焊接机器人设计毕业论文(初稿).doc

摘要

随着科学技术的发展和工业技术的提高，越来越多的工业机器人被广泛应用于生产实践中，机器人与手工操作相比，有着明显的优势，广泛采用工业机器人不仅可提高产品的质量和产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用日益改变人类的生产生活。其中，焊接机器人是应用最为广泛的机器人，全球将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。
本论文以六自由度弧焊机器人为背景，详细介绍了焊接机器人，主要是基座及其大臂部分的结构设计和自由度部分电动机的选取。目的是设计出一个6kg的六自由度弧焊机器人。

Abstract
With the development of science and technology and the improvement of industrial technology, more and more industrial robots have been widely applied in production practice, the robot compared with manual operation, has obvious advantages, widely used in industrial robots can not only improve the quality of the products and production, and to safeguard the personal safety, improve working environment, reduce labor intensity, improve labor productivity, save raw materials consumption and reduce production cost, it is of great significance. As well as computer and network technology, industrial robots are widely used increasingly changing human production and living. Welding robot is the most widely used of the robot, nearly half of the global industrial robot is used for all kinds of welding processing field.
With six degrees of freedom arc welding robot as the background, this paper introduces in detail the welding robot, mainly is the base and the arm part structure design and the degrees of freedom selection of generator. The purpose is to design a 6 kg of six degrees of freedom arc welding robot.

目录

前言
课题的来源及意义

计算机技术是一门由计算机技术、信息技术、结构学、控制理论以及仿生学等多学科综合而成的一门高新技术。主要分为两类：工业机器人和服务机器人，现今主要以工业机器人为主。应用于多个领域：在制造业中，机器人用于毛坯制造、焊接、机械加工、表面处理、装配等作业中，大大减少了人类的工作强度，提高了操作安全性，同时降低了生产成本，提高了工作效率。焊接机器人作为工业机器人中的一员，它在高效、高质量焊接生产中发挥了重要作用。
在科技日益发达的今天，机器人已逐步进入人类的生产生活当中。当初只能在电视电影上看到的机器人，那些能够举起千斤重物的机器人，能够在墙上飞檐走壁的机器人。在我们这个时代已经不是梦想，在大街上我们可以看到爬壁机器人的高空作业，在深海机器人又可以代替人类考察，甚至上月球进行研究考察数据。这些机器人将在我们的生活中越来越平凡。 在工业生产中机器人更有人类难以取代的位置。机器人可以在恶劣的环境下代替人类工作，机器人不会觉得累。在焊接方面机器人更是做的比较出色。对于线条、点面进行的焊接精确度是相当的高。焊接机器人的质量直接就决定了生产制造出的产品的质量，所以制造一个精度高，机构精巧的焊接机器人是必不可少的。
从大角度来看国内焊接机器人的应用不少，但是国人自主研发的焊接机器人还是比较薄弱的，在生产中大多用的是德系，日系等国外技术生产的机器人。就国内国人自足研发焊接机器人，其重要部件如电机等还是需要向外国订购。从这方面可以看出，虽然中国是一个大国，但工业发展还是落后与其他小国家的。 不管国内还是国外对于焊接机器人的需求都是很大的，拥有一款好的焊接机器人将在焊接行业占领主导地位。从20世纪90年代以来，计算机的迅速发展，人工智能、传感器技术等大部分新型技术都应用到了焊接机器人当中。使焊接机器人越来越接近人工智能，焊接技术也越来越高。

焊接机器人的发展现状

从目前国内外对焊接机器人技术研究来看,焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法等几个方面。
从20世纪90年代中期，国外一些大学、研究所针对弧焊参数制定、机器人与变位机协调焊接等问题对弧焊离线编程与仿真技术进行研究，并开发出原型系统。 随着PC机CAD软件的发展，出现了集成在功能强大的CAD软件上的离线编程系统，真正做到了CAD、CAM一体化。商品化离线编程系统在弧焊方面进步很大，实现了无碰焊接路径的自动生成、焊缝的自动编程等功能。

焊接机器人的发展趋势

近年来，随着机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多，各种新型传感器不断出现。例如：超声波触觉传感器、静电电容式距离传感器，基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器，以及具有焊接工件检测、识别和定位功能的视觉系统等。但是，单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，不能满足智能机器人系统获取环境信息和系统决策能力的要求。为了有效利用这些传感器的信息，需要对不同信息进行综合处理，从多种传感器信息中获取单一传感器不具备的新功能和新特点，即多传感器智能信息融合技术，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确性。
近几年，从世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术向智能化、模块化和系统化的方向发展。其发展趋势主要包括：(1)结构模块与可重构化；(2)控制技术开放化；(3)PC化与网络化；(4)伺服驱动技术的数字化与分散化；(5)多传感器融合技术的实用化：(6)工作环境的优化与作业的柔性化；(7)系统网络化与智能化等。

