本科畢業(yè)設計論文題 目： AⅡ-V6L 焊接機器人結構設計系 別： 機電及自動化工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 學 號： 指導教師： 1目錄摘 要 3Abstract.41. 機器人概述 51.1 焊接機器人的現(xiàn)狀 .51.1.1 國外焊接機器人的現(xiàn)狀 .51.1.2 國內(nèi)焊接機器人的現(xiàn)狀 .61.2 焊接機器人的發(fā)展趨勢 .71.2.1 國外焊接機器人的發(fā)展趨勢 .71.2.2 國內(nèi)焊接機器人的發(fā)展趨勢 .71.3 我要研究什么 72. 機器人系統(tǒng)結構設計 .82.1 焊接機器人構成及工作原理 82.1.1 操作機 82.1.2 末端執(zhí)行器 .92.1.3 傳感器系統(tǒng) .92.2 焊接機器人分類 .102.3 AⅡ-V6L 主要參數(shù) .112.4 主要功能 122.5 主要結構尺寸 .132.6 控制器 153. 動力選擇 163.1 驅(qū)動方式 163.1.1 液壓驅(qū)動 .163.1.2 氣動驅(qū)動 .163.1.3 電動驅(qū)動 .173.2 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)設計原則 .173.2.1 控制方式 .173.2.2 作業(yè)環(huán)境要求 183.2.3 操作運行速度 18AⅡ-V6L 焊接機器人23.3 電機 .183.4 電機的選擇 194. 關節(jié)設計 204.1 大臂設計 204.2 機座和腰部設計 .214.3 諧波減速器 .224.3.1 諧波減速器工作原理 .224.3.2 諧波減速器的選擇 .224.4 圓柱齒輪傳動 .245. 機器人軸承設計 .285.1 工業(yè)機器人專用軸承結構形式 .285.2 工業(yè)機器人專用軸承特點 .295.2.1 薄壁密封四點接觸球軸承特點 .295.2.2 薄壁密封交叉滾子軸承特點 295.3 薄壁四點接觸琢軸承設計 295.3.1 主參數(shù)優(yōu)化設計 295.3.2 約束條件 .305.3.3 關鍵結構參數(shù)設計 306.機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制 .326.1 運動學 326.1.1 機器人運動學方程 .326.1.2 正向運動學 336.2 運動控制 366.2.1 工業(yè)機器人控制的特點 .366.2.2 工業(yè)機器人控制的分類 376.2.3 位置控制問題 387.總結 .40致謝辭 .41參考文獻 .43附： .443摘 要隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來越大，而且焊接技術的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。國內(nèi)焊接機器人應用雖已具有一定規(guī)模，但與我國焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠。因此，大力研究并推廣焊接機器人技術勢在必行。本設計的重點是運用機械原理和機械制造裝備設計方法設計焊接機器人的實踐和方法。本次設計實踐，是在了解焊接機器人在國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎上，進而掌握焊接機器人內(nèi)部結構和工作原理，并對機座和大臂進行結構設計。合理布置了電機和減速器。同時了解機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制學。為工業(yè)上焊接機器人的設計提供理論參考、設計參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設計者提供設計理論和設計實踐的參考。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。關鍵字：焊接 機器人AⅡ-V6L 焊接機器人4AbstractWith the development of science and technology and industry increased the demand for welding technology in the industrial production by increasing the weight of occupation, and the fine degree of welding technology with a direct impact on the quality of parts or products. Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but overall demand in China falls far short of welding production. Therefore, the strong research and technology is imperative to promote welding robot.The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment designed practice welding robot and methods. The design practice and understanding of welding robot in the status quo at home and abroad on the basis of the welding robot to grasp the internal structure and working principle of the arm base and the structural design. Rational arrangement of the motor and reducer. Mechanical systems at the same time understand the robot kinematics and motion control school. Welding robot for industrial design and provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers design theory and practice of the reference design. The robot has a rigid, and the location of high precision, smooth running characteristics.Keywords: welding robot51. 