五自由度電焊機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書分 類 號(hào) 密 級(jí) 寧寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)五自由度電焊機(jī)器人設(shè)計(jì)所在學(xué)院專 業(yè)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)老師 年 月 日摘要工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 已為世人所認(rèn)同。并正對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生了重要影響。隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來(lái)越大，而且焊接技術(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人應(yīng)用雖已具有一定規(guī)模，但與我國(guó)焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠(yuǎn)。因此，大力研究并推廣焊接機(jī)器人技術(shù)勢(shì)在必行。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是運(yùn)用機(jī)械原理和機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人的實(shí)踐和方法。本次設(shè)計(jì)，是在了解焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)而掌握焊接機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)總體和腰部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理布置了液壓缸。同時(shí)了解機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)控制學(xué)。為工業(yè)上焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論參考、設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：焊接機(jī)器人，液壓系統(tǒng)，機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，ABSTRACTIndustrial robot as an important symbol of the development of modern manufacturing technology and new technology industry, has been accepted by the world. And have a strong effect on the field of modern high technology industry and peoples life.With the increasing development of science and technology and industrial demand, welding technique which occupy in the industrial production of component is more and more big, and the degree of excellent welding technology directly affects the quality of parts or products. The application of welding robot has a certain scale, but with the Chinese welding production demand overall far. Therefore, to research and extension of welding robot technology be imperative.The point of this design is the use of mechanical principle and mechanical manufacturing equipment design practice and the method of welding robot. The design, is to understand the basic welding situation at home and abroad on the robot, and then master the internal structure and working principle of robot welding, and the structure design for the overall and waist. The rational layout of the hydraulic cylinder. At the same time, to understand the robot mechanical system kinematics and motion control. Provide the theoretical reference, the design reference and the data for the industrial welding robot design, provides the design theory and practice reference for industrial designers. The robot has good rigidity, high position precision, the characteristics of stable operation of the.Keywords: welding robot, hydraulic system, mechanical design,目 錄摘要2ABSTRACT3目 錄4第一章 概述61.1自動(dòng)焊接機(jī)器人簡(jiǎn)介61.2工業(yè)機(jī)器人定義和概念71.3工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造71.4工業(yè)機(jī)器人工作原理81.5工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)成12第2章 焊接機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)212.1 總體設(shè)計(jì)的思路212.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇212.3 傳動(dòng)方案論證232.4 焊接機(jī)器人的組成252.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)252.4.2 控制系統(tǒng)分類272.5 焊接機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)272.6 本章小結(jié)27第3章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算293.1機(jī)身的整體設(shè)計(jì)293.2機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算293.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算313.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算313.3.2 升降不自鎖條件分析計(jì)算323.3.3 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算323.4 軸承的選擇分析323.5 本章小結(jié)33第4章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算344.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求344.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇354.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)354.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇364.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算364.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算364.3.2 手臂慣性力的計(jì)算374.3.3 密封裝置的摩擦阻力374.