AⅡ-V6L焊接机器人结构设计

本科毕业设计论文题 目： A-V6L 焊接机器人结构设计系 别： 机电及自动化工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 1摘 要 3Abstract.41. 机器人概述 51.1 焊接机器人的现状 .51.1.1 国外焊接机器人的现状 .51.1.2 国内焊接机器人的现状 .61.2 焊接机器人的发展趋势 .71.2.1 国外焊接机器人的发展趋势 .71.2.2 国内焊接机器人的发展趋势 .71.3 我要研究什么 72. 机器人系统结构设计 .82.1 焊接机器人构成及工作原理 82.1.1 操作机 82.1.2 末端执行器 .92.1.3 传感器系统 .92.2 焊接机器人分类 .102.3 A-V6L 主要参数 .112.4 主要功能 122.5 主要结构尺寸 .132.6 控制器 153. 动力选择 163.1 驱动方式 163.1.1 液压驱动 .163.1.2 气动驱动 .163.1.3 电动驱动 .173.2 工业机器人驱动系统设计原则 .173.2.1 控制方式 .173.2.2 作业环境要求 183.2.3 操作运行速度 183.3 电机 .18A-V6L 焊接机器人23.4 电机的选择 194. 关节设计 204.1 大臂设计 204.2 机座和腰部设计 .214.3 谐波减速器 .224.3.1 谐波减速器工作原理 .224.3.2 谐波减速器的选择 .224.4 圆柱齿轮传动 .245. 机器人轴承设计 .285.1 工业机器人专用轴承结构形式 .285.2 工业机器人专用轴承特点 .295.2.1 薄壁密封四点接触球轴承特点 .295.2.2 薄壁密封交叉滚子轴承特点 295.3 薄壁四点接触琢轴承设计 295.3.1 主参数优化设计 295.3.2 约束条件 .305.3.3 关键结构参数设计 306.机器人机械系统运动学及运动控制 .326.1 运动学 326.1.1 机器人运动学方程 .326.1.2 正向运动学 336.2 运动控制 366.2.1 工业机器人控制的特点 .366.2.2 工业机器人控制的分类 376.2.3 位置控制问题 387.总结 .40致谢辞 .41参考文献 .43附： .443摘 要随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计实践，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对机座和大臂进行结构设计。合理布置了电机和减速器。同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。关键字：焊接 机器人A-V6L 焊接机器人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. 机器人概述1.1 焊接机器人的现状1.1.1 国外焊接机器人的现状机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家对世界机器人市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10%左右，2000 年增长率上升到 15%，预计 21 世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破 100 万台。正如2l 世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告指出， “机器人技术（RT）与信息技术（IT ）一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑 2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。 ”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划（20032007 年） ，现正在实施中。 机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人 83 万台。过去 10 年，机器人的价格降低约 80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了 40%。现役机器人的平均寿命在 10 年以上，可能高达 15 年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条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，世界机器人的占有量越来越大。仅 2001 年机器人安装量为 7.8 万台套，年增长率 9%。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器A-V6L 焊接机器人6人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为 1000 亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC 、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为 50 亿日元，经过 70 年代的应用期和 80 年代的普及期，1981 年产值达到 1000 亿日元，到 1991 年提高到 6000 亿日元，到 2000年，其产值达到 10800 亿日元，2005 年将达到 18500 亿日元。 