機器人概述1.1 焊接機器人的現(xiàn)狀1.1.1 國外焊接機器人的現(xiàn)狀機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。國外專家對世界機器人市場前景看好，從 20 世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入 90 年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在 10%左右，2000 年增長率上升到 15%，預計 21 世紀初，工作在各領域的工業(yè)機器人將突破 100 萬臺。正如《2l 世紀日本創(chuàng)建機器人社會技術發(fā)展戰(zhàn)略報告》指出， “機器人技術（RT）與信息技術（IT ）一樣，在強化產(chǎn)業(yè)競爭力方面是極為重要的戰(zhàn)略高技術領域。培育未來機器人產(chǎn)業(yè)是支撐 2l世紀日本產(chǎn)業(yè)競爭力的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略之一，具有非常重要的意義。 ”最近，韓國也將智能機器人作為十大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一列入國家發(fā)展規(guī)劃（2003～2007 年） ，現(xiàn)正在實施中。 機器人廣泛應用于各行各業(yè)。主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業(yè)。目前，全球現(xiàn)役工業(yè)機器人 83 萬臺。過去 10 年，機器人的價格降低約 80%，現(xiàn)在繼續(xù)下降，而歐美勞動力成本上漲了 40%。現(xiàn)役機器人的平均壽命在 10 年以上，可能高達 15 年，它們還易于重新使用。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業(yè)自動化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、增強企業(yè)市場競爭力、改善勞動條件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提升，世界機器人的占有量越來越大。僅 2001 年機器人安裝量為 7.8 萬臺套，年增長率 9%。機器人的應用主要有兩種方式，一種是機器人工作單元，另一種是帶機器人的生產(chǎn)線，并且后者在國外已經(jīng)成為機器人應用的主要方式。以機器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強勁生命力，已開發(fā)出多種面向汽車、電氣機械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)品。在發(fā)達國家，機器人自動化生產(chǎn)線已形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)，年市場容量約為 1000 億美元。像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC 、SWISSLOG、村田等都是機器人自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設備的集成供應商。 據(jù)日本工業(yè)機器人協(xié)會統(tǒng)計，早期的AⅡ-V6L 焊接機器人6日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值約為 50 億日元，經(jīng)過 70 年代的應用期和 80 年代的普及期，1981 年產(chǎn)值達到 1000 億日元，到 1991 年提高到 6000 億日元，到 2000年，其產(chǎn)值達到 10800 億日元，2005 年將達到 18500 億日元。 據(jù)國際機器人協(xié)會統(tǒng)計，2003 年工業(yè)機器人發(fā)貨量呈現(xiàn)強勁增長勢頭。與 2002 年相比，2003年全球范圍內(nèi)機器人的訂貨量增長約 10%以上。預計，工業(yè)機器人的世界市場將從2002 年的 68600 臺套增長到 2006 年的 91100 多臺套，年平均增長 7.4%。1.1.2 國內(nèi)焊接機器人的現(xiàn)狀 我國的機器人研究開發(fā)工作始于 20 世紀 70 年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了 30 年的歷程。前 10 年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985 年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。特別是在“七五” 、 “八五” 、 “九五”機器人技術國家攻關、 “863”高技術發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發(fā)展。 在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。 在機器人的單元技術和基礎元部件的研究開發(fā)方面：諸如交直流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)、測速發(fā)電機、光電編碼器、液壓（氣動）元部件、滾珠絲杠、直線滾動導軌、諧波減速器、RV 減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等均開發(fā)出一些樣機或產(chǎn)品。