参考文献综述

设计弧焊机器人时一般具有冗余自由度，可以让不同厂家购入后可以按照具体焊接作业任务，按照机器人生产厂家提供的技术参数和机器人开发方式进行二次开发。但这样导致了机器人结构复杂，价格昂贵，使得投入成本大大提高，所以在设计前一定要明确弧焊机器人的用途，在能达到技术要求的情况下尽可能减小冗余自由度，减少不必要的浪费。
随着科学技术的发展，有人提出6自由度机器人设计的关键技术主要体现在以下几方面：
（1） 机器人机构技术；
（2） 机器人控制技术；
（3） 数字伺服驱动技术；
（4） 多传感器系统技术；
（5） 机器人应用技术；
（6） 机器人网络化技术；
（7） 机器人灵巧化和智能化发展。
弧焊机器人设计开发时主要考虑机器人的合理性,实用性,可靠性,先进性,经济性等因素,使机器人应用达到更高水平。
机器人方案确定：所确定机器人方案的运动学分析和基于示教的轨迹规划。
首先,分析了弧焊机器人的结构特点,并根据工作空间要求、作业特点,确定了一种5自由度悬挂式构形。
其次,按照焊接工艺的要求,确定了机器人的性能参数并进行了样机设计。
再次,通过齐次坐标变换矩阵,建立了所选方案的运动学方程式,给出了运动学正逆解和雅可比矩阵。
第四,使用ADAMS软件,建立了机器人的虚拟样机并进行了运动学仿真。
第五,提出了一种可行的机器人示教方案,并进行了相关实验。
第六,针对作业对象,提出了由示教点获得工具路径的方法。
第七,考察了机器人轨迹规划方法,按照作业要求,基于示教所得轨迹,进行了机器人轨迹规划并对规划的结果进行了仿真。
这七个步骤很好的诠释了机器人设计方案是如何一步步确定的确定。
利用计算多自由度串联旋转关节型机器人最大工作空间的曲面包络叠加计算方法,该方法将多自由度机器人分为几个少自由度部分,选取各部分的工作参考点并用曲面包络法计算各参考点的边界曲面,然后,将各部分的边界曲面相互叠加以获得最终完整工作空间。该方法可有效计算机器人工作空间,建立其三维模型,方法简单、直观。
本次毕业设计主要完成6自由度弧焊机器人的基座及其大臂的结构设计。

研究的主要内容，解决的主要问题

焊接机器人占了全球工业机器人总量的40%，对其焊接精度和焊接速度的要求越来越高，一般工人已经很难达到这种要求；除此之外，焊接时会产生火花及烟雾，会对人体产生伤害。对其研究的主要意义有以下几点：
（1） 稳定和提高焊接质量，保证产品的均一性；
（2） 改善工人的工作条件；
（3） 提高生产效率。
本论文所研究的是6自由度弧焊机器人，主要解决弧焊机器人的基座及其大臂的结构设计，主要需要解决以下几个问题：
（1）搞清弧焊机器人的工作原理，及各个部件互相关系；
（2）对大臂和基座的工作原理进行研究，明确其传动关系；
（3）明确各部件的装配关系，画出装配图和主要零件图；
（4）明确各部件的技术要求，合理选择材料和配合关系。

六自由度弧焊机器人总体设计方案
六自由度焊接机器人运动简图

要设计机器人，首先我们必须了解其运动原理，其运动原理如图1所示

图1：运动原理图

我此次设计的主要是第一关节和第二关节，也就是基座和大臂部分。

基座的设计

在焊接机器人中，基座是一个关键部件。它固定在工作台上，又承载着机器人所有重量，同时所有控制线和电路线都经过底座布置到机器人其他部件。基座主要由这几部分组成：底座、减速器、转座、伺服电机等。

首先设计的是机器人的“脚”也就是底座。下面是底座的三维图。如图2所示：

图2：底座三维图

底座各部分尺寸如图3所示。

图3：底座三视图

由于底座要支撑起整个机器人，还应考虑几乎所有电线都要从底座内部通过，所以内部空间不宜太小。故在尺寸方面要综合考虑机器人的稳定性和内部空间大小等各种方面来选取合适的尺寸,其中底座顶部的圆是与减速器相连接的，所以半径大小与减速器的半径大小有关。