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定384.5 活塞桿的計(jì)算校核394.6 本章小結(jié)40第五章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)415.1 電氣系統(tǒng)主要元件介紹415.1.1 PLC簡(jiǎn)介及選型415.1.2 變頻器簡(jiǎn)介445.1.3 人機(jī)界面465.2 電氣原理圖475.3 PLC程序設(shè)計(jì)475.4 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)52結(jié) 論55參考資料56第一章 概述1.1自動(dòng)焊接機(jī)器人簡(jiǎn)介工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 已為世人所認(rèn)同。并正對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生了重要影響。從 1962 年美國(guó)推出世界上第一臺(tái) Unimate 型和 Versatra 型工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，根據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)截止到 1996 年底的統(tǒng)計(jì)，先后已有 84 萬(wàn)臺(tái)，現(xiàn)有大約 68 萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人服役于世界各國(guó)的工業(yè)界。預(yù)計(jì)到 2000 年，工業(yè)機(jī)器人總數(shù)將超過(guò) 95 萬(wàn)臺(tái)。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，但從 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)進(jìn)展較快， 1985 年研制成功華字型弧焊機(jī)器人， 1987 年研制成功上海 1 號(hào)、 2 號(hào)弧焊機(jī)器人， 1987 年又研制成功華字型點(diǎn)焊機(jī)器人，都已初步商品化，可小批量生產(chǎn)。 1989 年，我國(guó)以國(guó)產(chǎn)機(jī)器人為主的汽車焊接生產(chǎn)線的投入生產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)用階段的開始。焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機(jī)器人，在各國(guó)機(jī)器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的 40 60 。我國(guó)目前大約有 600 臺(tái)以上的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人用于實(shí)際生產(chǎn)。采用機(jī)器人焊接是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式，開拓了一種柔性自動(dòng)化新方式。剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，因而在中、小批量產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機(jī)器人使小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)成為可能。就目前的示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人而言，焊接機(jī)器人完成一項(xiàng)焊接任務(wù)，只需人給它做一次示教，它即可精確地再現(xiàn)示教的每一步操作，如要機(jī)器人去做另一項(xiàng)工作，無(wú)須改變?nèi)魏斡布?，只要?duì)它再做一次示教即可。因此，在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上，可同時(shí)自動(dòng)生產(chǎn)若干種焊件。焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1) 易于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；2) 提高生產(chǎn)率，一天可 24h 連續(xù)生產(chǎn)；3) 改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作：4) 降低對(duì)工人操作技術(shù)難度的要求；5) 縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；6) 可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；7) 為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。 1.2工業(yè)機(jī)器人定義和概念 關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的定義尚未統(tǒng)一，目前聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義如下：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的、用來(lái)搬運(yùn)物料、零件、工具的機(jī)械手，或能執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變的和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)，這個(gè)定義不能概括工業(yè)機(jī)器人的今后發(fā)展，但可說(shuō)明目前工業(yè)機(jī)器人的主要特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展大致可分為三代。第一代機(jī)器人，即目前廣泛使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，這類機(jī)器人對(duì)環(huán)境的變化沒(méi)有應(yīng)變或適應(yīng)能力。第二代機(jī)器人，即在示教再現(xiàn)機(jī)器人上加感覺(jué)系統(tǒng)，如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等。它具有對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力， 目前已有部分傳感機(jī)器人投入實(shí)際應(yīng)用。第三代機(jī)器人，即智能機(jī)器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周圍的環(huán)境、識(shí)別操作的對(duì)象，并自行規(guī)劃操作順序以完成賦予的任務(wù)，這種機(jī)器人更接近人的某些智能行為。目前尚處實(shí)驗(yàn)室研究階段。 1.3工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造 1) 機(jī)械手 (Manipulator) 也可稱為操作機(jī)。具有和人臂相似的功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。2) 驅(qū)動(dòng)器 (Actuator) 將電能或流體能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置。3) 末端操作器 (End Effector) 位于機(jī)器人腕部末端、直接執(zhí)行工作要求的裝置。如夾持器、焊槍、焊鉗等。4) 位姿 (Pose) 工業(yè)機(jī)器人末端操作器在指定坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。5) 工作空間 (Working Space) 工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)的范圍。6) 機(jī)械原點(diǎn) (MechanicalOrigin) 工業(yè)機(jī)器人各自由度共用的，機(jī)械坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)點(diǎn)。7) 工作原點(diǎn) (Work Origin) 工業(yè)機(jī)器人工作空間的基準(zhǔn)點(diǎn)。8) 速度 (Velocity) 機(jī)器人在額定條件下，勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。