直角坐标焊接机械手整体结构设计说明书.docx

摘要焊接在当代制造业中有着举足轻重的地位，与传统手工焊接相比，焊接机器人有着 无可比拟的优势，而且，随着科学技术的发展，焊接自动化越来越成为焊接的发展趋势 本文从直角坐标焊接机械手的整体设计角度出发，主要致力于解决直角坐标焊接机械手 的总体结构设计、总体主要参数尺寸的确定以及各大部分的连接设计等问题，确定了符 合设计题目的直角坐标焊接机械手的整体结构、总体参数、及各部分的连接尺寸，为各 部件的型号选择和尺寸确定作依据关键字：焊接机械手、直角坐标、总体结构设计、连接设计目录第1章综述 11.1焊接机器人概述 11.2焊接机器人的发展过程 21.3国内外焊接机器人的现状 31.4国内外焊接机器人的发展趋势 3第2章总体结构方案设计 52.1总体技术要求 52.2直角坐标焊接机器人介绍 52.3常见的几种直角坐标焊接机器人结构方案 62.4焊接机械手结构方案的确定 8第3章 总体布置设计 113.1总体布置的要求 113.2总体主要参数的确定 11第4章 各部分间的联接设计 194.1底座与地面的联接设计 194.2底座与大臂的联接设计 204.3大臂与小臂的联接设计 22第5章设计小结 24参考文献 25第1章综述1.1焊接机器人概述在现代制造业中，焊接作为“工业裁缝”毋庸置疑是最重要的工艺技术之一。

它应 用领域相当广泛，触及机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工以及建筑和 电子等各个方面随着科学技术的迅猛发展，焊接已经从简单的构件连接方法和毛坯制 造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段我们曾 经传统的手工焊接已经不能满足现代那些高技术含量产品制造的质量和数量要求因 此，如何在保证焊接产品质量的稳定性的同时提高生产率和改善劳动条件，这个问题成 为了现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题随着电子技术、计算机技术、数控技术和 机器人技术的迅猛发展，为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已经渗透到 焊接各个领域中焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开 拓了一种柔性自动化生产方式刚性自动化设备通常都是专用的，只适用于中、大批量 产品的自动化生产，因而在中、小批量产品自动化焊接生产中，手工焊仍然是主要的焊 接方式，而焊接机器人的诞生使得小批量产品自动化焊接生产成为可能机器人具有示 教再现功能，完成一项焊接任务只需要人给它做一次示教，随后它就可以精确地再现示 教的每一步操作如果机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次 示教就可以了。

因此，在一条由焊接机器人组成的生产线上，可同时自动生产若干种不 同的焊接焊接机器人与传统手工焊接比较，主要优点如下表［5］：表1.1焊接机器人与传统手工焊接对比表特点焊接类型焊接机器人传统手工焊(1).具有稳定焊接质量，保证焊缝的均匀性VX(2).提高劳动生产率， 天可24小时连续生产VX(3).改善工人劳动条件，可在有害环境下工作VX(4).降低对工人操作技术的要求VX(5).缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的 设备投资VX(6).可实现小批量产品的焊接自动化VX(7).能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接 等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业VX(8).为焊接柔性生产线提供技术基础VX1.2焊接机器人的发展过程按照机器人技术发展水平，焊接机器人可以分为三代，如下表⑸：表1.2焊接机器人的发展焊接机器人时代工作方式特点第一代基于示教再现这类机器人能够按照人类预先示教的轨 迹、行为、顺序和速度重复作业示教可以 由操作员“手把手”地进行，比如，操作人 员抓住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范一 遍，机器人记住了这一连串运动，工作时， 自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷 漆工作这种方式即是所谓的“直接示教”。

但是，比较普遍的方式是通过控制面板示教 操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控 制机器人 步 步地运动，机器人自动记录 下每 步，然后重复目前在工业现场应用 的机器人大多属于第一代第二代具有环境感知 装置，能在一 定程度上适应 环境的变化第二代机器人米用了焊缝跟踪技术，通 过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制， 机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的 位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设 定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完 成焊接工作类似的技术正越来越多地应用 在机器人上第三代具有发现问 题，并且能自 主地解决问题 的能力作为发展目标，这类机器人具有多种传 感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处 的位置、自身的故障情况等等；而且能够感 知外部环境的状态，比如自动发现路况、测 出协作机器的相对位置、相互作用的力等等 更为重要的是，能够根据获得的信息，进行 逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与 变化的外部环境中，自主决定自身的行为 这类机器人具有高度的适应性和自治能力尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很 多各具特点的试验装置，提出大量新思想、 新方法，但现有机器人的自适应技术还是十 分有限的。