据国际机器人协会统计，2003 年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与 2002 年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约 10%以上。预计，工业机器人的世界市场将从2002 年的 68600 台套增长到 2006 年的 91100 多台套，年平均增长 7.4%。1.1.2 国内焊接机器人的现状 我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初，到现在已经历了 30 年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985 年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五” 、 “八五” 、 “九五”机器人技术国家攻关、 “863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。 在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。 在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV 减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还幸欢尉嗬搿?br 在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双 CPU、多CPU 和分级分层控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如 AGV（自动导引车） ，壁面爬行机器人，重复定位精度为O.024mm 的装配机器人，可潜入海底6000m 的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些7已达实用化水平并用于实际工程。在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。 据统计， “九五”期间，我国工业机器人的需求量以每年 30以上的速度增长。 2000 年，我国工业机器人的拥有量约为 3500 台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额为67 亿元。19862000 年产品销量如表 3 所示。据有关专家预测，我国机器人2005 年拥有量将增至 7600 台，年销售额为 28.7 亿元；2010 年拥有量为17300 台，年销售额为 93.1 亿元。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到 2015 年中国机器人市场的容量约达十几万台套。 1.2 焊接机器人的发展趋势1.2.1 国外焊接机器人的发展趋势 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT ）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。 ”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和智能化等方面。1.2.2 国内焊接机器人的发展趋势我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自A-V6L 焊接机器人8动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达 300 多条，产值约为 60 多亿元人民币。预计在 2005 年左右需求此类自动化生产线达到 600 条。据初步测算， “十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达到 800 多亿元人民币。我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距。1.3 我要研究什么基于现状，我要设计的是 A-V6L(加长规格)型机器人。掌握机器人的基本结构，重点研究 A-V6L(加长规格)型焊接机器人的机座、腰部和大臂的传动结构。通过这次毕业设计，我熟练学习了 CAD 制图软件的使用，并能进一步解决设计中遇到的问题，除明确了机器人关节的结构设计外，还掌握了一些尺寸、形位公差标注的技巧。2. 机器人系统结构设计2.1 焊接机器人构成及工作原理现代广泛应用的焊接机器人是属于第一代工业机器人，它的的基本工作原理是示教在现。从功能角度分析可将机器人分解成四个部分：操作机、末端执行器、传感系统、控制器。2.1.1 操作机操作机由机座、手臂和手腕、传动机构、驱动系统等组成，其功能是使手腕具有某种工作空间，并调整手腕使末端执行器实现作业任务要求的动作。1. 机座机座结构设计要求： 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。 机座承受机器人全部重力和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。因此机座与手臂的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。2. 手臂工业机器人的臂部一般具有 23 个自由度。臂部的总重量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接受腕部、手部和工件的静、动载荷，尤其是高速运动时，将9产生较大的惯性力（或惯性力矩） ，引起冲击，影响定位的精确性。