9) 額定負(fù)載 (Rated load) 工業(yè)機(jī)器人在限定的操作條件下，其機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載 ( 包括末端操作器 ) ，用質(zhì)量或力矩表示。10) 重復(fù)位姿精度 (PoseRepeatability) 工業(yè)機(jī)器人在同一條件下，用同一方法操作時(shí)，重復(fù) t 次所測(cè)得的位姿一致程度。11) 軌跡重復(fù)精度 (PathRepeatability) 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械接口中心沿同一軌跡跟隨 x 次所測(cè)得的軌跡之間的一致程度。12) 點(diǎn)位控制 (PointToPointContr01) 控制機(jī)器人從一個(gè)位姿到另一個(gè)位姿，其路徑不限。13) 連續(xù)軌跡控制 (Continuous PathContr01) 控制機(jī)器人的機(jī)械接口，按編程規(guī)定的位姿和速度，在指定的軌跡上運(yùn)動(dòng)。14) 存儲(chǔ)容量 (Memory Capacity) 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置中可存儲(chǔ)的位置、順序、速度等信息的容量，通常用時(shí)間或位置點(diǎn)數(shù)來(lái)表示。15) 外部檢測(cè)功能 (External MeasuringAbility) 機(jī)器人所具備對(duì)外界物體狀態(tài)和環(huán)境狀況等的檢測(cè)能力。16) 內(nèi)部檢測(cè)功能 (Internal MeasuringAbility) 機(jī)器人對(duì)本身的位置、速度等狀態(tài)的檢測(cè)能力。17) 自診斷功能 (SelfDiagnosisAbility) 機(jī)器人判斷本身全部或部分狀態(tài)是否處于正常的能力。 1.4工業(yè)機(jī)器人工作原理 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的焊接機(jī)器人都屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡(jiǎn)述如下：1.機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一臺(tái)通用的工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由 3 個(gè)相互關(guān)連的部分組成：機(jī)械手總成、控制器、示教系統(tǒng)，如圖 1 所示。機(jī)械手總成是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)、末端操作器、以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。 圖 1 工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、白保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過(guò)程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過(guò)程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信息送入控制器的存儲(chǔ)器中，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)專用的智能終端。2.機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個(gè)剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)串連而成，是一個(gè)開環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端操作器 ( 如焊槍 ) ，在機(jī)器人操作時(shí)，機(jī)器人手臂前端的末端操作器必須與被加工工件處于相適應(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，必須要知道機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量空間和末端操作器的位置和姿態(tài)之間的關(guān)系，這就是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)中有兩個(gè)基本問(wèn)題。a.對(duì)給定機(jī)械臂，己知各關(guān)節(jié)角矢量 g(f)=gl(t) ，g2(t) ，. gn(i) ，其中 n 為自由度。求末端操作器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題。在機(jī)器人示教過(guò)程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題運(yùn)算。b.對(duì)給定機(jī)械臂，已知末端操作器在參考坐標(biāo)系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。在機(jī)器人再現(xiàn)過(guò)程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的運(yùn)算都采用 D-H 法，這種方法采用 4X4 齊次變換矩陣來(lái)描述兩個(gè)相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問(wèn)題簡(jiǎn)化為尋求等價(jià)的 4X4 齊次變換矩陣。逆問(wèn)題的運(yùn)算可用幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法 ob 在此不作具體介紹，可參考文獻(xiàn) 1。對(duì)于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動(dòng)力學(xué)模型， 由于目前通用的工業(yè)機(jī)器人 ( 包括焊接機(jī)器人 ) 最大的運(yùn)動(dòng)速度都在 3m s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)控制，動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)正 1 3 。c.機(jī)器人軌跡規(guī)劃 機(jī)器人機(jī)械手端部從起點(diǎn) ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務(wù)是用一種函數(shù)來(lái)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并沿時(shí)間軸產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點(diǎn)”，用于控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。 d.機(jī)器人機(jī)械手的控制 當(dāng)一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程已給定。它的控制目的就是按預(yù)定性能要求保持機(jī)械手的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是由于機(jī)器人機(jī)械手的慣性力、耦合反應(yīng)力和重力負(fù)載都隨運(yùn)動(dòng)空間的變化而變化，因此要對(duì)它進(jìn)行高精度乙斗高速、高動(dòng)態(tài)晶質(zhì)的控制是相當(dāng)復(fù)雜而困難的，現(xiàn)在正在為此研究和發(fā)展許多新的控制方法。 目前工業(yè)機(jī)器人上采用的控制方法是把機(jī)械手上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負(fù)載系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為線性的非耦合單獨(dú)系統(tǒng)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有兩個(gè)伺服環(huán)，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)見(jiàn)圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號(hào)，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補(bǔ)嘗器 ( 具有衰減速度的微分反饋 ) 組成，兩個(gè)伺服環(huán)的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法 (PID 法 ) 。