticeweldingrobot.Thedesignoftheweldingrobotinunderstandingthebasisofthestatusquoathomeandabroad,andthengrasptheweldingrobotandworkingprincipleoftheinternalstructure,andstructuraldesignofthearmandwrist.Rationalarrangementofthehydrauliccylinder.Atthesametimeunderstandtherobotmechanicalsystemkinematicsandmotioncontrolstudy.Forthedesignofindustrialweldingrobotstoprovideatheoreticalreference,referenceanddatareferencedesignforindustrialdesignersanddesignpractice,designtheoryreference.Therobothasagoodrigidity,highprecisionlocation,stablecharacteristics.

Keyword:

Weldingrobot；hydraulicsystem；mechanicalstructuredesign

第1章引言

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）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。

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，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应用带来了契机。

减少员工与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，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。

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，广泛应用于汽车、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，在技术和应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。

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、离线编程与路径规划技术、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。

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应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到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与自动化程度已达到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，使焊接生产机械化与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章焊接机器人的总体方案

该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。

2.1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

根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；

分析机器人所在系统的工作环境；

根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。

如机器人的自由

度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。

（2）技术设计阶段

根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人

的坐标形式；

拟订机器人的运动路线和空间作业图；

确定驱动系统的类型；

选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；

绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

2.2自由度和坐标系的选择

机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。

各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。

机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。

而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。

本次设计的焊接机器人为4自由度即：

腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩。

工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。

各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:

（1）直角坐标机器人结构

直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1（a）所示。

由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。

但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。

因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。

直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构[3]。

（2）圆柱坐标机器人结构

圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1（b）。

这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。

其工作空间是一个圆柱状的空间。

（3）球坐标机器人结构

球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1（c）。

这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。

主要应用于搬运作业。

其工作空间是一个类球形的空间[3]。

（4）关节型机器人结构

关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1（d）。

关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。

相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。

此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。

关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的焊接机器人采用直角坐标。

图2-1四种机器人坐标形式

2.3传动方案论证

焊接机器人的驱动方式有液压式、气动式和电动机式。

（1）液压驱动:

是指动源（发动机或电机）驱动油泵产生压力油，压力油再去驱动液压马达，由液压马达产生机器需要的动力。

（2）气动驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，与液压驱动相比较，气动驱动由于压缩空气粘度小，所以容易达到高速；由于可利用工厂集中空气压缩机站供气，减少了动力设备；空气介质不污染环境，安全高温下可正常工作；空气取之不竭用之不尽，相对于油液廉价，故气动驱动元件比液压元件价格低……

（3）电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。

随着材料性能的提高，电动机性能也在随之提高并且电动机使用简单，所以就目前来看，机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。

表2-1三种驱动系统的比较

内容

驱动方式

液压驱动

气动驱动

电机驱动

输出力

压力高，可获得大的输出力

压力相对要小，输出力小

输出力较大

控制性能

利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制

气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制

控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂

响应速度

很高

较高

很高

结构性能及体积

结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。

功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大

结构适当，执行机构可标准化、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

伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题

安全性

防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险

防爆性能好，高于1000kPa（十个大气压）时应注意设备的抗压性

设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差

对环境影响

液压系统易漏油，对环境有污染

排气时有噪声

无

在工业机械手中的应用范围

适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手

适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手

适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、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

方便，但油液对环境温度有一定要求

方便

较复杂

2.4焊接机器人的组成

焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

2.4.1执行机构

（1）手部

手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。

手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。

（2）腕部

腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。

设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在

范围内，其基本的结构形式如图2-2所示。

图2-2腕部回转基本结构示意图

腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。

机器人手腕的回转运动是由回转液压缸实现的。

将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。

（3）臂部

手臂部件是机械手的重要握持部件。

它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：

把手部送到直线运动范围内任意一点。

如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。

臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。

因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

本次设计实现臂部的前后伸缩运动。

臂部的运动参数：

伸缩行程：

1850mm；伸缩速度：

1200mm/s~1400mm/s。

机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。

伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。

（4）机身

机身部分运动的目的：

把臂部送到直线运动范围内任意一点。

如果改变臂部的姿态（方位），则用机身的自由度加以实现。

因此，机身部分具有两个自由度才能满足基本要求，即机身的伸缩、左右旋转运动。

机身的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。

因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

本次设计实现基座的上下伸缩、以及机身的回转运动。

机身的运动参数：

伸缩行程：

3650mm；伸缩速度：

1200mm/s~1400mm/s；回转范围：

。

机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。

伸缩式机身结构的驱动可采用液压缸直接驱动。

机身部分和滑轨的配置型式采用立柱式单臂配置，其回转运动的驱动源来自回转液压缸。

（5）滑轨

滑轨是悬臂机器人的基础部分，起悬挂作用，它将机身悬挂于导轨之上。

并带动机身沿轨道直线运动。

2.4.2控制系统分类

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。

大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。

主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

本设计采用电磁控制。

2.5焊接机器人的技术参数

一、用途：

用于焊接工件

二、设计技术参数:

1、焊枪:

；

2、自由度数:

4个自由度（腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩4个运动）；

3、坐标型式:

直角坐标系；

4、最大工作半径:

4730mm；

5、手臂最低中心高:

4040mm；

6、手臂运动参数:

伸缩行程：

1850mm

伸缩速度：

1200mm/s~1400mm/s

升降行程：

3650mm

升降速度：

1200mm/s~1400mm/s

回转范围：

；

7、手腕运动参数:

回转范围：

。

2.6本章小结

本章从焊接机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。

同时，就焊接机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和基座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。

最后，给出了设计中所需的技术参数。

第3章腕部结构的设计及计算

3.1腕部设计的基本要求

（1）力求结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。

显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。

因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）结构考虑，合理布局

腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。

（3）必须考虑工作条件

对于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为8KG，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。

3.2腕部结构及选择

3.2.1典型的腕部结构

（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：

克服启动惯性所用。

回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270°）。

（2）齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。

这种结构外形尺寸较大。

（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。

（4）机-液结合的腕部结构。

3.2.2腕部结构和驱动结构的选择

本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。

3.3腕部结构设计计算

腕部设计考虑的参数：

最大载荷：

8KG；回转。

3.3.1腕部驱动力计算

图3-1腕部支撑反力计算示意图

腕部回转时要克服的阻力：

F=FR1+FR2

a.腕部回转支撑处的摩擦力矩：

Ma=0.5

Fd（3.1）

其中

为轴承摩擦系数取

=0.1

b.克服由于工件重心偏置所需的力矩：

Mb=G3e（3.2）

c.克服启动惯性所需的力矩：

Mc=πD4/32（3.3）

3.3.2腕部驱动液压缸的计算

表3-1液压缸的内径系列（JB826-66）[6]（mm）

20

25

32

40

50

55

63

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

125

130

140

160

180

200

250

表3-2标准液压缸外径（JB1068-67）[6]（mm）

液压缸外径

40

50

63

80

90

100

110

125

140

150

160

180

200

20钢

50

60

76

95

108

121

133

168

146

180

194

219

245

45钢

50

60

76

95

108

121

133

168

146

180

194

219

245

设定腕部的部分尺寸：

根据表3-1设缸体内径R=40mm，外径根据表3-2选择60mm，这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为90mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图3-2所示。

则回转缸工作压力：

选择8Mpa

图3-2腕部液压缸剖截面结构示意图

3.4液压缸盖螺钉的计算

图3-3缸盖螺钉间距示意图

表3-3螺钉间距t与压力P之间的关系[20]

工作压力P（Mpa）螺钉的间距t（mm）

0.5～1.5小于150

1.5～2.5小于120

2.5～5.0小于100

5.0～10.0小于80

缸盖螺钉的计算，如图4-3所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4-3，在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力:

（3.4）

液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择12个螺钉，

<80mm

所以选择螺钉数目合适Z=12个。

螺钉材料选择Q235，（n=1.2～1.5）

螺钉的直径：

（3.5）

=0.005m

螺钉的直径选用M5。

3.5动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构见图4-3,连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。

连接螺钉的作用：

使动片和输出轴之间的配合紧密。

螺钉材料选择Q235，则

（n=1.2～1.5）

螺钉的直径：

d=0.005m

螺钉的直径选用M5。

3.6本章小结

本章主要内容为腕部结构的设计包括：

腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。

首先，根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构；然后，按照给定的技术参数进行设计计算；最后，确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以及选取各关键部位螺栓的计算。

第4章臂部结构的设计及计算

手臂部件是机械手的主要握持部件。

它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。

手臂运动应该包括3个运动：

伸缩、回转和升降。

本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章祥述。

臂部运动的目的：

把手部送到空间运动范围内任意一点。

如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来