但這些元部件距批量化生產(chǎn)還幸歡尉嗬搿?br 在機器人控制裝置的研制方面：已開發(fā)出具有雙 CPU、多CPU 和分級分層控制的機器人控制裝置多臺，主控計算機的檔次也逐漸升級。在機器人操作機研制方面：已開發(fā)出一些先進的操作機和特種機器人，如 AGV（自動導引車） ，壁面爬行機器人，重復定位精度為±O.024mm 的裝配機器人，可潛入海底6000m 的水下機器人，移動機器人，移動遙控機器人，主從操作機器人等，有些已達實用化水平并用于實際工程。在機器人的應用工程方面：目前國內(nèi)已建立了多條弧焊機器人生產(chǎn)線，裝配機器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊裝生產(chǎn)線。國內(nèi)的機器人技術研發(fā)力量已經(jīng)具備了大型機器人工程設計和實施的能力，整體性能已達到國際同類產(chǎn)品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產(chǎn)品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力。 據(jù)統(tǒng)計， “九五”期間，我國工業(yè)機器人的需求量以每年 30％以上的速度增長。 2000 年，我國工業(yè)機器人的擁有量約為 3500 臺，其中以點焊、弧焊、噴漆、注塑、裝配、搬運、沖壓等各類機器人為主，銷售額為76．7 億元。1986～2000 年產(chǎn)品銷量如表 3 所示。據(jù)有關專家預測，我國機器人2005 年擁有量將增至 7600 臺，年銷售額為 28.7 億元；2010 年擁有量為17300 臺，年銷售額為 93.1 億元。根據(jù)發(fā)達國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級的歷程和工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，到 2015 年中國機器人市場的容量約達十幾萬臺套。 1.2 焊接機器人的發(fā)展趨勢1.2.1 國外焊接機器人的發(fā)展趨勢 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域?？傏厔菔菑莫M義的機器人概念向廣義的機器人技術（RT）概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機器人技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術（RT ）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)。 ”目前，工業(yè)機器人技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC 化和網(wǎng)絡化；伺服驅(qū)動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和智能化等方面。1.2.2 國內(nèi)焊接機器人的發(fā)展趨勢我國近幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機。據(jù)預測，目前我國僅汽車行業(yè)、電子和家電行業(yè)、煙草行業(yè)、新能源電池行業(yè)等，年需求此類自動化線就達 300 多條，產(chǎn)值約為 60 多億元人民幣。預計在 2005 年左右需求此類自動化生產(chǎn)線達到 600 條。據(jù)初步測算， “十一五”期間汽車制造業(yè)的需求市場容量將達到 800 多億元人民幣。我國現(xiàn)有主要生產(chǎn)工業(yè)機器人廠家其生產(chǎn)規(guī)模較小，這與當前市場需求有較大差距。AⅡ-V6L 焊接機器人81.3 我要研究什么基于現(xiàn)狀，我要設計的是 AⅡ-V6L(加長規(guī)格)型機器人。掌握機器人的基本結構，重點研究 AⅡ-V6L(加長規(guī)格)型焊接機器人的機座、腰部和大臂的傳動結構。通過這次畢業(yè)設計，我熟練學習了 CAD 制圖軟件的使用，并能進一步解決設計中遇到的問題，除明確了機器人關節(jié)的結構設計外，還掌握了一些尺寸、形位公差標注的技巧。2. 機器人系統(tǒng)結構設計2.1 焊接機器人構成及工作原理現(xiàn)代廣泛應用的焊接機器人是屬于第一代工業(yè)機器人，它的的基本工作原理是示教在現(xiàn)。從功能角度分析可將機器人分解成四個部分：操作機、末端執(zhí)行器、傳感系統(tǒng)、控制器。2.1.1 操作機操作機由機座、手臂和手腕、傳動機構、驅(qū)動系統(tǒng)等組成，其功能是使手腕具有某種工作空間，并調(diào)整手腕使末端執(zhí)行器實現(xiàn)作業(yè)任務要求的動作。1. 機座機座結構設計要求：? 要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性。? 機座承受機器人全部重力和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力。? 機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此機座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動間隙的調(diào)整機構。2. 手臂工業(yè)機器人的臂部一般具有 2—3 個自由度。臂部的總重量較大，受力一般較復雜，在運動時，直接受腕部、手部和工件的靜、動載荷，尤其是高速運動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩） ，引起沖擊，影響定位的精確性。臂部的結構形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況，因此臂部設計時一般要注意：? 剛度要求較高? 導向性好9? 重量要輕? 運動要平穩(wěn)、定位精度要高3. 手腕工業(yè)機器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。手腕的設計要求有：? 由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結構緊湊，減小其質(zhì)量和體積。