六自由度焊接机器人设计论文

六自由度焊接机器人设计论文

2019年6月

摘要 (1)

第一章绪论及其发展 (2)

1.1 机器人的概念 (3)

1.1.1 操作机 (3)

1.1.2 驱动单元 (3)

1.1.3 控制装置 (3)

1.1.4 人工智能系统 (4)

第二章六自由度弧焊机器人的总体设计 (4)

2.1 腕部设计 (4)

2.1.1腕部设计的总体要求 (4)

2.1.2 本次设计的腕部有2个如图所示 (5)

2.2 小臂的设计 (5)

2.2.1 小臂设计的总体要求 (5)

2.3 大臂的设计 (5)

2.3.1 大臂设计的总体要求 (5)

2.3.2 大臂设计的总体要求 (5)

2.3.3 电机的选择 (6)

2.3.4齿轮的设计与校核计算 (8)

2.4 腰关节的设计 (11)

2.4.1 腰关节设计的总体要求 (11)

2.5 传感器的选择 (11)

第三章机器人设计展示 (11)

参考文献 (12)

近年来随着工业自动化的发展焊接机器人逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。焊接机器人广泛地应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别足在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，焊接机器人由于其显著的优点而受到特别重视。总之，焊接机器人足提高劳动生产率，改誉劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。

本次设计了一种关节式机器人，具有六个自由度，其中手腕关节具有三个自由度，其它的关节各具有一个自由度，各个关节采用电机驱动。本设计主要介绍关于机器人的一些基本常识和原理，包括机器人的组成、分类和主要技术性能参数并参考通用型机器人的结构，进行六自由度弧焊机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本设计从实际情况出发，对机器人的机构可行方案进行了充分论证，用 Pro/Engineer 和 AutoCAD 等软件设计出了机器人本体结构。

关键词 :六自由度；弧焊机器人；控制系统

第一章绪论及其发展

1.1 机器人的概念

机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而机器人则是在工业生产上应用的机器人，通用型弧焊机器人由机械系统、控制系统、驱动系统组成。其中，机械系统包括机身、关节型手臂、焊接工具。控制系统一般分为两部分:一部分是主控微型计算机和从微型计算机或单片微型计算机,微型计算机一般由主机、键盘、显示器、输入设备、输入输出接口组成:另-部分为控制柜，由输入输出接口、功率驱动放大电路组成。驱动系统-般为液压驱动或电动驱动，常以动力站的形式单独放置，控制程序编程多采用示教编程。这种结构形式的通用型弧焊机器人在国内流水生产作业线上得到了比较广泛的使用。

1.1.1 操作机

操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成：

（1）末端执行器又称手部是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。

（2）手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有 2～3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。

（3）手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。

（4）机座有时称为立柱，是机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。

1.1.2 驱动单元

它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。

1.1.3 控制装置

它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。

1.1.4 人工智能系统

它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。

第二章六自由度弧焊机器人的总体设计

2.1 腕部设计

2.1.1腕部设计的总体要求

腕部的设计质量尽量小，而且需要满足爪和小臂还有大臂之间的连接，六自由的焊接机器人手腕通常为3自由度。

三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在两自由度的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度(用角度参数a表示)而形成的。当不考虑结构限制，即a、β、γ都能在0°~360°范围取值，末端执行器的灵活度100%+ 100%+ 100%，也就是说具有百分之百的灵活度。这就是说手爪可自任意方向接进物体，也可将物体转到任意姿势。所以三自由度是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来,大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。主要有两类:

1)汇交手腕(或称正交手腕)它是a、β、γ的旋转轴线汇交于一点。

2)偏置式手腕它是a、β、γ的旋转轴线互相垂直，但不汇交于一点。

这两类手腕都是把β、r运动的减速器安装在手腕上,可简化小臂结构,但却增加了手腕本身的重量和复杂程度。

2.1.2 本次设计的腕部有2个如图所示

可在第二个图上加电机，调整作业范围既可以满足本次设计要求。

2.2 小臂的设计

2.2.1 小臂设计的总体要求

手臂杆的质量应该尽可能的小，从而减轻支撑它的大臂杆及它的驱动电机的负担。同时小臂杆还要承受整个手腕的重量以及在运动中产生的动载荷。

2.3 大臂的设计

2.3.1 大臂设计的总体要求

六自由度弧焊机器人大臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底杆，因此六自由度弧焊机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂相同，都是由直流伺服电机驱动齿轮组实现大臂的俯仰运动。

2.3.2 大臂设计的总体要求

六自由度弧焊机器人大臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底杆，因此六自由度弧焊机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂相同，都是由直流伺服电机驱动齿轮组实现大臂的俯仰运动。

大臂的整体结构为长方体实心结构，这样做的目的是为了提高其力学性能包括大臂的刚度、强度以及抗弯能力。铝合金的密度低、强度高、具有良好的抗腐