多自由度点焊机器人设计

1 前言1.1 工业机器人发展现状20世纪60年代初人类生产出第一台工业机器人，从此之后，机器人显示出了极强的生命力。

日本虽然起步较晚，但是结合了国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，使得其机器人拥有量很快超过了美国。

现在，在工业发达国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、橡胶及塑料工业、电子电气行业、物流、食品工业等诸多领域中。

2000年出现了仿生机器人，包括仿人机器人。

机器人的运动能力和智能水平进一步提高，并以智能体的形式出现，应用领域进一步扩大。

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为工业界广泛应用的一种标准设备。

我国的工业机器人研究开始于上个世纪70年代，在国家“七五”、“八五”科技攻关的支持下，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、运动学和轨迹规划技术、控制系统硬件和软件设计技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、装配、喷漆、搬运等机器人。

进入20世纪90年代后，为了实现高新技术发展与国家经济主要领域的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，开发出直接遥控机器人、管道机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人等机种；在机器人视觉、声觉、力觉、触觉等基础技术的开发应用上做了大量工作，取得了一定的发展基础。

一批企业根据市场的需求，自主研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发，如奇瑞汽车与哈工大合作进行点焊机器人的产业化开发、广州数控开发了焊接机器人[1]。

但是，工业机器人产业目前在我国还仅仅处于萌芽阶段，在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。

随着我国现代制造业的发展，我国工业机器人的需求量在快速增长。

随着我国汽车制造行业的快速发展，工业机器人被广泛应用于车身制造领域，在自动生产线中以点焊机器人系统为主。

国内汽车厂家在自动生产线设计上，多采用机器人厂家的标准机器人，由生产线的制造商进行整体设计；而国外的汽车公司多数都有自己的机器人标准。

也就是说，机器人厂家是按照汽车厂家的要求，制造符合生产企业使用习惯的机器人系统。

本设计就是要完成机械本体的优化设计，并为其配备智能控制器，以满足汽车厂家的生产要求。

1.2 点焊机器人的特征机器人是在人员难以工作的环境，如有害于人身健康的环境下，部分代替人工操作的自动化装置，适合完成简单和重复性的操作，在制造业中得到越来越广泛的应用。

点焊机器人系统主要应用于汽车工业领域，在制造汽车车体，尤其是车身时，大部分的焊点是由机器人完成的。

点焊机器人刚开始时只用于简单地焊接作业，随着汽车工业的发展，对焊点质量和焊接效率的要求大大提高，为了保证拼接精度，点焊机器人不仅要高质量的完成焊接任务，还要完成自动定位焊接。

通常对点焊机器人的要求是[2]：（1）高的加速度和减速度（2）良好的灵活性，至少五个自由度（3）良好的可靠性（4）通常要求工作空间大，适应焊接工作要求，承载能力高（5）焊枪的动力传输较困难，需实现焊枪动力传输（6）重复性要求：可见焊点处≤1mm，不可见焊点处≤3mm（7）考虑到焊接空间小，为避免与工件碰撞，通常要求小臂很长其优点是：定位精度高、重复精度好、承受负载大、可以代替人在有害的环境下作业等。

1.3 点焊机器人系统组成广义上讲，机器人是一个较完善的机电一体化系统，包括机械本体、控制及信息处理单元、驱动单元、动力单元、传感检测单元和执行单元等要素。

我们一般看到的机器人是其机械本体，是狭义的机器人，它包括底座、腰、大臂、小臂、手腕等部件，各部件多采用关节的形式连接，为增加机器人的灵活性，腕部一般要求两到三个自由度，整体一般不少于五个自由度。

各个关节通过交流伺服电动机或步进电机驱动，通过谐波减速器、摆线针轮减速器、滚珠丝杠、齿轮、同步齿型带等传动。

点焊机器人要完成焊接作业，离不开控制系统与外围设备的支持与配合。

完整的焊接机器人系统一般由如下几个部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等[3]。

2 总体设计方案在确定机器人总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要遵循的一些基本原则，从而使设计方案更合理。

2.1 总体设计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）根据系统所要实现的目标，明确机器人的设计目的和任务。

这是最基本的一步，所有的工作都要围绕这个目标开展。

（2）分析机器人所在系统的工作环境。

这样做是为了选择合理的材料和机构，为其配置合适的控制系统，比如要设计点焊机器人，就尽量不要用液压装置，以免焊接热引燃液压油。

（3）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、所能承受的负载、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（1）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；（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，确定各关节要采用的机构，进行机器人总装图的设计；（5）确定机器人主要零件的尺寸，并绘制零件图。