底座与转座之间，需要一个部件来调节速度，此部件即为减速器。此次设计我选用的是日本帝人RV-50C-32,54-A-B减速器。如图4所示：

图4：RV-50C-32,54-A-B减速器的三维图

RV-50C-32,54-A-B减速器的尺寸如图5所示。

图5：RV-50C-32,54-A-B减速器三视图

日本帝人减速器RV系列减速器据有很多优点，同轴、结构紧凑，高刚度，高精度等，同时也具有更长寿命，长时间内免维护的优点。
减速器上面所连接的就是转座，转座顾名思义就是可以使机器人转动。是整个机器人至关重要的部分，它不仅仅控制着机器人的转动，还控制着大臂的转动。所以在转座部分会装有两个伺服电机，分别控制着两个转动。下图6为转座的三维图：

图6：转座三维图

转座的各尺寸如下图7所示：

图7：转座三视图

底座结构较为复杂，其中两块方盖为电动机底板，作用是固定电动机的，尺寸与电动机尺寸密切相关。转座下部的圆形部件与RV-50C-32,54-A-B减速器相连，所以半径与其相配合。而上部的圆形部件是控制大臂的摆动的，所以也需要用减速器调节速度，其半径大小便与减速器半径大小相关，此次我选择的是RV-20E-140-B-B减速器，

接下来是固定在方形板上的电动机，综合考虑弧焊机器人的负载和工作情况，我此次选用的是BR51302BR伺服电机，功率：0.55kw,转速：3000rpm。如下图8所示：

图8：伺服电机的三维图

伺服电机的尺寸图如下图9所示：

图9：伺服电机三视图

接着是介于转座和大臂之间的RV-20E-140-B-B减速器,其三维图如图10所示：

图10：RV-20E-140-B-B减速器三维图

其尺寸如图11所示：

图11：RV-20E-140-B-B减速器三视图

大臂的设计

大臂的结构比基座简单些，作为机器人的主要部件，大臂的精度是影响焊接精度的主要因素。在设计中要注意减小大臂的运动惯量，其设计如图12所示：

图12：大臂三维图

大臂的尺寸如图13所示：

图13大臂三视图

大臂上部和下部都是与减速器相连接，所以半径与减速器半径相关，整个大臂的长度则与工作半径等因素综合考虑计算得来的。

六自由度弧焊机器人精细零件

基座部分

在底座和RV-50C-32,54-A-B减速器装配完成后，在其相配合的孔中插入穿线管，如图14所示：

图14：穿线管三维图

在穿线管上盖上轴承压盖，其形状如图15所示：

图15：轴承压盖三维图

伺服电机与转轴之间有一个输入齿轮，来控制转轴的转动。如图16所示：

图16：输入齿轮三维图

为了控制转座转动幅度，必须要用到限位撞块。其形状如下图17所示：

图17：限位撞块三维图
大臂部分

同样为了控制大臂的摆动幅度，要用到限位挡块和限位撞块。如下图18和19所示：

图18：限位挡块三维图

图19：限位挡块三维图

六自由度弧焊机器人的装配
（仅基座及大臂部分）

基座部分的装配

先把底座和RV-50C-32,54-A-B减速器装配好，再把转座与RV-50C-32,54-A-B减速器相接，在转座中心圆孔中插入穿线管，盖上轴承压盖。如下图20所示：

图20：基座装配图

大臂部分的装配

这部分比基座部分简单很多，只需将限位挡块和限位撞块装到大臂上即可，如图21所示：

图21：大臂装配图

基座及大臂整体装配

现将大臂和基座通过RV-50C-32,54-A-B减速器装配到一起，再装上伺服电机和输入齿轮。装配完成如图22所示：

图22：基座及大臂整体装配图

此图便是六自由度弧焊机器人的基座及大臂部分。

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结束语
这个设计的说明书到此就告结束了。在设计之前以及之中，在思路发生偏差之时，在遇到的问题和瓶颈之时，师长和同学们给予相当多的启发和帮助。
经过为期三个月的实习和论文设计，使三年来所学的机械专业知识在实践中加深了认识，并且这也相当于在毕业之前对所学各课程的一次全面性的复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我三年生活中占有重要的地位。
通过本毕业论文计，巩固了我在校所学的专业基础知识，锻炼了我的自学能力，研究能力以及各种综合能力，进一步理解并运用所学的专业知识，扩大了我的知识面，加强我的多学科理论知识与技能综合能力的训练，培养我的创新意识，创新能力和获取新知识能力。就我个人而言，我希能通过这次毕业设计对自已未来将从事的工作进行一次适应性的训练，希望在设计中能锻炼自已分析问题、解决问题的能力，为自已今后的实现人生目标打下一个良好的基础。
通过本次论文设计，我感到了自己知识面的狭窄，由于自己的专业知识水平和能力所限，设计仍有许多不足之处，期望各位老师给予批评指正。