為此腕部機構的驅(qū)動裝置多采用分離傳動，將驅(qū)動器安裝在手臂的后端。? 手腕部件的自由度越多，各關節(jié)角的運動范圍就越大，其動作的靈活性也就越高，機器人對作業(yè)的適應能力也就越強。但增加手腕自由度，會使手腕結構復雜，運動控制難度加大。因此，設計時，不應盲目增加手腕的自由度數(shù)。? 為提高手腕動作的精確性。應提高傳動的剛度，應盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。? 對手腕回轉(zhuǎn)各關節(jié)軸上要設置限位開關和機械檔塊，以防止關節(jié)超限造成事故。2.1.2 末端執(zhí)行器工業(yè)機器人的手部也叫末端執(zhí)行器，它是安裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。工業(yè)機器人手部的特點如下：? 手部與手腕相連處可拆卸。手部與手腕有機械接口，也可能有電、氣、液接頭，當工業(yè)機器人作業(yè)對象不同時，可以方便的拆卸和更換手部。? 手部是工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器。它可以像首那樣的具有手指，也可以是不具備手指的手，可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，比如裝在機器人手腕上的噴漆槍、焊接工具等。? 手部的通用性比較差。工業(yè)機器人的手部通常是專用的裝置，比如：一種手爪往往只能抓握一種或幾種形狀、尺寸、重量等方面相近似的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務。? 手部是一個獨立的部件。2.1.3 傳感器系統(tǒng)要機器人與人一樣有效的完成工作，對外界狀況進行判斷的感覺功能是必不可AⅡ-V6L 焊接機器人10少的。因此傳感器系統(tǒng)是也很重要。與機器人控制最緊密相關的是觸覺。視覺適合于檢測對象是否存在，檢測其大概的位置、姿勢等狀態(tài)。相比之下，觸覺協(xié)助視覺，能夠檢測出對象更細微的狀態(tài)。選擇機器人的傳感器完全取決于機器人的工作需要和應用特點，對機器人感覺系統(tǒng)的要求是選擇機器人傳感器的基本依據(jù)。機器人對傳感器的一般性能要求如下：? 精度高、重復性好。機器人能否準確無誤的正常工作，往往取決于所用的傳感器的測量精度。? 穩(wěn)定性和可靠性好。保證機器人能夠長期穩(wěn)定可靠的工作，盡可能避免在工作中出現(xiàn)故障。? 抗干擾能力強。工業(yè)機器人的工作環(huán)境往往比較惡劣，其所用的傳感器應能承受一定的電磁干擾、振動、能在高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。? 質(zhì)量輕、體積小、安裝方便。2.2 焊接機器人分類根據(jù)焊接機器人的三大部分來源，我們可將機器人分為： 112.3 AⅡ-V6L 主要參數(shù) AⅡ-V6L 主要參數(shù)：（本體的動作范圍/規(guī)格）項目 規(guī)格名稱 NV6L構造 垂直多關節(jié)軸數(shù) 6Kg最大可載能力 ±0.08mm位置重復精度 AC 伺服馬達驅(qū)動系統(tǒng) 5000WAⅡ-V6L 焊接機器人12驅(qū)動容量位置數(shù)據(jù)反饋 絕對值編碼器J1 ±170°（± 50°）J2 -155°～+100°J3 -170°～+260J4 ±180°J5 -50°～+230動作范圍J6 ±360°J1 3.40rad/s{195°/s} 3.05rad/s{175/s}J2 3.49rad/s{200°/s}J3 3.49rad/s{200°/s}J4 7.33rad/s{420°/s}J5 7.33rad/s{420°/s}最大速度J6 10.82rad/s{620°/s}J4 11.8N?mJ5 9.8N?m允許扭矩J6 5.9N?mJ4 0.30Kg?㎡J5 0.25Kg?㎡允許慣性矩 J6 0.06Kg?㎡機器人動作范圍橫截面面積 7.57㎡*340°周圍溫度、濕度 0-45℃、20-80%RH本體重量 280Kg第 3 軸可載能力 20Kg安裝方法 地面、側掛、吊裝原點復元 不需要本體顏色 臂：白色，基座：藍色2.4 主要功能采用焊接機器人的目的有很多方面，甚至在不同時期有不同的主要目的，但無13論是什么目的，最終都是要從中獲得好的經(jīng)濟效益。各企業(yè)應按本廠的情況來考慮采用焊接機器人的主要目的。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)過程自動化的目的歸納起來大體上有如下幾個方面。A 提高焊接生產(chǎn)效率采用氣體保護焊的機器人焊接可比采用手工半自動氣體保護焊的效率高出 2-4倍，也可能比采用焊接專機的效率高。但必須明確，并不是凡是用了機器人效率必然會提高很多。是否能提高效率，提高多少，取決于如下多方面的因素：1. 燃弧時間與總周期時間之比（燃弧率）2. 焊縫的尺寸和長度3. 焊接中工件需要變位的次數(shù)4. 起焊前需要尋位和焊接中需要電弧跟蹤的焊縫數(shù)量5. 可選擇的焊接參數(shù)的范圍B 保持焊接參數(shù)一致及提高焊接質(zhì)量穩(wěn)定性焊接時參數(shù)的穩(wěn)定一致與焊接質(zhì)量的穩(wěn)定一致有著很密切的聯(lián)系。采用焊接機器人，焊接參數(shù)是由機器人控制柜來控制的，因此焊出的全部焊縫的尺寸都能滿足工藝規(guī)程的要求，而手工焊經(jīng)常會焊出尺寸過大或不足的焊縫。C 使焊接生產(chǎn)實現(xiàn)柔性自動化機器人與其它機械化自動化設備相比的最大特點在于它能夠重新編程以適應不同工件的生產(chǎn)。若機器人控制柜的存儲單元有足夠的容量就可以儲備多套程序供調(diào)用。D 改善勞動安全衛(wèi)生條件國家對勞動環(huán)境的要求越來越高，而焊接本身（包括電弧焊、點焊、等離子弧焊和切割、激光焊接和切割等）又是一種有強光、熱輻射、飛濺和有害煙塵危害的、勞動環(huán)境比較差的工作。改善焊接車間的勞動環(huán)境是一件需要不斷努力的事。另外，焊接機器人工作站都設置防護圍欄和安裝安全保護設施，而且重型工件的變位都是由變位機自動進行的，不需要操作人員介入，使勞動安全更有保障。