用于焊接的关节型机器人腰部结构设计

XXXX大学

毕业设计说明书

学生姓名：学号：

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题目：关节型机器人腰部结构设计

指导教师：职称:

职称:

20**年12月5日

一、设计内容

题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体方案设计、腰部结构设计以及其零件设计。

二、设计依据

焊接机器人具有六个自由度，腰关节回转，臂关节俯仰，肘关节俯仰，

腕关节仰腕、摆腕和旋腕，腕部最大负荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空间半径1500mm。

三、技术要求

1、机器人应能满足工作要求，保证焊接精度；

2、工作可靠，结构简单；

3、装卸方便，便于维修、调整；

4、尽量使用通用件，以便降低制造成本。

四.设计物化成果的具体内容及要求

1、图纸工作量及要求

设计图样全部用AutoCAD绘制，总的绘图量达3张A0以上，具体要求：（1）机器人外形尺寸图一张；

（2）腰部及底座装配图一张；

（3）设计的所有零件的零件图。

主要参考文献：

1、殷际英.何广平.关节型机器人：北京:化学工业出版社，2003.

2、马香峰.工业机器人的操作机设计.北京：冶金工业出版社，1996.

3、费仁元.张慧慧.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998.

4、周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995.

5、蔡自兴.机器人学.北京：清华大学出版社，2000.

6、宗光华,刘海波译.机器人技术手册. 北京：科学出版社，1996.

7、徐卫良，钱瑞明译.机器人操作的数学导论. 北京：机械工业出版社，1998.

8、孙迪生，王炎.机器人控制技术.北京：机械工业出版社，1998.

9、徐灏.机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000.

10、成大先.机械设计手册.第4版. 北京：化学工业出版社，2002.

开题报告

题目名称：关节型机器人腰部结构设计

一、题目来源、题目研究的主要内容及国内外现状综述

（一）题目来源：

本题目来源于生产实际，手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求较高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，以提高生产效率。而且,现在对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求,一般工人已难以胜任这一工作；此外,焊接时的火花及烟雾等,对人体造成危害,因此,焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题。其中,十分重要的就是要应用焊接机器人。

（二）题目研究的主要内容：

设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体方案设计、腰结构设计及其零件设计。

关节型机器人的机械本体部分一般为由各种关节串接起若干连杆组成的开链式机构。由于结构上的原因，其关节通常只有转动型和移动型。关节型机器人主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本结构，因此本体结构通常包括关节型机器人的机座结构及腰部关节转动装置、手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器。我所做的课题偏重与机座和腰部的结构设计。

弧焊机器人多采用占地面积小，动作范围较大的关节型操作机，其灵活性大，能以最佳状态决定焊枪的位置。

（三）国内外现状综述：

目前，对机器人技术的发展有最重要影响的国家是日本和美国。美国在机器人技术的综合性水平上仍处于领先地位，日本生产的机器人数量和种类则居世界首位。我国发展机器人技术起步于20世纪70年代末。1995年9月，6000m水下机器人试验成功.近年来,在步行机器人、精密装配机器人及多自由度关节型机器人研制等前沿领域内逐步缩短与世界水平的差距。

自从第一台工业机器人问世以来，机器人的应用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透，机器人的种类也从操作手逐渐衍生出各种各样的机器人，如今机器人已经深入到人类生活的方方面面。人类科技的进步、文明的发展已经和机器人产生了密切的关系。人类社会的发展已经离不开机器人技术，而机器人技术的进步必然对推动科技发展产生不可忽视的作用。当前和今后的机器人技术正逐渐向着具有行走能力、对环境的自主性强、具有多种感觉能力的方向发展。机器人也正在逐渐具有智能。美国贝尔科尔公司已成功地将

神经网络装配在芯片上，其智能分析速度比普通计算机要快数千倍，能更好

地完成识别语言和图像处理等工作。

华中理工大学的熊腊森、彭振国、陈一坚和曹东杰教授合著的一篇论文，题为《IR761/125型点焊机器人在平头驾驶室总装生产线上的应用》，它主

要介绍了IR761/125型点焊机器人的机械结构和控制系统；重点讨论了该机

器人的焊接生产应用；提出了机器人的使用维护和故障处理建议。

南京机械专科学校的徐锦康、邵群涛和刘启芬合著的论文《XZ-I型弧焊机器人》主要介绍了XZ-I型机器人操作机结构和机构设计，位置交流伺

服控制系统及计算机控制软件特点，给出了主要算法。

二、本题目拟解决的问题

焊接机器人具有6个自由度：①腰关节回转；②臂关节俯仰；③肘关节俯仰；④腕关节仰腕；⑤摆腕；⑥旋腕。其中要详细地设计机器人基

座和腰部的结构。整体机器人要实现腕部最大负荷6kg，最大速度2m/s，最

大工作空间半径1500mm 。

在设计过程中要考虑到很多问题：①机器人的六个关节采用何种驱动器；②传动比的选择要合理；③同一轴上的轴承要保证很好的同轴度；④

基座采用何种材料如何制造；⑤立柱与大臂如何联接；⑥要有足够大的安

装基面，以保证机器人工作时的稳定性；⑦腰座承受机器人全部重量和工

作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力；⑧腰座轴系及传动链的精

度对末端执行器的运行精度影响最大。因此腰座与手臂的联接要有可靠的定

位基准面。

三、解决方案及预期效果

（一）解决方案：

机器人大体采用PUMA型

1. 操作机的驱动系统设计；

关节型机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。

2. 速度和位置检测；