汽車生產線焊接機器人結構設計 Automobile production line welding robot structure design 摘要 據不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于 各種形式的焊接加工領域，焊接機器人應用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和 電弧焊。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產領域代替焊工從事焊接任務的 工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設計的，而大多數的焊 接機器人其實就是通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構成的。在多任務環(huán)境中， 一臺機器人甚至可以完成包括焊接在內的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任 務，因此，從某種意義上來說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗、 穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險 性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接， 減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質量和提高焊接效率。 本次我所設計的機器人為五自由度弧焊機器人。本說明書對本次設計的主要考 慮內容進行了敘述和講解，包括機器人的總體設計以及傳動系統(tǒng)的構成與設計，電 動機的選擇，圓錐齒輪的設計與校核，諧波減速器的原理以及選擇，腕部轉動軸的 校核，齒形帶規(guī)格的選擇以及滾動軸承的選擇與校核等。 由于設計經驗不足以及理論知識的匱乏，本次設計肯定存在許多不足之處，望 答辯老師諒解并不吝賜教。 關鍵詞 焊接機器人；齒形帶傳動；諧波減速器； ABSTRCT According to incomplete statistics, nearly half of the worlds industrial robots in service are used for welding. The most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi- task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. The robot I designed is a DOF arc welding robot. The design statement mainly include design of robots drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on. KEY WORDS welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 目 錄 一、 引言 ...............................................................1 1.1 焊接機器人的研究意義及目的 .........................................1 1.2 焊接機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究 .........................................2 1.2.1 國內現(xiàn)狀分析 .................................................3 1.2.2 國外現(xiàn)狀分析 .................................................3 1.3 焊接機器人的發(fā)展前景 ...............................................4 1.4 焊接機器人的研究熱點 ...............................................4 二、機器人基礎結構設計 ..................................................4 2.1 針對用途分析手臂工作要求 ...........................................4 2.2 關節(jié)參數及坐標選擇 .................................................5 2.3 內部結構 ...........................................................6 2.4 機械臂運動機構簡圖 ................................................10 2.5 電機及機械結構布局 ................................................10 2.6 本章小結 ..........................................................12 三、焊接機器人機腕部結構設計 ...........................................12 3.1 腕部結構設計 .......................................................12 3.1.1 腕部結構設計要求 ..............................................12 3.1.2 腕部的結構設計 ...............................................12 3.1.3 手腕的材料選擇 ...............................................14 3.2 腕部傳動方式的選擇 ................................................15 3.3 腕部電機的型號選擇 ................................................15 3.4 渦輪蝸桿選型與計算 .................................................13 3.5 齒輪副的強度校核 ...................................................26 3.6 本章小結 ...........................................................28 四、 機械臂的臂部結構設計 ...............................................29 4.1 臂部結構設計要求 ...................................................29 4.2 臂部結構的設計 ....................................................29 4.2.1 臂部材料的選擇與結構設計 ....................................29 4.2.2 小臂的渦輪蝸桿傳動設計 ......................................31 4.3 肘部結構的設計 ....................................................33 4.3.1 肘部設計的原理及作用 ........................................33 4.3.2 肘部材料的選擇 ..............................................34 4.3.3 肘部傳動方式的選擇 ..........................................34 4.3.4 肘部電機的型號選擇 ..........................................34 4.4 本章小結 ...........................................................36 五、機器人本體靜力學分析 ...............................................36 5.1 靜力學分析 ........................................................36 5.2 本章小結 ..........................................................40 六、機器人本體結構模型 .................................................40 6.1 本體結構三維模型 ..................................................40 6.2 底座部分建模及結構設計 ............................................41 6.3 腰部回轉件建模、結構、及運動分析 ...................................43 6.4 大臂的建模、結構、及運動分析 .......................................44 6.5 小臂的建模、結構及運動分析 .........................................45 6.6 腕部的建模、結構及運動分析 .........................................46 6.7 手部結構設計 .......................................................47 七、設計總結 ...........................................................47 參考文獻 ...............................................................49 謝 辭 ...............................................................50 1 一、引言 1.1 焊接機器人研究意義及目的 本文所要描述的是汽車生產線焊接機器人。本課題的主要觀點是采用機器人代替人來進行 焊接作業(yè)，由于焊接環(huán)境中產生的空氣中有大量的化學物質氣體和懸浮顆粒。對人的身體是非 常有害的。在看到焊接行業(yè)對人類的身體健康產生這么大的傷害的情況下，我想憑借自己的努 力來設計一種能夠代替人類完成一些需要在高危環(huán)境下完成的長時間持續(xù)性的或者是工作中會 產生對人體有很大傷害的工作。我這次設計的焊接機器人主要想用焊接機器人來代替人完成一 些焊接的動作，由此讓焊接機器人進入工廠來代替人完成對人體有害的焊接工作。以減少在焊 接時產生的焊接殘渣飛濺和有毒氣體對人類造成的損害。由于焊接工作是重復并且繁瑣的工作， 但是焊接的精確度要求還是比較高的，由人工來做會加重工人們的重復麻煩的勞動，所以我希 望我設計的焊接機器人可以替代工人完成簡單的重復勞動，減輕工人的工作負擔，改善工人的 工作環(huán)境。并且提高焊接工廠的生產率和焊接的焊接精度。提高公司的自動化水平和生產率。 和經典的軸數少的機器人相比，本課題設計的 6 軸機器人可以完成很多的動作，代替人完成很 多高危的焊接工作，減少化學物質對人體的傷害。我的焊接機器人設計采用伺服電機驅動電動 機，適用于中，小型焊接機器人，在材料選擇方面，我選擇的材料要滿足材料性能高，這樣電 動機的性能也會隨著材料性能的提高而提高。現(xiàn)在焊接機器人主要應用在汽車生產焊接行業(yè)， 高危焊接的環(huán)境中。 焊接機器人英文名又叫做 welding robot,我所設計的焊接機器人是可以對汽車配件進行焊 接工作或者在汽車配件上焊接其他工業(yè)焊接殘渣的工業(yè)機器人。