這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高和負(fù)荷不大的機(jī)器人控制，對(duì)常規(guī)焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)，已能滿足要求 1 。圖 2 機(jī)械手伺服控制體系結(jié)構(gòu) e.機(jī)器人編程語(yǔ)言 機(jī)器人編程語(yǔ)言是機(jī)器人和用戶的軟件接口，編程語(yǔ)言的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用戶的方便性，至今還沒(méi)有完全公認(rèn)的機(jī)器人編程語(yǔ)言，每個(gè)機(jī)器人制造廠都有自己的語(yǔ)言。實(shí)際上，機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程不同，機(jī)器人操作的對(duì)象是各類三維物體，運(yùn)動(dòng)在一個(gè)復(fù)雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此其編程語(yǔ)言主要有兩類：面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言和面向任務(wù)的編程語(yǔ)言。面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言的主要特點(diǎn)是描述機(jī)器人的動(dòng)作序列，每一條語(yǔ)句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作，整個(gè)程序控制機(jī)器入完種：1) 專用的機(jī)器人語(yǔ)言，如 PUMA 機(jī)器人的 VAL 語(yǔ)言，是專用的機(jī)器人控制語(yǔ)言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ 。2) 在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫(kù)。如美國(guó)機(jī)器人公司開發(fā)的 AR Basic 和 Intelledex 公司的 Robot Basic 語(yǔ)言，都是建立在 BASIC 語(yǔ)言上的。3) 開發(fā)一種新的通用語(yǔ)言加上機(jī)器人子程序庫(kù)。如 IBM 公司開發(fā)的 AML 機(jī)器人語(yǔ)言。面向任務(wù)的機(jī)器人編程語(yǔ)言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機(jī)器人去完成一個(gè)具體的任務(wù)，而不需要說(shuō)明機(jī)器人需要采取的每一個(gè)動(dòng)作的細(xì)節(jié)。如美國(guó)的 RCCL 機(jī)器人編程語(yǔ)言，就是用 C 語(yǔ)言和一組 C 函數(shù)來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的任務(wù)級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言。焊接機(jī)器人的編程語(yǔ)言，目前都屬于面向機(jī)器人的語(yǔ)言，面向任務(wù)的機(jī)器人語(yǔ)言尚屬開發(fā)階段。大都是針對(duì)裝配作業(yè)的需要。 1.5工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)成 工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)成，可參見(jiàn)圖 3 和圖 4 。圖 3 為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，圖 4 為一臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人基本上都屬于這兩類工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?10kg 以內(nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過(guò) 35kg 。也有采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、驅(qū)動(dòng)器和示教盒 4 個(gè)基本部分構(gòu)成。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，控制器和驅(qū)動(dòng)器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，液壓驅(qū)動(dòng)源單獨(dú)成一個(gè)部件，現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下：(1) 機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端操作器 ( 如焊槍飛點(diǎn)焊鉗 ) 實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標(biāo)是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化。現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種：1) 機(jī)床式 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的 3 個(gè)運(yùn)動(dòng) (x y z) 是由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，如圖 5 所示，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單，控制精度容易提高；缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡(jiǎn)易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。 圖 3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 圖 4 液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 2) 全關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，圖 6 為正置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手，圖 7 為偏置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手。這是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點(diǎn)是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動(dòng)范圍，但其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機(jī)器人主要采用全關(guān)節(jié)式機(jī)械手。圖 5 機(jī)床式機(jī)械手3) 平面關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是上下運(yùn)動(dòng)由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其他運(yùn)動(dòng)均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用，又稱為 SCARA 型機(jī)械手，如圖 8 所示。機(jī)器人機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機(jī)構(gòu)組合而成。現(xiàn)以美國(guó) PUMA 機(jī)械手為例來(lái)簡(jiǎn)述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖 9 。它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4 部分構(gòu)成，機(jī)座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺， 以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭， 以連接末端操作器。每個(gè)關(guān)節(jié)都由一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， PUMA 機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動(dòng)，但不同廠家采用的機(jī)構(gòu)不盡相同，減速機(jī)構(gòu)常用的是 4 種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動(dòng)方式有桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動(dòng)雙向無(wú)間隙 ( 即正反傳動(dòng)均無(wú)間隙 ) ，這是機(jī)器人精度的機(jī)械保證，當(dāng)然還要求效率高，機(jī)構(gòu)緊湊。 