2.2 总体方案的确定多自由度点焊机器人的设计主要包括点焊机器人机械本体的设计和控制电路的设计。

机械本体的设计包括对机座、手腕、大臂和小臂的设计，共有五个自由度，包括机座的转动，大臂的摆动，小臂的摆动，腕部的转动和摆动等，每个自由度都由一个伺服电机驱动。

考虑到加工成本，各零件选择最简单形状。

电路部分的设计包括设计控制电路，运用PLC来控制各个电路和电机的正反转。

通过机电一体化，实现了对机器人的自动控制，从而灵活精确地对要点焊接部位进行点焊。

2.2.1 机器人本体设计参数：（1）负载120kg（2）自由度 5（3）工作范围及最大关节速度:腰转±120°，100°/s大臂摆±100°，120°/s小臂摆上60°，下60°，100°/s腕转±120°，120°/s腕摆±115°，120°/s重复定位精度±0.4mm最大回转半径：20000mm快速打点能力：行程50mm的时间为0.4s，焊接节拍56点/分钟机器人本体特点为：（1）机器人末端执行器可以达到工作范围内任意一点。

各关节动作：腰关节旋转，带动大臂和小臂旋转；大臂摆动，带动小臂摆动；小臂俯仰，带动腕部运动；腕部有腕转和腕摆两个动作。

（2）为减轻机器人本体重量，大臂和小臂均做成空心的，且对称安装，造型美观。

（3）采用步进电机和交流伺服电机加减速器的驱动方式，用减速器输出扭矩大，适合在高速下运行。

后面连接减速器，步进电机与减速器做成一体，结构紧凑。

为了设计、安装简便，腰关节和上臂都直接联在减速器轴上，步进电机带动减速器，然后驱动关节旋转。

考虑平衡和配重问题，将小臂驱动电机安装在大臂上，用丝杠组成四杆机构，带动小臂俯仰。

（4）每个关节还设计了机械挡板，一方面起保护作用，另一方面作为增量编码器的零位位置。

2.2.2 硬件设计（1）机器人控制器中配置内置PLC，该PLC可由用户进行编程，对电极修磨器、焊接控制器等机器人附属设备进行控制，这种控制结构机器人与生产线PLC控制之间通信少，使控制单元缩小，控制层级关系清晰，运行维护相对简单。

（2）机器人配置抱闸释放装置，当机器人伺服电动机出现故障时，可以手工释放电磁抱闸，尤其是机器人伺服焊钳。

在焊钳出现故障时，可以方便地进行相关维修操作。

（3）机器人管线采用分段结构，衔接位置采用连接器。

采用分段方式，可以减少管线更换时间和维护成本。

（4）为判断机器人的运行状态，在机器人控制柜上安装3色灯，其出现故障时，可以在很远的距离做出判断。

2.2.3 坐标形式的选择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μm级位置精度。

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。

2.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(b)。

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。

(a). 直角坐标型(b). 关节型图2.1 关节型机器人坐标形式由要求可知本设计是一个用于摩托车油箱的点焊系统，即要实现机器人的几个基本动作。

为了满足设计的要求，我们综合考虑以上两种坐标形式的不同特点，最终选用关节型坐标。

2.2.4驱动方式的选择工业机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电力驱动和机械联动等几种基本种类。

液压驱动压力高，能够输出较大的力。

由于液压油不可压缩，所以压力、流量都容易控制，可实现连续轨迹控制。

但是液压系统的密封性要求高，容易造成泄漏，考虑到焊接是会产生高温和火花，再加上液压元件成本高，油路比较复杂，故此应避免使用。

气压驱动与液压驱动相比，虽然不受泄露影响，成本也较低，但气压压力低，体积庞大，也不宜用在本系统中。

机械联动能输出较大的力，维修方便，成本也较低，但在自由度多时，机构复杂，体积较大，也不宜与CPU连接，所以本设计也不采用。

对于电力驱动，可以选择交流伺服或步进电机，输出力可大可小，重要的是它容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可以精确定位。

特别适合程序复杂、运动轨迹要求严格的工业机器人。

虽然步进或伺服电机价格较高，但考虑到点焊机器人的行程，即两焊接点的距离较短，而且要求快速移动焊钳，其驱动器除了满足功率要求外还应考虑到是否能在较大的惯性负载（焊钳）条件下，提供足够的加速度以满足作业要求，因此综合比较这几种驱动方式，决定采用电力驱动。

2.2.5电机的选择原则电机是机器人的动力部分，相当于人的内脏，所以应当全面慎重地选择电机，电机选择是否合适，直接关系到机器人运行特性和性能。

应综合考虑其使用的条件、运行的环境、经济技术等因素。