焊接機器人主要由機器人機械 結構、計算機和相應的控制系統(tǒng)組成，現(xiàn)在市面上的焊接機器人大多數都采用 5 軸或者 6 軸的 關節(jié)式結構，手臂的運動空間由多自由度保證。手臂的能夠焊接的空間較大。并且可以通過人 工示教做一些復雜的軌跡運動，腕部一般有 2 個到 3 個自由度，這樣的設計可以使機械臂關節(jié) 處非常的靈活。目前市面上最受歡迎的焊接機器人的腕部都是采用柔性，既可以完成各個方向 的彎曲動作，也可以同時完成轉動的動作。其動作通過計算機程序來控制，仿造人類的手進行 編程控制，所以又叫仿生機械手臂。這樣設計的機械臂能很順利的通過一些人手難以進入或者 有危險性的孔伸入焊接工件的內部，焊接一些人手或無法觸及到的一些細微的表面。我本次設 計的焊接機器人一般采用伺服電機驅動，具有動作執(zhí)行速度快，精度高，防爆性能好的優(yōu)點。 我們可以憑借手把手示教來使機器完成一些復雜的軌跡焊接。焊接機器人在汽車制造，儀表行 2 業(yè)，電器和搪瓷等工藝部門有著非常好的表現(xiàn)和相當大的發(fā)展前景，值得我們去努力學習，慢 慢改進。 我設計的機器人有著以下 4 個優(yōu)點：（1）大臂小臂的腕部柔性大，手臂的旋轉范圍大。 （2）由焊接機器人完成的焊接工件的質量很穩(wěn)定，不會由狀態(tài)影響焊接質量。效率和材料使用 率也會顯著提高。（3）易于操作和維護?？呻x線編程，可以極大的縮短現(xiàn)場調試時間。（4） 設備利用率非常高。焊接工業(yè)機器人的利用率可達 90%-95%。 1.2 焊接機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究 1.2.1 國內現(xiàn)狀分析 我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于 20 世紀 70 年代，早期是大學和科研院所的自發(fā)性 的研究。到 80 年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經是個非常 成熟的工業(yè)產品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應用。鑒于當時的國內外形勢，國家“七五”攻關 計劃將工業(yè)機器人的開發(fā)列入了計劃，對工業(yè)機器人進行了攻關，特別是把應用作為考核的重 要內容，這樣就把機器人技術和用戶緊密結合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準了實用化 的方向。與此同時于 1986 年將發(fā)展機器人列入國家“863”高科技計劃。在國家“863”計劃實 施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實現(xiàn)產業(yè)化”的目標。在國內市場發(fā)展的推 動下，以及對機器人技術研究的技術儲備的基礎上，863 主題專家組及時對主攻方向進行了調整 和延伸，將工業(yè)機器人及應用工程作為研究開發(fā)重點之一，提出了以應用帶動關鍵技術和基礎 研究的發(fā)展方針，以后又列入國家“八五”和“九五”中。經過十幾年的持續(xù)努力，在國家的 組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎技術、控制技術、關鍵元器件等方面取得了重大 進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產品，能夠實現(xiàn)小批量生產。 我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。 汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在 70 年代末，上海電焊機廠與上海電動工具 研究所，合作研制的直角坐標機械手，成功地應用于上海牌轎車底盤的焊接?！耙黄笔俏覈?最早引進焊接機器人的企業(yè)，1984 起先后從 KUKA 公司引進了 3 臺點焊機器人，用于當時“紅旗 牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986 年成功將焊接機器人應用于前圍總成 的焊接，并于 1988 年開發(fā)了機器人車身總焊線 。 80 年代末和 90 年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產轎車，雖然是 國外的二手設備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認識到了與國外的巨大差距。隨后 二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人。可以說 90 年代以來的技術引進和生產設備、 工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產提高到規(guī)模化生產，同時使國外焊 3 接機器人大量進入中國。由于我國基礎設施建設的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程 機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經濟的高速發(fā)展，能源的大 量需求，與能源相關的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵 路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器 人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據 2001 年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人 1040 臺，汽車制 造和汽車零部件生產企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的 76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與 弧焊機器人的比例為 3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（10%）、 摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。 