圖 6 正置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手圖 7 偏置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手 圖 8 平面關(guān)節(jié)機(jī)械手 圖 9 PUMA 機(jī)械手機(jī)構(gòu)(2) 驅(qū)動(dòng)器 由于焊接機(jī)器人大多采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這里只介紹這類驅(qū)動(dòng)器。工業(yè)機(jī)器人目前采用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可分為 4 類：1) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 它采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，特別是細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，由于這類系統(tǒng)一般都是開環(huán)控制，因此大多用于焙席較低的經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī) 9S 人。2) 直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 它采用直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，由于它能實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度 3 個(gè)閉環(huán)控制。精度高、變速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好。因此，是目前工業(yè)機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。3) 交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器 它采用交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有直流伺服系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且取消了換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長(zhǎng)了機(jī)器人的維修周期。因此，正在機(jī)器人中推廣采用。4) 直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 這是最新發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有大于 1 萬(wàn)的調(diào)速比，在低速下仍能輸出穩(wěn)定的功率和高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在機(jī)械手上可直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，取消了減速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)又提高了效率，是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向，美國(guó)的 Adapt 機(jī)器人是直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器布置都采用一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、電機(jī)、測(cè)角器、測(cè)速器和制動(dòng)器。它的功能不僅能提供足夠的功率驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)，而且要實(shí)現(xiàn)快速而頻繁起停，精確地到位和運(yùn)動(dòng)。因此必須采用位置閉環(huán)、速度閉環(huán)、加速度閉環(huán)。為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)和電路，還要有電流閉環(huán)。為適應(yīng)機(jī)器人的頻繁起停和高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求，一般都采用低慣量電動(dòng)機(jī)，因此，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)要求很高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 為了實(shí)現(xiàn)上述 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)，在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器中都裝有高精度測(cè)角、測(cè)速傳感器。測(cè)速傳感器一般都采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，測(cè)角傳感器一般都采用精密電位計(jì)或光電碼盤，尤其是光電碼盤。圖 10 是它的原理圖。光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶有細(xì)分刻槽的碼盤同速旋轉(zhuǎn)，固定光源射向光電管的光束則時(shí)通時(shí)斷，因而輸出電脈沖。實(shí)際的碼盤是輸出兩路脈沖，由于在碼盤內(nèi)布置了兩對(duì)光電管，它們之間有一定角度差，因此兩路脈沖也有固定的相位差，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。機(jī)器個(gè)以上脈沖。(3) 控制器 機(jī)器人控制器是機(jī)器人的核心部件，它實(shí)施機(jī)器人的全部信息處理和對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。圖 11 是控制器的工作原理圖。工業(yè)機(jī)器人控制器大多采用二級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為第一級(jí)計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)是規(guī)劃和管理。機(jī)器人在示教狀態(tài)時(shí)，接受示教系統(tǒng)送來(lái)的各示教點(diǎn)位置和姿態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算把各點(diǎn)的示教 ( 關(guān)節(jié) ) 坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。 圖 10 光電碼盤原理圖圖 11 控制器工作原理圖機(jī)器人在再現(xiàn)狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)存中逐點(diǎn)取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時(shí)間節(jié)拍 ( 又稱采樣周期 ) 對(duì)它進(jìn)行圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)算，算出各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成。然后逐點(diǎn)的把各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送至各個(gè)關(guān)節(jié)。這就是第一級(jí)計(jì)算機(jī)的規(guī)劃全過(guò)程。第二級(jí)計(jì)算機(jī)是執(zhí)行計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)是進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制。它接收了第一級(jí)計(jì)算機(jī)送來(lái)的各關(guān)節(jié)下一步預(yù)期達(dá)到的位置和姿態(tài)后，又做一次均勻細(xì)分，以求運(yùn)動(dòng)軌跡更為平滑。