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况，因此臂部设计时一般要注意： 刚度要求较高 导向性好 重量要轻 运动要平稳、定位精度要高3. 手腕工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。手腕的设计要求有： 由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减小其质量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安装在手臂的后端。 手腕部件的自由度越多，各关节角的运动范围就越大，其动作的灵活性也就越高，机器人对作业的适应能力也就越强。但增加手腕自由度，会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此，设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。 为提高手腕动作的精确性。应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。 对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械档块，以防止关节超限造成事故。2.1.2 末端执行器工业机器人的手部也叫末端执行器，它是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。工业机器人手部的特点如下： 手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便的拆卸和更换手部。 手部是工业机器人的末端执行器。它可以像首那样的具有手指，也可以是不具备手指的手，可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。A-V6L 焊接机器人10 手部的通用性比较差。工业机器人的手部通常是专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或几种形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。 手部是一个独立的部件。2.1.3 传感器系统要机器人与人一样有效的完成工作，对外界状况进行判断的感觉功能是必不可少的。因此传感器系统是也很重要。与机器人控制最紧密相关的是触觉。视觉适合于检测对象是否存在，检测其大概的位置、姿势等状态。相比之下，触觉协助视觉，能够检测出对象更细微的状态。选择机器人的传感器完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。机器人对传感器的一般性能要求如下： 精度高、重复性好。机器人能否准确无误的正常工作，往往取决于所用的传感器的测量精度。 稳定性和可靠性好。保证机器人能够长期稳定可靠的工作，尽可能避免在工作中出现故障。 抗干扰能力强。工业机器人的工作环境往往比较恶劣，其所用的传感器应能承受一定的电磁干扰、振动、能在高温、高压、高污染环境中正常工作。 质量轻、体积小、安装方便。2.2 焊接机器人分类根据焊接机器人的三大部分来源，我们可将机器人分为： 112.3 A-V6L 主要参数 A-V6L 主要参数：（本体的动作范围/规格）项目 规格名称 NV6L构造 垂直多关节轴数 6Kg最大可载能力 0.08mm位置重复精度 AC 伺服马达驱动系统 5000WA-V6L 焊接机器人12驱动容量位置数据反馈 绝对值编码器J1 170（ 50）J2 -155+100J3 -170+260J4 180J5 -50+230动作范围J6 360J1 3.40rad/s195/s 3.05rad/s175/sJ2 3.49rad/s200/sJ3 3.49rad/s200/sJ4 7.33rad/s420/sJ5 7.33rad/s420/s最大速度J6 10.82rad/s620/sJ4 11.8NmJ5 9.8Nm允许扭矩J6 5.9NmJ4 0.30KgJ5 0.25Kg允许惯性矩 J6 0.06Kg机器人动作范围横截面面积 7.57*340周围温度、湿度 0-45、20-80%RH本体重量 280Kg第 3 轴可载能力 20Kg安装方法 地面、侧挂、吊装原点复元 不需要本体颜色 臂：白色，基座：蓝色2.4 主要功能采用焊接机器人的目的有很多方面，甚至在不同时期有不同的主要目的，但无13论是什么目的，最终都是要从中获得好的经济效益。各企业应按本厂的情况来考虑采用焊接机器人的主要目的。根据国内外的经验，实现焊接生产过程自动化的目的归纳起来大体上有如下几个方面。A 提高焊接生产效率采用气体保护焊的机器人焊接可比采用手工半自动气体保护焊的效率高出 2-4倍，也可能比采用焊接专机的效率高。但必须明确，并不是凡是用了机器人效率必然会提高很多。是否能提高效率，提高多少，取决于如下多方面的因素：1. 燃弧时间与总周期时间之比（燃弧率）2. 焊缝的尺寸和长度3. 焊接中工件需要变位的次数4. 起焊前需要寻位和焊接中需要电弧跟踪的焊缝数量5. 可选择的焊接参数的范围B 保持焊接参数一致及提高焊接质量稳定性焊接时参数的稳定一致与焊接质量的稳定一致有着很密切的联系。采用焊接机器人，焊接参数是由机器人控制柜来控制的，因此焊出的全部焊缝的尺寸都能满足工艺规程的要求，而手工焊经常会焊出尺寸过大或不足的焊缝。C 使焊接生产实现柔性自动化机器人与其它机械化自动化设备相比的最大特点在于它能够重新编程以适应不同工件的生产。