進入 21 世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人 安裝臺數迅速增加，2002、2003、2004 年每年都有近千臺的數量增長。估計我國目前焊接機器 人的安裝臺數在 4000 臺左右。汽車行業(yè)焊接機器人所占的比例會進一步提高。 目前在我國應用的機器人主要分日系、歐系和國產三種。日系中主要有安川、OTC、松下、 FANUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利 的 COMAU 及奧地利的 IGM 公司。國產機器人主要是沈陽新松機器人公司產品。 目前在我國雖然已經具有自主知識產權的焊接機器人系列產品，但卻不能批量生產，形成 規(guī)模，有以下幾個主要原因： 國內機器人價格沒有優(yōu)勢。近 10 年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺 7-8 萬美元 降低到 2-3 萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在 研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應的零部件產業(yè)，如伺服電機、減速機等需要進口，使價 格難以降低，所以機器人生產成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一 點也間接影響了國內機器人的發(fā)展。對于機器人的最大用戶-汽車白車身生產廠來說，目前幾 乎所有的裝備都來從國外引進，國產機器人幾乎找不到表演的舞臺。 我們應該承認國產機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。 國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產品，經歷了 30 多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產中不斷 地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產狀態(tài)。 國內機器人生產廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一 體化的高技術產品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產企業(yè)及使用國產機 器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產機器人的發(fā)展。 4 在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產業(yè)化關鍵技術 作為重點研究內容之一，其中包括焊接機器人。把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列 機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)，產品的標準化、通用化、模塊化、列化 設計?；『笝C器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)、激光發(fā)射器的選用、成像系統(tǒng)、視覺圖像 處理技術、視覺跟蹤與機器人協(xié)調控制、焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。 在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具 有自主知識產權的基礎制造裝備。另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術! 盡快縮短和別人的差距，并通過應用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術創(chuàng)新和關鍵設備的產業(yè)化，提 高我國制造業(yè)在國際舞臺上的地位。 1.2.2 國外現(xiàn)狀分析 由于工業(yè)機器人在國外有著 30 年以上的研究發(fā)展歷史，所以國外的焊接機器人的制造研發(fā) 技術是十分優(yōu)秀的。工業(yè)機器人的研發(fā)和制造技術對印刷業(yè)和機器人的發(fā)展產生過深遠的影響。 當時使用的是 MK 的 H16 機器人，采用的是液壓和氣壓相結合的流量控制系統(tǒng)。80 年代初期 Hatel 公司在 H16 機器人上首次采用氣壓控制的流量控制系統(tǒng)，同時裝備了帶有抽吸裝置的內置 閥，可避免一次污染。Hatel 公司九十年代初首次在該公司自己研發(fā)的工業(yè)機器人自動焊接設備 上安裝了工業(yè)焊接殘渣流量控制裝置，使焊接質量有了巨大的飛躍。隨著國外工程師們勇于創(chuàng) 新實踐并且不斷地改進已有的焊接機器人現(xiàn)有的技術，使得焊接機器人的焊接精度得到了有史 以來的一次巨大突破，使得焊接機器人在世界發(fā)達國家得到了廣泛的應用。 焊接機器人是七十年代發(fā)展起來的自動化機械，它可以模仿人手的動作去完成焊接作業(yè)， 程序可按實際需要和要求進行變動，所以適合多品種小批量生產。機器人能夠突破人體生理條 件極限，代替人們去從事高溫、放射性、噴霧、沙塵等危險、繁重而又單調的工作。1 越來越多的工業(yè)工作站使用機械臂做為工作主體，其能完成的工作也越來越多，不僅如此， 隨著工業(yè)控制的發(fā)展，單工作站也可以完成多種復雜的零件加工或其他工序。