然后將各關(guān)節(jié)的下一細(xì)步期望值逐點(diǎn)送給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)檢測(cè)光電碼盤信號(hào)，直到其準(zhǔn)確到位。以上均為實(shí)時(shí)過(guò)程，上述大量運(yùn)算都必須在控制過(guò)程中完成。以 PUMA 機(jī)器人控制器為例，第一級(jí)計(jì)算機(jī)的采樣周期為 28ms ，即每 28ms 向第二級(jí)計(jì)算機(jī)送一次各關(guān)節(jié)的下一步位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，第二級(jí)計(jì)算機(jī)又將各關(guān)節(jié)值等分 30 細(xì)步，每 0.875ms 向各關(guān)節(jié)送一次關(guān)節(jié)坐標(biāo)值。 (4) 示教盒 示教盒是人對(duì)機(jī)器人示教的人機(jī)交互接口，目前人對(duì)機(jī)器人示教有 3 種方式：1)手把手示教 又稱全程示教，即由人握住機(jī)器人機(jī)械臂末端，帶動(dòng)機(jī)器人按實(shí)際任務(wù)操作一遍。在此過(guò)程中，機(jī)器人控制器的計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)記下各關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)值，而不作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再現(xiàn)時(shí)，再逐點(diǎn)取出，這種示教方式需要很大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存、而且由于機(jī)構(gòu)的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在噴漆、噴涂機(jī)器人上。2)示教盒示教 即由人通過(guò)示教盒操縱機(jī)器人進(jìn)行示教，這是最常用的機(jī)器人示教方式，目前焊接機(jī)器人都采用這種方式。3)離線編程示教 即無(wú)需人操作機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示教，而可根據(jù)圖樣，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程，然后輸給機(jī)器人控制器。它具有不占機(jī)器人工時(shí)，便于優(yōu)化和更為安全的優(yōu)點(diǎn)，所以是今后發(fā)展的方向。圖 12 為 ESAB 焊接機(jī)器人的示教盒，它通過(guò)電纜與控制箱連接，人可以手持示教盒在工件附近最直觀的位置進(jìn)行示教。示教盒本身是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，它不斷掃描盒上的功能和數(shù)字鍵、操縱桿，并把信息和命令送給控制器。各廠家的機(jī)器人示教盒都不相同，但其追求的目標(biāo)都是為方便操作者。圖 12 焊接機(jī)器人的示教盒示教盒上的按鍵主要有 3 類：1)示教功能鍵 如示教再現(xiàn)、存入刪除修改、檢查、回零、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，為示教編程用。2)運(yùn)動(dòng)功能鍵 如刀向動(dòng)、 y 向動(dòng)、 z 向動(dòng)、正反向動(dòng)、 1 6 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)等，為操縱機(jī)器人示教用。3) 參數(shù)設(shè)定鍵 如各軸速度設(shè)定、焊接參數(shù)設(shè)定、擺動(dòng)參數(shù)設(shè)定等。 第2章 焊接機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)焊接機(jī)器人，本章主要對(duì)焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。2.1 總體設(shè)計(jì)的思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：(1) 系統(tǒng)分析階段根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)；分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。(2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式；擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖；確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种?、掌、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人為4自由度即：腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:(1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)Error! Reference source not found.。(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。(3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間Error! Reference source not found.。(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人采用直角坐標(biāo)。a)直角坐標(biāo)型 b)圓柱坐標(biāo)型 c)球坐標(biāo)型 d)關(guān)節(jié)型圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式2.3 傳動(dòng)方案論證焊接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)機(jī)式。(1) 液壓驅(qū)動(dòng):是指動(dòng)源（發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)）驅(qū)動(dòng)油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)器需要的動(dòng)力。(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，與液壓驅(qū)動(dòng)相比較，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)由于壓縮空氣粘度小，所以容易達(dá)到高速；由于可利用工廠集中空氣壓縮機(jī)站供氣，減少了動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)不污染環(huán)境，安全高溫下可正常工作；空氣取之不竭用之不盡，相對(duì)于油液廉價(jià)，故氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件比液壓元件價(jià)格低(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也在隨之提高并且電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，所以就目前來(lái)看，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)正逐步為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式所代替。 表2-1 三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出力壓力高，可獲得大的輸出力壓力相對(duì)要小，輸出力小輸出力較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)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(fù)雜響應(yīng)速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題安全性防爆性能好，用液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa（十個(gè)大氣壓）時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境防爆性能較差對(duì)環(huán)境影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無(wú)在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、電焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)械手適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜2.4 焊接機(jī)器人的組成 焊接機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。