從長遠來看，由于勞動環(huán)境的改善，使勞動者更健康，工作效率更高，減少傷病，降低醫(yī)療費用，其間接經(jīng)濟效益是應該充分認識和估量的。E 增強生產(chǎn)管理的計劃性和可預見性由于機器人是一種可重復編程的自動化機器，每一工作周期的時間是一定的。AⅡ-V6L 焊接機器人14無論天氣有多熱，工作時間有多長，工件預熱溫度有多高，焊接機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是始終一成不變的。所以采用焊接機器人后，生產(chǎn)計劃比較好安排，產(chǎn)量也容易準確預計，再也用不著象以往用手工焊時那樣，每到月底要加班加點搶進度了。機器人焊接的這一優(yōu)點，對小批量、多品種生產(chǎn)的計劃安排是非常有利的。F 可準確預算材料的消耗量和生產(chǎn)成本焊接機器人的燃弧率可高達 85%以上，還能夠采用較高的送絲速度（較大的焊接電流）進行焊接，焊絲的消耗速度較手工半自動焊快。由于焊接參數(shù)是由機器控制，無論是焊絲消耗量、氣體消耗量還是每天導電嘴的更換次數(shù)等都能夠較準確預測，從而能更有效地控制生產(chǎn)成本。另一方面，工廠可以根據(jù)焊絲的消耗速度來決定是采用盤裝焊絲還是桶裝焊絲。如果一盤焊絲只能用三個小時，每班要更換兩次焊絲盤，每換一次焊絲盤一般需要 20min 左右的時間在換焊絲盤上，這時機器，每天就要花 40min 人不能工作，生產(chǎn)效率會受影響。在這種情況下，應該盡可能采用的桶裝焊絲，而且桶裝焊絲的價格比盤裝焊絲便宜一些?？梢?，機器人不僅焊接效率高，而且使材料消耗可以準確預測，還能用桶裝焊絲來降低消耗材料的成本?？墒?，這一優(yōu)點往往被忽視。2.5 主要結構尺寸根據(jù) AⅡ -V6L 型焊接機器人的主要參數(shù)，進行設計如下尺寸：15圖 2-1 主要結構尺寸圖 2-2 工作范圍AⅡ-V6L 焊接機器人162.6 控制器任何控制都必須要有被控對象和控制裝置為前提。被控對家包括應按照給定任務發(fā)生作用的元件。這種作用所必需的信號在控制裝置中編定。工業(yè)機器人的被控對象——帶驅(qū)動系統(tǒng)的機械操作機——習以比作為有肌肉的支撐骨架。帶存儲裝置的控制裝置’履行機器入腦子的功能。第一代工業(yè)機器人的控制裝置比較簡單，它不需要接受感受器官傳來的信息加以分析并采取決策，它的職能是不變地重復惑入存儲器內(nèi)由空間位移座標和工藝操作的指令所組成的程序。3K 外，控制裝置還要使機器人的動作同被控設備協(xié)調(diào)一致，并為戊目的在聯(lián)鎖信號電乎上同其實行相互聯(lián)系。另外，更為高級的裝置可以執(zhí)行自適應的基本功能：從已有的一組程序中自動選擇另一種程序；找出制品相應的空間點；校正從一循環(huán)到下一循環(huán)的程序。工業(yè)機器人控制裝置與傳統(tǒng)的自動機不同，它許可應用稱又示教的簡單程序編制。因此，雖然工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)同其類似系統(tǒng)比較更為復雜一些，但它的使用卻較為簡單。從總體上百控制系統(tǒng)方框圖(圖 8a)包括存儲裝置 3y，控制裝置YY，幾個驅(qū)動裝置 YⅡ——按受控座標的數(shù)量，還有示教裝置 yO。當控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為示教工況時，示教裝置接入控制系統(tǒng)。這時自動控制系統(tǒng)變?yōu)橛刹僮魅藛T作閉環(huán)的手工控制隨動系統(tǒng)。在機器人中采用各種各樣的控希 0 系統(tǒng)：點位的和輪廓的，同步的和異步的，數(shù)字的和模擬的?？刂葡到y(tǒng)的具體方案取決于機器人使用的技術與經(jīng)濟要求，首先是工藝任務的特點。點位系統(tǒng) 大多數(shù)生產(chǎn)對象的運輸操作或固定式設備的操縱只要求對象以給定的精度定位，也就是以一定方向布置在空間的有限數(shù)點上。在給定的位置之間，按怎樣的軌跡怎么移動無關緊要。為了完成這些操作采用點位系統(tǒng)助工業(yè)機器人。點位控制系保證程序的邏輯順民在程序中機器人各個座標的驅(qū)動裝置起著作用；在程序的每一步中給定沿每一座標軸的必需位移值；向被控設備發(fā)指令以完成該相應位置上的工藝操作。在空間中點的地位取決于幾個矢量。這種矢量分別為機器人各座標鈾的分矢量給出方位和沿每個座標軸的位移值。方位決定座標餡和播座標稿運動效方向， ，給定局的滴勢值冉驅(qū)動裝置完成。173. 動力選擇3.1 驅(qū)動方式工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動三種基本類型。根據(jù)需要也可以采用由這三種基本驅(qū)動類型組合成的復合式驅(qū)動系統(tǒng)。3.1.1 液壓驅(qū)動? 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點有以下幾點：? 輸出功率：很大，壓力范圍為 50-1400N/c㎡, 液體的不可壓縮性? 控制性能：控制精度較高，輸出功率大。可無極調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制? 響應速度：很高? 結構性能及體積：結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模塊化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大? 安全性：防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險? 對環(huán)境的影響：液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染? 在工業(yè)機器人中的應用范圍：適用于重載，低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、重載電焊機器人和搬運機器人? 成本：液壓元件成本較高? 維修及使用：方便，但對油液對環(huán)境溫度有一定要求3.1.2 氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點有以下幾點：? 輸出功率：大，壓力范圍為 40-60N/c㎡,最大可達 100N/c㎡? 