焊接機器人在國 外已經廣泛應用，而我國主要采用進口的機器人。工業(yè)機器人主要承擔著焊接、焊接、搬運以 及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采用示教再現(xiàn)的方式。3 1.3 焊接機器人的發(fā)展前景 焊接機器人在未來的幾十年中技術會逐漸成熟，他可以通過示教，編程的方式來模仿人手 的動作去完成復雜的焊接作業(yè)，程序可以按照實際需要和要求進行變動，所以適合多品種小批 5 量生產。在技術發(fā)達后，機器人可以完全取代人工焊接，當機器人的數量上去后，在特定的焊 接車間內可以實現(xiàn)無人焊接的工作環(huán)境。同時，機器人能夠突破人體的生理條件極限，代替人 們去從事高溫，放射性，噴霧，沙塵等危險而又單調的工作。同時通過焊接機器人的發(fā)展，產 品的加工精度，效率都會顯著提高，這大大緩解了焊接行業(yè)的人才需求。 8 1.4 工業(yè)機器人機械臂的研究熱點 綜合國內外對于工業(yè)機器人的研發(fā)情況，當代工業(yè)機器人的機械臂的研究主要包含以下幾 個方面： 1、機械臂結構。如何選擇和設計機械臂的機械結構形式，需要根據實際要求。為使機械臂 在更多的領域得到應用。每個工種的機械臂的選擇必須嚴格考察，最后制定出機械臂的選擇方 案。 2、運動控制技術。工業(yè)機器人的控制技術是運用動力學和運動學的方法，建立一定的控制 規(guī)律，使機械臂實現(xiàn)不同工作狀態(tài)的轉變。 3、路徑規(guī)劃技術。該技術主要包括施工路徑規(guī)劃技術它們分別基于地理信息和基于傳感信 息。工業(yè)機器人在工作中需要避開一些難以逾越的障礙，人工示教可很好的解決這一問題。 4、實時視覺技術。實時視覺技術使機械臂可以接收視覺信號。對接收的信號進行識別處理。 并且，智能工業(yè)機器人整體性能的好壞也取決于機器人的視覺信息的處理能力。 5、導航和定位技術。定位于導航技術對于機械臂來說相當重要。目前采用程計、磁羅盤以 及全球定位系統(tǒng)等技術進行定位與導航。 6、多傳感集成和數據融合技術。移動機器人的機械臂通過距離的測定技術，GPS 定位技術 和小型陀螺儀技術等技術來進行各種信息的采集，從而根據所接收的信號進行反應。 7、高性能圖像信息處理技術。在早期的工業(yè)機器人機械臂研究工作中，由于市場上的通用 硬件無法滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力，因此，多數研究者所采用是專用硬件結構。 近年來，隨著計算機不斷地迅速發(fā)展，要構建機器人系統(tǒng)可采用通用處理器來實現(xiàn)。 8、因特網與無線通信技術。這兩個技術是實現(xiàn)真正的無人焊接，純機械化焊接生產線的關 鍵，人們通過網絡來進行程序編程，為焊接機器人規(guī)定好焊接的路徑和每一步的功能。讓人們 可以不用處在危險的加工環(huán)境內部來進行監(jiān)督?？梢员Ｕ先祟惖纳眢w健康和對人的生命有一定 的保障。。 二、機器人基礎結構設計 6 2.1 針對用途分析手臂工作要求 因本次設計是使用機器人完成焊接作業(yè)，機器人需要在前端小臂處抓取噴槍進行焊接，調 查市面上的噴槍后發(fā)現(xiàn)，自動式無氣噴槍及前端旋轉機構的總重約 10Kg，機械臂末端最終的運 行負載應大于 10Kg，并且為節(jié)省成本應選擇較為接近且安全的數值，在此選用 16Kg 負載進行 設計. 上圖為汽車遮光板，遮光板最長尺寸為 375mm，機械臂在伸展過程中需要的自由尺寸為 550，故，下底面焊接需噴槍上揚 45，噴槍長約為 100mm，噴槍距離工件需自由距離 200mm 綜上，機械臂有效伸展距離應大于 375mm+550mm+200mm=1125mm 圖 2.1 2.2 關節(jié)參數 自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，但是一般不包括手部（末端操作器） 的開合自由度。自由度的數量體現(xiàn)了機器人的靈活的程度，在三維空間中描述一個物體的位置 和姿態(tài)需要六個自由度。焊接機器人的自由度數量越多，焊接機器人的機械臂能夠完成的動作 就越復雜，能夠控制的程度就越高，適用性也就越好。但是當我們設計的焊接機器人的自由度 越高，焊接機器人的整體結構也就越來越復雜，體積和整體的質量也就越來越大。由此我們發(fā) 現(xiàn)了一個矛盾點，現(xiàn)在的焊接機器人既要求要輕型化但是還要能夠完成很多的復雜焊接工作， 所以也就導致了自由度數量很多，隨之重量也會大大增加，導致整體結構的剛性降低，所以在 這對矛盾點里我們必須選擇一點。工業(yè)焊接機器人由于對定位精度和重復定位精度和剛性的要 求比較高，所以機器人的體積會很大，承載負荷的能力與龐大的重量相比會非常小。一般的焊 接機器人大概 56 個自由度即可實現(xiàn)焊接要求。其中大臂小臂有 3 個自由度，腕部和行走裝置 有 23 個自由度。特殊小型焊接機器人有 12 個自由度即可滿足使用要求。 本次設計機器人自由度為 6，現(xiàn)需對各關節(jié)進行靜力學受力分析，為簡化及精確計算，應先 確定機器人組成，機器人運動機構部分由如下幾個部分組成，自最下端起分別為，固定基座， 7 旋轉主體，大臂，小臂，頂端旋轉安裝座（手腕）組成，應由固定基座開始逐級進行分析，首 先確定 6 軸的轉速參數，如下表： 每個軸的運動參數 運動范圍 運動速度 軸 1 185 156/s 軸 2 +35至-155 156/s 軸 3 +154至-130 156/s 軸 4 350 330/s 軸 5 130 330/s 軸 6 350 615/s 機械手坐標形式的正確擬定，需根據工作現(xiàn)場生產情況、加工精度、安裝控件要求并結合各種 坐標形式特點分析比較確定，工業(yè)機器人手臂的運動形式和坐標形式可以分為四類： （1）直角坐標式：其手臂的運動系由三個直線運動構成，即機器人沿著坐標系的 X 軸伸縮， 沿 Z 軸升降，沿 Y 軸橫移。由于直角坐標式結構簡單，特別適合主機位置成行排列或者主機與 傳動帶配合使用的場合，可用于開、閉環(huán)數控的機械，但占地面積大，工作空間小，使用范圍 受限。 （2）球坐標式：其手臂運動系由兩個轉動及一個直線運動組成，機械臂的俯仰運動可以完 成抓取來自地面上物件，為達到手部能適應被抓取物件方位的要求，使手部保持水平位置或其 他狀態(tài)，常設有手腕上下擺動。該類型機械手動作靈活，占地面積較小、工作范圍大，但由于 本身結構設計復雜，手臂擺角誤差會引起手部中心處的誤差放大。 （3）圓柱坐標式：手臂運動系由兩個直線運動和一個回轉運動所組成，及沿著坐標系的 X 軸伸縮、沿 Z 軸升降及沿 Z 軸回轉，其中沿 Z 軸方向移動的最低位置受結構限制不能夠直接抓 取地面物件。圓柱坐標式比直角坐標式占地面積小但是活動范圍卻比直角坐標系大，這種坐標 式結構簡單并能達到較高的位置精度要求，被廣大機械廠家認可并應用。 （4）關節(jié)式：關節(jié)式的結構可以完成類似于人的手臂一樣作幾個方向的轉動。這種關節(jié)式 由大臂和小臂還有一個立柱組成，特點是動作非常的靈活，工作范圍也很大，適用性和也很強。 可抓取靠近機座的物件。每一個關節(jié)都由機械的傳動機構構成以實現(xiàn)轉動，工業(yè)機器人的手臂 的運動常由大臂和小臂的回轉運動構成。由于采用關節(jié)式的機器人自由度高，所以關節(jié)的靈活 8 度很高，可以繞過主機及工作環(huán)境中的障礙物來抓取所需要工件。但由于機械手的位置定位依 靠各關節(jié)的相互轉角決定，所以定位精度不是很好。并且由于自由度高，所以控制裝置和機械 結構的設計相對于其他幾種運動形式會更難更復雜。 本設計采用的是關節(jié)式。 2.3 內部結構 現(xiàn)在大部分的工業(yè)機器人都是模塊化的設計思想，都是采用伺服電機加諧波減速器的控制 方式。每個關節(jié)的控制方式和機械結構都差不多一樣。有區(qū)別的只是尺寸，例如 iiwa 的機械臂 每個軸的內部結構如下： 圖 2.2 每一個關節(jié)中都包含了電機、伺服驅動、電機端編碼器、諧波減速器、關節(jié)端位置傳感器 和力矩傳感器，減速器和電機連接方式采用直連。 整個關節(jié)在工業(yè)機器人內部的布局如下： 9 圖 2.3 傳統(tǒng)機器人 對于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人來說，布局的原則都滿足“三軸軸線交于一點 ”的基本準則。主要區(qū)別 在于三個電機的布置和傳動方式。 一般的傳統(tǒng)工業(yè)機器人都把第四軸，第五軸，第六軸的電機布置在小臂的后面，通過同心 軸和傘齒輪或者同步帶組合的傳動方式將力傳動到手腕。以下圖 KUKA 焊接機器人為例： 10 圖 2.4 三個電機的動力通過同心軸傳到機器人手腕，腕部結構如下： 圖 2.5 11 放大圖： 圖 2.6 近幾年 KUKA 最新研發(fā)出的焊接機器人為了追求輕量化，外表精致，體積小，采用將第四 軸，第五軸，第六軸的電機放在小臂內部，以縮小機器人尺寸。 對于傳統(tǒng)焊接機器人來說，每一家知名機器人公司的主要差別就在于第五軸和第六軸的布 置位置。國外的機器人品牌借助資深的設計功底和強大的私人定制能力，大部分采用齒輪和同 步帶的傳動方式作為動力傳輸的方式。為了將機器人體積做的小一些，電機的位置都安置的很 靠后。 但是國內的機器人廠商由于電機的研發(fā)與制造技術不如國外，導致電機尺寸，齒輪的精度， 噪音的控制還有裝配的經驗不足，第五軸和第六軸都采取直連和同步帶相連的傳動方式，導致 腕部尺寸普遍偏大。 2.3 機械臂運動機構簡圖 在設計初期確定機械手的自由度分配以形成運動機構簡圖，從途中可以看出，旋轉基座需 要帶動整個機器人進行轉動，為此設計中承受扭力最大的部件， 12 圖 2.7 運動機構簡圖 2.4 電機及機械結構布局 對稱式布局中，機械臂傳動鉸鏈短，但其底部結構復雜，且大臂尺寸較大，而為了保持整 體的重心平衡，使用側置的傳動系統(tǒng)將電機與大臂布置在相反的方向，以使機械臂旋轉基座在 旋轉的過程中保持穩(wěn)定，增加機械臂整體穩(wěn)定性能及動作精度。并且底部結構簡約，適合負載 較輕的機械臂設計。 13 圖 2.8 對稱式布局 圖 2.9 側置式布局 14 本次設計機器人側置結構如下圖所示： 圖 2.10 機械結構布局圖 圖中紅色標注部分為電機放置位置，側置的兩只轉動伺服電機用來平衡大臂比重。 2.5 本章小結 本章主要確定了機器人總體結構設計，包括工作要求，按照工作要求設定各轉軸旋轉參數， 運動機構設計及機械結構布局。在設計過程中充分考慮了機器人工作時所需結構參數，最終得 出機器人初步構型簡圖。 三、焊接機器人機腕部結構設計 3.1 腕部結構設計 3.1.1 腕部結構設計要求 機械臂腕部結構形式多樣，其基本要求如下: 1、腕部應擁有相當強度的結構，以保證安裝的安全可靠 2、腕部應能達成第二章要求的轉動靈活度 3、腕部應具有與焊接設備所連接的安裝支架。 4、腕部應具有結構緊湊、重量輕、轉速高等特點，為減少成本，降低其后機械臂負載， 應盡量選用較為精簡的結構。 3.1.2 腕部的結構設計 15 因腕部需安裝傳動機構以完成其運動要求，所以其可設計成側式或頂置式，其結構簡圖如 下所示。 側式 頂置式 由上圖可以看出，頂置式的結構容易造成頂部應力加大，尤其是在焊接機器人這樣手部重 量較輕的機械臂中，其頂置式的設計容易導致其設計精度降低，故在這里使用側式結構進行設 計，以下是手腕外部結構圖 手腕結構 手腕小臂 圖 3.1 腕部結構圖 16 3.1.3 手腕的材料選擇 根據要求手腕處應選擇強度大、重量輕、價格經濟的材料，由于手腕在轉動過程中，平行 轉動軸方向所受的力較小，所以其主體結構可以使用常用碳素鋼 45 號鋼進行鑄造，鑄造成本低， 鑄造后使用機床進行加工并熱處理后可滿足其結構強度要求。 圖 3.2 手腕 上圖所示綠色部分為分體零件，其無需要求結構強度及耐磨性能，故使用常見的高耐老化 性工程塑料。下表 3.1 為幾種常見的工程塑料的性能： 表 3.1 工程塑料性能表 熱變形溫度/ 塑料名稱 疲勞強度 / 次710 彎曲強度 aMP 1.86a0.46aMP 彎曲彈性模 量/ a103P 低壓（高 密度）聚乙烯 11 2540 48 6082 1.11.4 MC 尼龍 約 20 152171 94 205 4.2 共聚 2527 9192 110 168 2.6 甲醛 均聚 3035 98 124 170 2.9 17 聚碳酸酯 710 98106 132138 - 23 由上表可以看出，聚碳酸酯雖然疲勞強度不高，結構性能不優(yōu)越，但是其受熱后仍然能保 持較好的結構性能，且其抗疲勞能力高，綜合性能達標且容易成型，成本低廉?？