1.3国内外焊接机器人的现状目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的 Motoman、FANUC、Yaskwa,德国的 KUKA，瑞典的ABB，美国的Adept Technology，意大利的COMAU，这些公司已成为 其所在地区的支柱性企业截止2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日 本装备的工业机器人总量达到50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国； 在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有工业机器人数量居世界前三位而我国也已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上，截止到20世纪 末，我国实际拥有工业机器人约3500台，分布全国700多家企业，其中应用于焊接机 械手总量在1400多台和世界其他国家一样，汽车、摩托车、工程机械制造业是焊接 机器人的最大用户群，电子行业有少量应用，其他行业目前应用数量更少在焊接机器 人中，弧焊机器人和点焊机器人的应用范围最广、使用数量也最多，弧焊机器人和点焊 机器人相比较，弧焊机器人的使用数量略多于点焊机器人的装备数量近年来，机器人 激光焊接、机器人钎焊等其他机器人焊接也得到应用［6］我国的机器人事业起步较晚，工业机器人历经“七五”攻关和“八五”、“九五”、 在国家863计划智能机器人主题支持下，我国自主知识产权的工业机器人设计、制造和 应用技术已经逐渐走向成熟。

近两年，每年应用在我国的焊接机器人数量在150台左右 总体来看，国内机器人公司经过多年的积累和自我发展，在焊接机器人应用工程领域， 已经具备了国际著名机器人公司平等竞争的实力，并且在价格和技术服务方面具有一定 优势1.4国内外焊接机器人的发展趋势国外的工业机器人领域发展近几年有如下几个趋势：(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)而单 机价格不断下降2) 机械结构向模块化、可重构化发展例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化 装配机器人产品问市3) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络 化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维修性4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外， 装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力 觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在 产品化系统中已有成熟应用5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控 机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器 人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器 人走出实验室进入实用化阶段美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成 功应用的最著名实例7) 机器人化机械开始兴起⑸而对于国内：今后几年中国的焊接机器人市场将是技术不断提高，市场迅速扩大，应用工程项目 市场竞争激烈的局面预计今后几年内，国内企业对点焊，弧焊机器人的需求量将以30% 以上的速度增长从机器人技术发展趋势来看，焊接机器人不断向智能化方向发展，机 器人的感觉功能将实现多传感器信息的融合，控制系统从示教、离线编程相模糊控制发 展，实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性 从应用技术市场角度分析，性能和价格以及技术服务的质量将仍然是决定用户做出正确 选择的主要因素随着国内机器人公司自主品牌的性价比进一步提高，短期内将可以达 到与国外产品抗衡的能力从机器人应用范围来看，焊接机器人的应用在传统制造业领 域的需求持续增长，同时不断向其他行业扩展⑸焊接作为机械制造业中仅次于装备加工和切削加工的第三大加工作业，对其进行机 器人柔性加工技术，及其相关控制器PC化，网络化和智能化的应用研究已经成为焊接 自动化发展的必然趋势。

第2章运动方案设计2.1总体技术要求工作范围：长1.5m，宽1m,高0.8m适用规格：焊条 d2.5，d3.5，d4.0，d5.0，d6.0 mm体积：不大于3mX2mX2m （长X宽X高）运动平稳，噪声低2.2直角坐标焊接机器人介绍直角坐标焊接机器人，首先，它是直角坐标机器人的一种直角坐标机器人，顾名 思义，是能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间 成空间直角关系、多用途的操作机，属机器人中的一种⑹而直角坐标焊接机器人则是 专门用来焊接的直角坐标机器人这类机器人的结构和控制方案与机床比较类似，其到 达空间的三个运动（x、y、z）是由直线运动构成，运动方向相互垂直，这种形式的机 器人的优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作容积内任一点上均为恒定，控 制精度容易提高；缺点是机构较庞大，工作空间小，操作灵活性较差简易和专用焊接 机器人常采用这种形式⑸根据焊接种类的不同，焊接机器人可以分为适用于弧焊的焊接机器人和适用于点焊 的焊接机器人，下表［5 ］是它们的比较表2.1不同焊接种类的焊接机器人特点焊接种类特点弧焊由于弧焊工艺早已在诸多行业得到普及，弧 焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业 中得到广泛运用。

弧焊机器人是包括各种电 弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只 是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的 单机，因而对其性能有着特殊的要求，在弧 焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并 不断填充金属形成焊缝因此运动过程中速 度的稳定性和轨道精度是两项重要指标一 般情况下，焊接速度约取5〜50mm/s，轨迹精 度约为（0.2〜0.5）mm由于焊枪的姿态对焊 缝的质量也有一定影响，因此希望在跟踪焊 道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大点焊汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应用 领域，在装配每台汽车车体时，大约60%的 焊点是由机器人完成最初，点焊机器人只 用于增强焊作业（往已拼接好的工件上增加 焊点），后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业这样，电焊机器人逐渐被要求有更全的作业性能，具体来说有：1. 安装面积小，工作空间大；2. 快速完成小节距的多点定位；3. 。