六自由度焊接机器人设计

毕业设计（论文）中文摘要

毕业设计（论文）外文摘要

目录

1 绪论 (2)

1.1 课题研究的目的和意义 (4)

1.2 本课题国内外研究现状和发展趋势 (5)

1.3 本次设计主要完成的工作 (7)

2 焊接机器人总体方案确定 (7)

2.1 总体传动方案 (7)

2.2 驱动方式选择 (7)

2.3 各关节传动方案 (8)

3 技术参数的确定及详细结构设计 (12)

3.1 主要技术参数确定 (12)

3.2 传动结构设计 (16)

3.3 详细结构设计 (18)

4 零部件的计算及校核 (26)

4.1 直齿圆锥齿轮的校核计算 (26)

4.2 直齿圆柱齿轮的校核计算 (29)

4.3 轴的校核计算 (36)

结论 (38)

参考文献 (39)

致谢 (40)

1 绪论

“机器人”一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》中。1984年，ISO（国际标准化组织）采纳了美国机器人协会（RIA）的建议，给机器人下了个定义，即“机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具，为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（A reprogrammable and multifunctional manipulator ,devised for the transport of materials,parts,tools or specialized systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks）”。[1]

工业机器人作为现代制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生重要影响。

机器人是柔性自动化的集中体现。自从美国推出世界上第一台工业机器人Unimate以来，机器人技术的研究和发展过程经历了三个阶段：（1）第一代是示教再现型的机器人，这类机器人不具备外界信息反馈能力，很难适应变化的环境。目前这类机器人仍在一些工业生产线上应用着；（2）第二代是具有一定的感知能力的机器人，它们对外界环境有一定的感知能力，具备听觉、视觉、触觉等功能，根据传感器获得的信息灵活调整自己的工作状态，保证能够在简单的动态环境中完成预期的任务。（3）第三代是智能机器人，它不仅具有很强的感知能力，而且具有独立的判断、行动、记忆、推理和决策的能力，甚至具有任务级的编程能力，因而操作者可以通过非常简单的操作使之完成更加复杂的任务。

焊接是制造业中重要的加工工艺方法之一，由于诸多飞速发展着的因素的推动，焊接制造工艺正经历着从手工焊到自动焊的过渡。焊接过程自动化、机器人化以及智能化已成为焊接行业的发展趋势，智能化焊接技术已成为焊接界研究的新热点。

机器人焊接机，又称焊接机器人，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，是一个机电一体化设备。[2]

（a）（b）

图1 焊接机器人产品

（a）（b）

图2 焊接机器人加工状态

焊接机器人分类按用途来分类，可以分为：（1）弧焊机器人（2）点焊机器人。按结构坐标系特点分为：（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）球坐标型（4）全关节型。根据受控运动方式分为：（1）点位控制（PTP）型（2）连续轨迹控制（CP）型。安驱动方式分为：（1）气压驱动（2）液压驱动（3）电器驱动。[3] 智能化焊接机器人（IWR）系统由6自由度弧焊机器人本体外加一个自由度的摄像机、熔透控制计算机、含及接口控制和、电焊机和送丝机等部分构成。[3]焊接机器人的基本组成[4]：

1.1 课题研究目的和意义

传统的焊接工艺实施主要依靠手工操作和人工经验，在我国，人工焊接仍然占据着焊接作业的主导地位，其具有环境恶劣、劳动强度高、生产效率低、产品质量不稳定的特点，难以实现高精度的焊接要求。随着计算机与自动化技术的渗透，焊接作业已经由传统的手工作业逐步发展成一定规模的机械化、自动化以及机器人焊接制造。由于焊接机器人具有高效率、质量稳定、通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。

焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：

1．稳定和提高焊接质量,保证其均一性。

2．改善了工人的劳动条件。

3．提高劳动生产率。

4．产品周期明确，容易控制产品产量。

5．可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。

1.2 本课题国内外研究现状和发展趋势[4--11]

自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应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；第二代是具有感知能力的机器人；第三代是智能型机器人。在国际范围内，工业机器人作为现代制造业主要的自动化设备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、装配、搬运、加工、喷涂和码垛等复杂作业。日本、北美、欧洲、韩国等工业经济发达国家和地区是工业机器人生产和应用的主要地区。

目前，国内外大量应用的焊接机器人系统，从整体上看基本都属于示教再现型的焊接机器人。这类焊接机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接过程中缺乏“柔性”和适应性，表现出明显的缺点。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，研究探索智能化焊接机器人的关键技术已成为必需。为了改进示教再现型焊接机器人的适应功能，需要从模仿焊工观察感觉、思考决策、以及协调操作等人工智能行为入手，研究智能焊接机器人的关键技术，并发展智能型的焊接机器人，推进机器人焊接的智能化水平提高。

我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常熟悉的工业产品。鉴于国内外形势，国家先后将工业机器人的开发计划纳入“七五”计划和“863”计划，以及后来的“八五”、“九五”计划。在国家的组织和支持下，经过几十年的努力，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。

我国目前应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种，但是其中国产机器人的数量不足100台。日系主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系主要有德国的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，意大利的COMAU