梢詽M足要求。 3.2 腕部傳動方式的選擇 機器人腕部的傳動方式采用機械傳動，機械傳動種類主要有摩擦傳動，帶傳動，鏈傳動， 齒輪傳動蝸桿傳動，螺旋傳動等等。 由于齒輪傳動有很多的優(yōu)點：傳動平穩(wěn)，傳動比大并且傳動精確，傳動扭矩也大，傳動效 率高，使用壽命長，能夠達到的功率，速度和運動范圍也比其他傳動方式大。且完全符合手部 機構的傳動特點。故，本設計腕部結構采用齒輪傳動。 本設計采用渦輪蝸桿結構作為傳動機構。在電機的帶動下，為減少腕部負擔將電機至于小臂后 側并使用渦輪蝸桿進行傳動。采用這種形式的設計可以使腕部受力大大減小。 3.3 腕部電機的型號選擇 腕部選用的伺服電機是安川電機，型號系列為 SGMPH 系列 四 電壓 200V 100V 伺服電機型號 SGMPH- 01A 02A 04A 08A 15A 01B 02B 額定輸出 KW 0.1 0.2 0.4 0.75 1.5 0.1 0.2 額定扭矩 Nm 0.318 0.637 1.27 2.39 4.77 0.318 0.637 瞬時最大扭矩 Nm 0.955 1.91 3.82 7.16 14.3 0.955 1.91 額定電流 A(rms) 0.89 2.0 2.6 4.1 7.5 2.2 2.7 瞬時最大電流 A(rms) 2.8 6.0 8.0 13.9 23,0 7.1 8.4 額定轉速 r/min 3000 最高轉速 r/min 5000 扭矩常數 Nm/A(rms) 0.392 0.349 0.535 0.641 0.687 0.160 0.258 旋轉慣性動量 J 10 Kgm-420.0491 0.193 0.331 2.10 4.02 0.0491 0.193 額定功率 kW/s 20.6 21.0 49.0 27.1 56.7 20.6 21.0 額定角加速度 rad/s 264800 33000 38500 11400 11900 64800 33000 18 SGMPH 系列伺服電機參數 因涉及到變壓問題，統(tǒng)一使用 200V 電機，使用 SGMPH-04A 3.4 渦輪蝸桿選型與計算 此設計蝸輪蝸桿選用的是深圳日電產三協(xié)電子機械有限公司出售的 NMRV025 渦輪蝸桿。 機械性時間常數 ms 0.53 0.54 0.36 0.66 0.46 0.56 0.64 電氣性時間常數 ms 3.7 7.4 8.6 18 22 3.6 6.3 19 減速機結構圖 IEC 接口 鍵槽 傳動比（i）NMRV PAM-IEC N M p b t 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 025 56B14 50 65 80 3 10.4 孔徑（D） 56B14 50 65 80 9 9 9 9 9 / 9 9 9 9 / / 56B5 80 100 120 3 10.4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 /030 63B14 60 75 90 4 12.8 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 20 63B5 95 115 140 56B5 80 100 120 3 10.4 / / / / / / / / 9 9 9 9 63B14 60 75 90 63B5 95 115 140 4 12.8 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 71B14 70 85 105 040 71B5 110 130 160 5 16.3 14 14 14 14 14 14 14 14 / / / / 63B5 95 115 140 4 12.8 / / / / / / / 11 11 11 11 11 71B14 70 85 105 71B5 110 130 160 5 16.3 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 / 80B14 80 100 120 050 80B5 130 165 200 6 21.8 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 71B14 70 85 105 71B5 110 130 160 5 16.3 / / / / / / / / 14 14 14 14 80B14 80 100 120 80B5 130 165 200 6 21.8 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 90B14 95 115 140 063 90B5 130 165 200 8 27.3 / 24 24 24 24 24 24 / / / / / 71B5 110 130 160 5 16.3 / / / / / / / / 14 14 14 14 80B14 80 100 120 80B5 130 165 200 6 21.8 / / / / 19 19 19 19 19 19 19 19 90B14 95 115 140 90B5 130 165 200 8 27.3 / 24 24 24 24 24 24 24 / / / / 100/112B 14 110 130 160 075 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / 28 28 28 28 28 28 / / / / / 80B14 80 100 120 80B5 130 165 200 6 21.8 / / / / / 19 19 19 19 19 19 19 21 90B14 95 115 140 90B5 130 165 200 8 27.3 / / / / / 24 24 24 24 24 24 24 100/112B 14 110 130 160 090 