2.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，因此手部并無(wú)其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個(gè)焊槍，通過(guò)螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴(kuò)大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部是利用液壓缸實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部的運(yùn)動(dòng)為一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖2-2所示。圖2-2 腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)的。將夾緊活塞缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。（3）臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到直線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有一個(gè)自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運(yùn)動(dòng)。臂部的運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動(dòng)載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的前后伸縮運(yùn)動(dòng)。臂部的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：1650mm；伸縮速度：250mm/s。機(jī)器人臂部的伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。（4）機(jī)身機(jī)身部分運(yùn)動(dòng)的目的：把臂部送到直線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機(jī)身的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)身部分具有兩個(gè)自由度才能滿足基本要求，即機(jī)身的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)身的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從機(jī)身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基座的上下伸縮、以及機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)身的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：500mm；伸縮速度：250mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機(jī)器人機(jī)身的伸縮使其工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，機(jī)身的最大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。伸縮式機(jī)身結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。機(jī)身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源來(lái)自回轉(zhuǎn)液壓缸。（5）滑軌滑軌是懸臂機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起懸掛作用，它將機(jī)身懸掛于導(dǎo)軌之上。并帶動(dòng)機(jī)身沿軌道直線運(yùn)動(dòng)。2.4.2 控制系統(tǒng)分類在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。本設(shè)計(jì)采用電磁控制。2.5 焊接機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)一、用途：用于焊接工件 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、焊槍:；2、自由度數(shù):5個(gè)自由度（底盤旋轉(zhuǎn)和底盤移動(dòng)，大臂擺動(dòng)，小臂擺動(dòng)，腕部移動(dòng)5個(gè)運(yùn)動(dòng)）；3、坐標(biāo)型式:直角坐標(biāo)系；4、最大工作半徑:2750mm；5、手臂最低中心高:450mm；6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程：500mm伸縮速度：250mm/s升降行程：1650mm升降速度：250mm/s回轉(zhuǎn)范圍：；7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍：。2.6 本章小結(jié)本章從焊接機(jī)器人的實(shí)用方面入手，提出了一套總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取直角坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。同時(shí)，就焊接機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇液壓驅(qū)動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。最后，給出了設(shè)計(jì)中所需的技術(shù)參數(shù)。第3章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。3.1機(jī)身的整體設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：(1) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。(2) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。(3) 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。分析：經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于伸縮缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和伸縮?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與伸縮缸的活塞桿是一體的。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-1。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。3.2機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡： Ma=0.5Fd (5.1)慣性力矩的計(jì)算： Mc=D4/32 (5.2)回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)1200mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg設(shè)置起動(dòng)角度=180，則起動(dòng)角速度=0.314，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s。密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)。(2) 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的靜片和動(dòng)片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強(qiáng)為8Mpa。d為輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過(guò)下列計(jì)算： D=80mm即設(shè)計(jì)液壓缸的內(nèi)徑為80mm，根據(jù)表4-2選擇液壓缸的基本外徑尺寸100mm(不是最終尺寸)