焊接机器人总体设计

焊接机器人总体设计
此次设计的目的是设计一台焊接机器人，本文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。

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与装配；
5）绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

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3-6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，天车式三种结构错误!未找到引用源。

(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错误!未找到引用源。

(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。

这种机器人在工业中应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。

a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标型 d)关节型
图2-1 四种机器人坐标形式
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、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
气体压缩体性大，
精度低，阻尼效果
差，低速不易控制，
要求也控制
精度高，并且
功率较大，可
大，可让无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制要难以实现高速、高
精度的连也续轨迹
控制
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
在工业机械手中的应用范围
常适用于重载、低
速驱动，电液伺服系
统适用于喷涂切割
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
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。

4.1 执行机构
（1）手部
手部不仅直接参与工件接触的部分，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
腕部是联通着手部与臂部的重要部件，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与灵敏，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，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。

因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构是回转液压缸。

现在最为常见的手腕的空间回转运动机构是回转液压缸，它的结构很紧凑，但是灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求必须严格密封，不然就难以保证平稳有效的输出扭矩，因而在要求不是大回转角的情况下，可以选择采用回转液压缸，故而不采用皮带条传动或链轮以及轮系结构，是系统结构更为简单灵巧。

此次毕业设计所研究的焊接机器人腕部是利用回转液压缸实现手部的旋转运动这个动作的。

此次设计的焊接机器人的腕部的运动只有一个自由度的回空间转运动，回转参数即回转的角度是实现手部回转的角度控制-90~+90度这个范围之内，它的基本的结构层次形式如图2-2所示。

图2-2 腕部回转基本结构示意图
此次设计腕部的驱动方式是采用直接驱动的方式，因为腕部装在手臂部分的
末尾，所以必须设计的一个装配十分紧凑的机构，直接把驱动源安装在手腕上。

焊接机器人手腕的空间回转运动是直接由回转液压缸提供动力来实现的。

采用夹紧直线式活塞缸的外壳与摆片区动油缸的动片这两个机构连接在一起；当回转液压缸中出现不同的压力时油腔中进油即可实现手腕朝不同方向的回转。

（3）臂部
手臂部件是机械手，是机器人里最重要握持部件。

臂部的作用是支撑腕部和手部，包括工作或夹具，并且带动腕部和手部做所需的空间运动。

臂部运动的作用：将手部运送到工作范围里的任意一点，并改变手部的姿态和方位，则用腕部相关的自由度就可以加以实现。

所以说臂部只需要一个自由度就能够基本满足要求，即手臂部分的伸缩运动即可。

手臂部分的运动通常用驱动机构按时（如液压缸或者气缸）和各暗示种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作五个中既四个受腕部、手部的静、动载荷。

因此，它的结构、工作范围、灵活留个性以及抓重大七个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半个运动。

臂部的运动参数：伸缩行程：1850mm ；伸缩速度：1200mm/s~1400mm/s 。

机器加速度人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式里的大小结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最力比多长度远距离。

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：0090~90+-。

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，其回转运动的动力源来自回转液压缸。

（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 控制系统分类
在机械手的控制上，分别有点动控制和连续控制这两种方式。

但是在工业生产中大多数用插销板进行点位控制，偶尔也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制等方式控制的，并且采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序等方法。

其目的是控制坐标位置，注重其加速度特性。

此次毕业设计采用电磁控制。

5 焊接机器人的设计技术参数
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（手腕部分回转；小臂部分伸缩；大臂部分回转；大臂部分伸缩这4个运动）；
3、坐标型式:直角坐标系；
4、最大工作半径:4500mm ；
5、手臂最低中心高:4000mm ；
6、手臂运动参数:伸缩行程：1600mm
伸缩速度：1200mm/s~1400mm/s
升降行程：3600mm
升降速度：1000mm/s~1500mm/s
回转范围：0090~90+-；
7、手腕运动参数:回转范围：0090~90+-。

6 小结
本文是从焊接机器人的工业实际应用方面入手，经过计算得出并设计出了一个总体设计方案，在根据机器人所需要的自由度的前提上选取的坐标系是直角坐
标系为本次焊接机器人的设计坐标系。

而且与此同时，本次设计焊接机器人的机构组成是由执行机构、控制机构和驱动机构，再加上现实实际作业，清晰的给出了手部分、手腕部分、臂部和基座等结构组成形式；通过计算和比较，最终选择的驱动方式为液压驱动作为此次毕业设计的驱动机构。

最后，经过计算查表得出了设计中需要的所有技术参数和数据。

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