控制性能：氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制。難以實現(xiàn)伺服控制響應速度：較高? 結構性能及體積：結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模塊化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小? 安全性：防爆性能較好，高于 1000 kpa(10 個大氣壓)時應注意設備的抗壓性? 對環(huán)境的影響：排氣時有噪聲? 在工業(yè)機器人中的應用范圍：適用于中小負載，快速驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人。如沖壓機器人、機器人本體的氣動平衡及裝配機器人AⅡ-V6L 焊接機器人18氣動夾具? 成本：成本低? 維修及使用：方便3.1.3 電動驅(qū)動電動驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點有以下幾點：? 輸出功率：較大? 控制性能：控制精度較高，輸出功率大。能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜? 響應速度：很高? 結構性能及體積：伺服系統(tǒng)易于標準化。結構性能好，噪聲低。惦記一般需要配置減速裝置，除 DD 電機外，難以進行直接驅(qū)動，結構緊湊，無密封問題? 安全性：設備自身無爆炸和火災危險。直流有刷電機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差? 對環(huán)境的影響：無? 在工業(yè)機器人中的應用范圍：適用于中小負載，具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度，速度較高的機器人。如 AC 伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等? 成本：成本高? 維修及使用：較復雜3.2 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)設計原則工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選用，應根據(jù)工業(yè)機器人的性能要求、控制功能、運行的功耗、應用環(huán)境及作業(yè)要求、性能價格比以及其他因素綜合加以考慮。在充分考慮到各種驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，在保證工業(yè)機器人性能規(guī)范、可行性和可靠性的前提下，做出決定。一般情況下，各種機器人驅(qū)動系統(tǒng)設計的原則有以下三種：3.2.1 控制方式物料搬運（包括上、下料） 、沖壓用的有限點位控制程序控制機器人、低速重負載的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)；中等負載的可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)；輕負載、高速的可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。用于點焊、弧焊及噴涂作業(yè)的工業(yè)機器人，要求具有任意點位和連續(xù)軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)，例如：電液伺服和電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)。在要求控制精度較高19如點焊、弧焊等工業(yè)機器人時，多采用電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)。負重載的搬運機器人及須防爆的噴涂機器人可采用電液伺服控制。3.2.2 作業(yè)環(huán)境要求從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機器人，由于工作環(huán)境需要防爆，考慮到其防爆性能，多采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)。水下機器人、核工業(yè)專用機器人、空間機器人以及在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質(zhì)環(huán)境中工作的移動機器人，一般采用交流伺服驅(qū)動。如要求在潔凈的環(huán)境中使用，則多要求采用直接驅(qū)動電動機驅(qū)動系統(tǒng)。3.2.3 操作運行速度對于裝配機器人，由于要求其具有很高的點位重復精度和較高的運行速度，通常在運行速度相對較低（≤4.5m/s）的情況下，可采用 AC、DC 或步進電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。在速度、精度要求都很高的條件下，多采用直接驅(qū)動（DD）電動機驅(qū)動系統(tǒng)。3.3 電機機器人電伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力直接或者間接的由機械傳動機構去驅(qū)動機器人本體的執(zhí)行機構，以獲得機器人的各種運動。適合于工業(yè)機器人的關節(jié)驅(qū)動電動機，應包括需要的的最大功率/質(zhì)量比、扭矩/慣量比、高起動力矩，低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別像是機器人末端執(zhí)行器應采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機，尤其是要求快速響應時，伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有很大的短時過載能力。這是伺服電動機在工業(yè)機器人中應用的先決條件。機器人對關節(jié)驅(qū)動電機的主要要求是：? 快速性? 起動力矩/ 慣量比大? 控制特性的連續(xù)性和直線性? 調(diào)速范圍寬? 體積小、質(zhì)量下、軸向尺寸短? 能經(jīng)受得起苛刻的運行條件? 