若机器人控制柜的存储单元有足够的容量就可以储备多套程序供调用。D 改善劳动安全卫生条件国家对劳动环境的要求越来越高，而焊接本身（包括电弧焊、点焊、等离子弧焊和切割、激光焊接和切割等）又是一种有强光、热辐射、飞溅和有害烟尘危害的、劳动环境比较差的工作。改善焊接车间的劳动环境是一件需要不断努力的事。另外，焊接机器人工作站都设置防护围栏和安装安全保护设施，而且重型工件的变位都是由变位机自动进行的，不需要操作人员介入，使劳动安全更有保障。从长远来看，由于劳动环境的改善，使劳动者更健康，工作效率更高，减少伤病，降低医疗费用，其间接经济效益是应该充分认识和估量的。E 增强生产管理的计划性和可预见性由于机器人是一种可重复编程的自动化机器，每一工作周期的时间是一定的。A-V6L 焊接机器人14无论天气有多热，工作时间有多长，工件预热温度有多高，焊接机器人的生产节拍是始终一成不变的。所以采用焊接机器人后，生产计划比较好安排，产量也容易准确预计，再也用不着象以往用手工焊时那样，每到月底要加班加点抢进度了。机器人焊接的这一优点，对小批量、多品种生产的计划安排是非常有利的。F 可准确预算材料的消耗量和生产成本焊接机器人的燃弧率可高达 85%以上，还能够采用较高的送丝速度（较大的焊接电流）进行焊接，焊丝的消耗速度较手工半自动焊快。由于焊接参数是由机器控制，无论是焊丝消耗量、气体消耗量还是每天导电嘴的更换次数等都能够较准确预测，从而能更有效地控制生产成本。另一方面，工厂可以根据焊丝的消耗速度来决定是采用盘装焊丝还是桶装焊丝。如果一盘焊丝只能用三个小时，每班要更换两次焊丝盘，每换一次焊丝盘一般需要 20min 左右的时间在换焊丝盘上，这时机器，每天就要花 40min 人不能工作，生产效率会受影响。在这种情况下，应该尽可能采用的桶装焊丝，而且桶装焊丝的价格比盘装焊丝便宜一些。可见，机器人不仅焊接效率高，而且使材料消耗可以准确预测，还能用桶装焊丝来降低消耗材料的成本。可是，这一优点往往被忽视。2.5 主要结构尺寸根据 A -V6L 型焊接机器人的主要参数，进行设计如下尺寸：15图 2-1 主要结构尺寸图 2-2 工作范围A-V6L 焊接机器人162.6 控制器任何控制都必须要有被控对象和控制装置为前提。被控对家包括应按照给定任务发生作用的元件。这种作用所必需的信号在控制装置中编定。工业机器人的被控对象带驱动系统的机械操作机习以比作为有肌肉的支撑骨架。带存储装置的控制装置履行机器入脑子的功能。第一代工业机器人的控制装置比较简单，它不需要接受感受器官传来的信息加以分析并采取决策，它的职能是不变地重复惑入存储器内由空间位移座标和工艺操作的指令所组成的程序。3K 外，控制装置还要使机器人的动作同被控设备协调一致，并为戊目的在联锁信号电乎上同其实行相互联系。另外，更为高级的装置可以执行自适应的基本功能：从已有的一组程序中自动选择另一种程序；找出制品相应的空间点；校正从一循环到下一循环的程序。工业机器人控制装置与传统的自动机不同，它许可应用称又示教的简单程序编制。因此，虽然工业机器人的控制系统同其类似系统比较更为复杂一些，但它的使用却较为简单。从总体上百控制系统方框图(图 8a)包括存储装置 3y，控制装置YY，几个驱动装置 Y按受控座标的数量，还有示教装置 yO。当控制系统转换为示教工况时，示教装置接入控制系统。这时自动控制系统变为由操作人员作闭环的手工控制随动系统。在机器人中采用各种各样的控希 0 系统：点位的和轮廓的，同步的和异步的，数字的和模拟的。控制系统的具体方案取决于机器人使用的技术与经济要求，首先是工艺任务的特点。点位系统 大多数生产对象的运输操作或固定式设备的操纵只要求对象以给定的精度定位，也就是以一定方向布置在空间的有限数点上。在给定的位置之间，按怎样的轨迹怎么移动无关紧要。为了完成这些操作采用点位系统助工业机器人。点位控制系保证程序的逻辑顺民在程序中机器人各个座标的驱动装置起着作用；在程序的每一步中给定沿每一座标轴的必需位移值；向被控设备发指令以完成该相应位置上的工艺操作。在空间中点的地位取决于几个矢量。这种矢量分别为机器人各座标铀的分矢量给出方位和沿每个座标轴的位移值。方位决定座标馅和播座标稿运动效方向， ，给定局的滴势值冉驱动装置完成。173. 动力选择3.1 驱动方式工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本类型。根据需要也可以采用由这三种基本驱动类型组合成的复合式驱动系统。3.1.1 液压驱动 液压驱动系统的主要特点有以下几点： 输出功率：很大，压力范围为 50-1400N/c, 液体的不可压缩性 控制性能：控制精度较高，输出功率大。可无极调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 响应速度：很高 结构性能及体积：结构适当，执行机构可标准化、模块化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 安全性：防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 对环境的影响：液压系统易漏油，对环境有污染 在工业机器人中的应用范围：适用于重载，低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、重载电焊机器人和搬运机器人 成本：液压元件成本较高 维修及使用：方便，但对油液对环境温度有一定要求3.1.2 气动驱动气动驱动系统的主要特点有以下几点： 输出功率：大，压力范围为 40-60N/c,最大可达 100N/c 控制性能：气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制。