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / 28 28 28 28 28 28 / / / / / 80B5 130 165 200 8 21.8 / / / / / / / / / / 19 19 90B5 130 165 200 8 27.3 / / / / / / 24 24 24 24 24 24 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 / 110 132B5 230 265 300 10 41.3 / 38 38 38 38 / / / / / / / 90B5 130 165 200 8 27.3 / / / / / / / / / / 24 24 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / / / / / 28 28 28 28 28 28 28130 132B5 230 265 300 10 41.3 / 38 38 38 38 38 38 38 / / / / 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / / / / / / / / 28 28 28 28 132B5 230 265 300 10 41.3 / / / / 38 38 38 38 38 38 / / 150 160B5 250 300 350 12 45.3 / 42 42 42 42 42 / / / / / / 蝸輪蝸桿選擇表 在此我選用了傳動比為 1:7.5 的渦輪蝸桿傳動，由于齒輪傳動摩擦較小可忽略不計，我們選用的 SGMPH-04A 型電機的額定扭矩為 1.27Nmm。由蝸輪蝸桿放大后其輸出扭矩為 1.27N.M7.5=9.525N.M 伺服驅動系統(tǒng)中，下面列舉幾種負載慣量計算方法 1.1 常見物體慣量計算 22 模型 1： 長為 L 的細棒，旋轉中心通過細棒的中心并與細棒垂直，如下圖所示。 圖 3.3 在棒上離軸 x 處，取一長度元 dx，假設棒的質量密度為 ，則長度元的質量為 dm=dx,根據轉 動慣量計算公式: 得到 3/22 2/J 12ll lrdmxd 將 l=m 代入上式，得 21Jl 模型 2： 長為 L 的細棒，旋轉中心通過細棒的一端 A 并與細棒垂直，如下圖所示。 23 圖 3.4 同理可得出 3220Jl lrdmxd 將 l=m 代入上式，得 模型 3： 半徑為 R 的質量均勻的細圓環(huán)，質量為 m，旋轉中心通過圓心并與環(huán)面垂直 圖 3.5 24 取一長度元 dx，假設棒的質量密度為 ，則長度元的質量為 dm=dl,根據轉動慣量計算公式:2Jrdm 得到22 30J 2RrdmdlR 將 =m/2R 代入上式，得 2JR 模型 4： 質量為 m、半徑為 R、厚度為 h 的圓盤或實心圓柱體，繞軸心轉動 圖 3.6 取任意半徑為 r，寬度為 dr 的薄圓環(huán)，設 為圓盤的密度，dm 為薄圓環(huán)的質量，則此圓環(huán)轉到的慣 量為： 25 2Jrdm 將 2dmVhrd 代入得2 3401J22Rrdhrdrh 由 2mrh 可得 21JR 按照此公式，直徑為 D 的圓柱體繞中心軸旋轉的慣量為： 41J32DL 其中 L 為圓柱長度， 為密度 模型 5： 絲桿帶動的負載慣量 2JbPm 注：式中 Pb 為絲杠導程（螺距） 在此使用模型 2 計算其轉動慣量 輸出扭矩為 9.525N.M 下圖姿勢為最大扭力 26 圖 3.7 腕部最大扭力姿態(tài) 在此狀態(tài)下進行扭矩校核 腕部質量為 2.62KG 腕部軸的質量為 10.38KG 驅動腕部所需扭力為： 2.62KG X 9.8N/KG =25.676N 27 圖 3.8 圖 3.9 腕部長度為 60.83mm 輸出扭矩為 9.525N.M 在側向力 FN=25.676N 的作用下，顯然扭矩滿足要求。 3.5 齒輪副的強度校核 28 圖 3.10 齒輪副示意圖 為便于計算，設所有載荷均由齒頂承受。 此設計采用的是直齒圓柱齒輪，齒數 Z=36，模數 m=1 mm，齒寬 b=4mm,分度圓直徑 d=32mm，齒頂圓 da=34mm，齒根圓 df=30mm，齒形角度 =20，齒輪副的傳動比 u=1:1。電機 傳動的轉矩 T100Nmm。故齒輪所受的圓周力為： NdTFt5.36102 可按齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度來進行齒輪強度的校核： 1、按齒面接觸疲勞強度進行校核 齒面接觸疲勞強度的校核公式為： （3-7） HEHubdKFZ1t 式中： 為區(qū)域系數，對于標準直齒輪 =2.5；HZH 為載荷系數，此處取 =1.8；KK 為彈性影響系數，查得 ；E =18aEZMP 為接觸疲勞許用應力H （3-8） SKHNHlim 其中： 為接觸疲勞壽命系數，取 =0.95；HNKHN 齒輪接觸疲勞強度極限，查得 ；limMPa50lim 為安全系數，取 ；S1S 29 從而求得： MPaH5.2 （3-9）MPaH1.97 從齒面接觸疲勞強度上來說，齒輪是合格的。 2、按齒根彎曲疲勞強度進行校核 本文設計中的齒輪裝配方式為一懸臂梁。 齒根危險截面的彎曲強度條件式為： （3-10） FSaFtFbmYK0 式中： 為齒根危險截面處的理論彎曲應力；0F 為載荷作用于齒頂時的應力校正系數，應取 ；SaY 625.1SaY 為載荷作用于齒頂時的齒形系數，應取 ；F F 為彎曲疲勞許用應力為： （3-11） SKFENF 式中： 為彎曲疲勞壽命系數，查得 =0.88；FNKFN 為彎曲疲勞強度極限，取 ；EMPaE380 取彎曲疲勞安全系數 ;4.1S 從而求得： aF52PaF86.3 將所有已知量帶入(3-7)式，求得： （3-12）MPaFF.21.52 以上計算可知，設計的齒輪副是合格的。 3.6 本章小結 30 本章主要介紹了腕部結構的設計，包括了腕部設計的思路、腕部方案的設計、腕部電機的 計算與選型、腕部組成部分材料的選擇以及齒輪等構件的強度校核。設計出的機械結構達到工 作要求。 四、機械臂的臂部結構設計 4.1 臂部結構設計要求 手臂