高可靠性工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)中所采用的電動機，可細分為以下幾種：AⅡ-V6L 焊接機器人20? 直流伺服電動機? 交流伺服電動機? 步進電動機? 直接驅(qū)動電動機（DD ）3.4 電機的選擇設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為:（3-232211 lmJlJlmJGGG???1）、 、 分別為10kg、5kg、12kg。 、 、 分別為重心到第一關節(jié)軸的距m23 1l23l離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中 、211lJG?、 故 、 、 可忽略不計。所以繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)22lJG?233lJG?1GJ2GJ動慣量為：（3-2321lmll??2）= 2225.17.05.??=3kg?同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量:25342lmlJ??= 8.01.?= 28kg?式中： ——小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離 。4l m—— 腕部重心距第二關節(jié)軸的水平距離 。5設主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下（3-???JT3）式中： ——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 TmN?——角加速度 ?w2/srad21使機器人主軸從 到 /s所需時間為: 則：??0w219?1ts??011.355.6TJ Nmt????????若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為 2Nm?電動機的功率可按下式估算（3-?LPmP??M)5.1(～4）式中： ——電動機功率 ；mW——負載力矩 ；LPmN?——負載轉(zhuǎn)速 ；?srad/——傳動裝置的效率，初步估算取 0.9；?系數(shù) 1.4～2.5 為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取 1.4WPm7139.08214.???估算 后就可選取電機，使其額定功率 滿足下式rP（3-5）r?m選擇 SAGMAH 型伺服電機表 3-1 SAGMAH 型伺服電機技術數(shù)據(jù)功率（W）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）濾磁方式 絕緣等級工作制（min）750 24 46.2 3000 串勵 B 604. 關節(jié)設計4.1 大臂設計大臂的材料采用鋁合金材料，方形結構，臂厚 5mm 左右。內(nèi)部結構設計如圖（圖 4-1）所示：AⅡ-V6L 焊接機器人22圖 4-1 機器人大臂4.2 機座和腰部設計機座和腰部的材料采用鋁合金材料，方形結構，臂厚 5mm 左右。內(nèi)部結構設計如圖（圖 4-2）所示：23圖 4-2 機器人機座和腰部4.3 諧波減速器4.3.1 諧波減速器工作原理圖 4-3 諧波齒輪減速器諧波傳動是利用一個構件的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機械運動的傳遞。諧波傳動通常由三個基本構件( 俗稱三大件 )組成(如圖 4-3 所示)，包括一個有內(nèi)齒的剛輪，一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有滾動軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒 少于剛輪的內(nèi)齒 。在波發(fā)gZbZ生器轉(zhuǎn)動時，相應于長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，則外齒全脫開內(nèi)齒。當剛輪固定，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任一點的徑向位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱作諧波傳動。可以看出，由于 ＜ ，故當波發(fā)生器轉(zhuǎn)過一周(360。) 時gZb柔輪相對于剛輪則反方向轉(zhuǎn)過 ／ 周( ＝ — )。如果波發(fā)生器與主動?gZ軸(如電機)相聯(lián)，柔輪與從動軸相連，在剛輪固定時，就可得到減速比為 i＝-／ 的減速傳動，由于 很小(通常為 2，4)，故 i 反大，一般為 50 一Z?g300，減速效果可與少齒行星專動相媲美。4.3.2 諧波減速器的選擇1．諧波傳動的技術數(shù)據(jù)商品化的諧波傳動裝置有兩種類型，即三大件和由三大件裝配而成的減速器。對操作機來說，最常選用的是三大件，然后根據(jù)結構配置于各轉(zhuǎn)動關節(jié)，這樣可以構造出結構十分緊湊的傳動系統(tǒng)。對三大件來說(對減速器也適用) 通常有兩種技術數(shù)據(jù)：運動、力和精度方面的數(shù)據(jù)和尺寸方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可在有關產(chǎn)品AⅡ-V6L 焊接機器人24樣本中查得，或向廠家索取。下面簡要介紹幾個與諧波傳動有關的技術數(shù)據(jù)。圖 4-4 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與時間關系曲線a.轉(zhuǎn)矩-時間 b.轉(zhuǎn)速-時間(1)平均負載轉(zhuǎn)矩 、平均轉(zhuǎn)速 和當量轉(zhuǎn)矩 。對經(jīng)常vTvneqT處于起動、等連相減速運動的機器人操作機來說，其典型的轉(zhuǎn)短—時間相速度—時間關系曲線如圖 4-4 所示， ， ， 的計算如下：vneqmNnTstttntTTnzveqvv???????332133321/125(2)飛輪力矩和剛性。對操作扒來說，這兩項技術數(shù)據(jù)非常重要，因為操作機的關節(jié)運動經(jīng)常處于加減速的動態(tài)運動過程中。