难以实现伺服控制响应速度：较高 结构性能及体积：结构适当，执行机构可标准化、模块化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 安全性：防爆性能较好，高于 1000 kpa(10 个大气压)时应注意设备的抗压性 对环境的影响：排气时有噪声 在工业机器人中的应用范围：适用于中小负载，快速驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人。如冲压机器人、机器人本体的气动平衡及装配机器人A-V6L 焊接机器人18气动夹具 成本：成本低 维修及使用：方便3.1.3 电动驱动电动驱动系统的主要特点有以下几点： 输出功率：较大 控制性能：控制精度较高，输出功率大。能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度：很高 结构性能及体积：伺服系统易于标准化。结构性能好，噪声低。惦记一般需要配置减速装置，除 DD 电机外，难以进行直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性：设备自身无爆炸和火灾危险。直流有刷电机换向时有火花，对环境的防爆性能较差 对环境的影响：无 在工业机器人中的应用范围：适用于中小负载，具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度，速度较高的机器人。如 AC 伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等 成本：成本高 维修及使用：较复杂3.2 工业机器人驱动系统设计原则工业机器人驱动系统的选用，应根据工业机器人的性能要求、控制功能、运行的功耗、应用环境及作业要求、性能价格比以及其他因素综合加以考虑。在充分考虑到各种驱动系统特点的基础上，在保证工业机器人性能规范、可行性和可靠性的前提下，做出决定。一般情况下，各种机器人驱动系统设计的原则有以下三种：3.2.1 控制方式物料搬运（包括上、下料） 、冲压用的有限点位控制程序控制机器人、低速重负载的可选用液压驱动系统；中等负载的可选用电动驱动系统；轻负载、高速的可选用气动驱动系统。冲压机器人多选用气动驱动系统。用于点焊、弧焊及喷涂作业的工业机器人，要求具有任意点位和连续轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统，例如：电液伺服和电动伺服驱动系统。在要求控制精度较高19如点焊、弧焊等工业机器人时，多采用电动伺服驱动系统。负重载的搬运机器人及须防爆的喷涂机器人可采用电液伺服控制。3.2.2 作业环境要求从事喷涂作业的工业机器人，由于工作环境需要防爆，考虑到其防爆性能，多采用电液伺服驱动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统。水下机器人、核工业专用机器人、空间机器人以及在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质环境中工作的移动机器人，一般采用交流伺服驱动。如要求在洁净的环境中使用，则多要求采用直接驱动电动机驱动系统。3.2.3 操作运行速度对于装配机器人，由于要求其具有很高的点位重复精度和较高的运行速度，通常在运行速度相对较低（4.5m/s）的情况下，可采用 AC、DC 或步进电动机伺服驱动系统。在速度、精度要求都很高的条件下，多采用直接驱动（DD）电动机驱动系统。3.3 电机机器人电伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力直接或者间接的由机械传动机构去驱动机器人本体的执行机构，以获得机器人的各种运动。适合于工业机器人的关节驱动电动机，应包括需要的的最大功率/质量比、扭矩/惯量比、高起动力矩，低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别像是机器人末端执行器应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有很大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。机器人对关节驱动电机的主要要求是： 快速性 起动力矩/ 惯量比大 控制特性的连续性和直线性 调速范围宽 体积小、质量下、轴向尺寸短 能经受得起苛刻的运行条件 高可靠性工业机器人驱动系统中所采用的电动机，可细分为以下几种：A-V6L 焊接机器人20 直流伺服电动机 交流伺服电动机 步进电动机 直接驱动电动机（DD ）3.4 电机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:（3-232211 lmJlJlmJGGG1）、 、 分别为10kg、5kg、12kg。 、 、 分别为重心到第一关节轴的距m23 1l23l离，其值分别为300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中 、211lJG、 故 、 、 可忽略不计。所以绕第一关节轴的转22lJG233lJG1GJ2GJ动惯量为：（3-2321lmll2）= 2225.17.05.=3kg同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:25342lmlJ= 8.01.= 28kg式中： 小臂重心距第二关节轴的水平距离 。4l m 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。