產(chǎn)品目錄通常給出入軸(波發(fā)生器) 處的 GD 值。如果需要計算，可取波發(fā)生器的 GD 值，因為柔輪速度很慢，其影響2 2可以忽略不計。(3)回差?；夭钣址Q空回，它不僅影響操作機的位置精度，而且對控制的過渡過程也有很大影響?；夭顟M可能小一些，但過小會影響效率，同時價格也大大提高，一般回差取 3’一 1’，對于后三關節(jié)，也可取 6’一 3’。2、諧波傳動的選擇諧波傳動的選擇分以下幾個步驟：(1)確定結構形式 (杯形柔輪還是環(huán)形柔輪)和速比。(2)繪制拉矩 —時問，轉(zhuǎn)速—時間曲線圖，并計算丁 v、Mh 7”(3)在滿足 i o 海 i，7v。＞71， ”v。)nv 的條件下根據(jù)樣萬確定型號(其中人丁 vh nvo 為樣本值) 。(4)校核丁 M 即在 n r 條件下 7m＞7”(其中 7m 是樣本中對應 A 的扭矩)。若產(chǎn)品樣：本末給出 7’v。 ，nv 。 ，可用 7。r 事 7”來選擇諧波傳動型號。4.4 圓柱齒輪傳動考慮到焊接機器人腰部傳動的傳動比比較小，對腰部傳動的要求較低，我選擇齒輪傳動。同時，焊接機器人的精度要求不高，故齒輪精度等選用 7 級。選擇小齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。選小齒輪齒數(shù) z1=40則大齒輪齒數(shù) 120341??za. 設計準則按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。按齒面接觸疲勞強度設計齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式 （4－1）3121][.2uTKZddtHEt ??????????其中， ，8.0?5.2aEMP.19AⅡ-V6L 焊接機器人26小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： mNnPT ??????5.23870.15.9105.9661試選載荷系數(shù) K t=1.4選擇材料的接觸疲勞極根應力為：MaH60lim1? MPaH5lim2?應力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計算可得（4-2）hjLn160?16830??9.則 9912 1076.25.6??uN接觸疲勞壽命系數(shù) ,.1HNK.2HN接觸疲勞安全系數(shù) minS求許用接觸應力: ??MPaKSHNH6051.53.2minl21il1????將有關值代入（4－1）得： ??mmuTZddtHEt67.235.238.07412.893. 121????????????則圓周速度： sndvt /9.16.10????齒寬：b = mm3.52.98?td?模數(shù)： .40731?zmtt齒高： 3.1592.5.??th275.13.6?hb由此查得： 03?FK根據(jù) v=1.3m/s,7 級精度，查得： 動載荷系數(shù) ；8.1?v直齒輪 ?FH使用系數(shù) ；動載荷分布不均勻系數(shù)AK02.1??HK則 .02.18.?????Hv修正 mdtt .4.67.2331mz5.048.1??取標準模數(shù) 。3c.計算基本尺寸 ??mdbzmad2058.1312041221?????取 2d. 校核齒根彎曲疲勞強度選擇材料的彎曲疲勞極限應力為：MPaFE501??PaFE3802??彎曲疲勞壽命系數(shù) .1NK6.2FN取彎曲安全系數(shù) S=1.4求許用彎曲應力: ??MPaKSFNEF 43.286.0413.9.52211 ????載荷系數(shù)： 12.01????FVAAⅡ-V6L 焊接機器人28齒形系數(shù) ， 80.21?FaY28.Fa查應力校正系數(shù)： 51S73.1?SaY校核兩齒輪的彎曲強度（4－3）1321SaFdFmzKT??MPa5.80208732?????16FMPa??2122 7.280.7FaFY???所以齒輪完全達到要求。齒輪的幾何尺寸名稱 符號 公式分度圓直徑dmzd120431??mzd3012??齒頂高 ahha?齒根高 f cf 75.3)2.01()(?齒全高 fa6753??? 齒頂圓直徑1admhd21 mhdaa062?齒根圓直徑1f ff 5.1? ff 5.922?基圓直徑 1bd mdb968.3cos1??mdb.34cos2?? 齒距 pp4.??齒厚 ss72/齒槽寬 ee1.?中心距 amda0/)(21?頂隙 cc75.3.??295. 機器人軸承設計球軸承是機器人和機械手機構中最常用的軸承。它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小。因此工業(yè)機器人又有自己特殊的軸承。其中，采用四點接觸式設計以及高精度加工工業(yè)的機器人專用軸承已經(jīng)問世，這種軸承比同等軸徑的常規(guī)中系列四點接觸軸承輕 25 倍。它的內(nèi)圈 (或外圈)由兩個半圈精確拼配而成，而其整體外圍(或內(nèi)圈)的溝曲率半徑較小，使鋼球與內(nèi)、外圈在四個“點”上接觸，既加大了徑向負荷能力，又能以緊湊的尺寸承受很的兩個方向的軸向負荷，并且有很好的兩個方向的軸向限位能力，因為它的軸向游隙相對較小，而其接觸角(一般取為 35°)又較大。5.1 工業(yè)機器人專用軸承結構形式工業(yè)機器人專用薄壁四點接觸球軸承通常有帶密封圈和不帶密封圈的結構形式(見圖 5-1)。其主要由內(nèi)圈、外圍、保持架、鋼球或非接觸式密封圈組成。內(nèi)、外圈均為整體結構，鋼球與內(nèi)、外因溝道呈四點接觸，保持架為冠形插入式結構。適合安裝在工業(yè)機器人的腕部、肘部等關節(jié)部位。薄壁交叉滾子軸承通常有滿滾子結構和帶沖壓保持架或隔離件的結構形式。為便于裝配，交叉滾子軸承外因或內(nèi)圈采用雙半結構，用螺釘連接，內(nèi)、外因滾道與軸承軸線呈 45°角，滾道之間交替放置互成 90°的圓柱滾子，滾子直徑一般應大于滾子長度，可承受徑向載荷及兩個方向的軸向載荷以及傾覆力矩，相當于兩套接觸角 ＝45°的角接觸軸承背靠?背安裝的組配。特別適合安裝在工業(yè)機器人的腰部、肩部等關節(jié)部位。圖 5-1 薄壁四點接觸球軸承