5设主轴速度为219/s，则旋转开始时的转矩可表示如下（3-JT3）式中： 旋转开始的转矩 TmN角加速度 w2/srad21使机器人主轴从 到 /s所需时间为 : 则：0w2191ts011.355.6TJ Nmt若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 2Nm电动机的功率可按下式估算（3-LPmPM)5.1(4）式中： 电动机功率 ；mW负载力矩 ；LPmN负载转速 ；srad/传动装置的效率，初步估算取 0.9；系数 1.42.5 为经验数据，取 1.4WPm7139.08214.估算 后就可选取电机，使其额定功率 满足下式rP（3-5）rm选择 SAGMAH 型伺服电机表 3-1 SAGMAH 型伺服电机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式 绝缘等级工作制（min）750 24 46.2 3000 串励 B 604. 关节设计4.1 大臂设计大臂的材料采用铝合金材料，方形结构，臂厚 5mm 左右。内部结构设计如图（图 4-1）所示：A-V6L 焊接机器人22图 4-1 机器人大臂4.2 机座和腰部设计机座和腰部的材料采用铝合金材料，方形结构，臂厚 5mm 左右。内部结构设计如图（图 4-2）所示：23图 4-2 机器人机座和腰部4.3 谐波减速器4.3.1 谐波减速器工作原理图 4-3 谐波齿轮减速器谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。谐波传动通常由三个基本构件( 俗称三大件 )组成(如图 4-3 所示)，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器。柔轮的外齿 少于刚轮的内齿 。在波发gZbZ生器转动时，相应于长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波传动。可以看出，由于 ，故当波发生器转过一周(360。) 时gZb柔轮相对于刚轮则反方向转过 周( )。如果波发生器与主动gZ轴(如电机)相联，柔轮与从动轴相连，在刚轮固定时，就可得到减速比为 i- 的减速传动，由于 很小(通常为 2，4)，故 i 反大，一般为 50 一Zg300，减速效果可与少齿行星专动相媲美。4.3.2 谐波减速器的选择1谐波传动的技术数据商品化的谐波传动装置有两种类型，即三大件和由三大件装配而成的减速器。对操作机来说，最常选用的是三大件，然后根据结构配置于各转动关节，这样可以构造出结构十分紧凑的传动系统。对三大件来说(对减速器也适用) 通常有两种技术数据：运动、力和精度方面的数据和尺寸方面的数据，这些数据都可在有关产品A-V6L 焊接机器人24样本中查得，或向厂家索取。下面简要介绍几个与谐波传动有关的技术数据。图 4-4 转矩、转速与时间关系曲线a.转矩-时间 b.转速-时间(1)平均负载转矩 、平均转速 和当量转矩 。对经常vTvneqT处于起动、等连相减速运动的机器人操作机来说，其典型的转短时间相速度时间关系曲线如图 4-4 所示， ， ， 的计算如下：vneqmNnTstttntTTnzveqvv332133321/125(2)飞轮力矩和刚性。对操作扒来说，这两项技术数据非常重要，因为操作机的关节运动经常处于加减速的动态运动过程中。产品目录通常给出入轴(波发生器) 处的 GD 值。如果需要计算，可取波发生器的 GD 值，因为柔轮速度很慢，其影响2 2可以忽略不计。(3)回差。回差又称空回，它不仅影响操作机的位置精度，而且对控制的过渡过程也有很大影响。回差应尽可能小一些，但过小会影响效率，同时价格也大大提高，一般回差取 3一 1，对于后三关节，也可取 6一 3。2、谐波传动的选择谐波传动的选择分以下几个步骤：(1)确定结构形式 (杯形柔轮还是环形柔轮)和速比。(2)绘制拉矩 时问，转速时间曲线图，并计算丁 v、Mh 7”(3)在满足 i o 海 i，7v。71， ”v。)nv 的条件下根据样万确定型号(其中人丁 vh nvo 为样本值) 。(4)校核丁 M 即在 n r 条件下 7m7”(其中 7m 是样本中对应 A 的扭矩)。若产品样：本末给出 7v。 ，nv 。 ，可用 7。r 事 7”来选择谐波传动型号。4.4 圆柱齿轮传动考虑到焊接机器人腰部传动的传动比比较小，对腰部传动的要求较低，我选择齿轮传动。同时，焊接机器人的精度要求不高，故齿轮精度等选用 7 级。选择小齿轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。选小齿轮齿数 z1=40则大齿轮齿数 120341za. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）3121.2uTKZddtHEt 其中， ，8.05.2aEMP.19A-V6L 焊接机器人26小齿轮传递的转矩： mNnPT 5.23870.15.9105.9661试选载荷系数 K t=1.4选择材料的接触疲劳极根应力为：MaH60lim1 MPaH5lim2应力循环次数 N 由下列公式计算可得（4-2）hjLn160168309.则 9912 1076.25.6uN接触疲劳寿命系数 ,.1HNK.2HN接触疲劳安全系数 minS求许用接触应力: MPaKSHNH6051.53.2minl21il1将有关值代入（41）得： mmuTZddtHEt67.235.238.07412.893. 121则圆周速度： sndvt /9.16.10齿宽：b = mm3.52.98td模数： .40731zmtt齿高： 3.1592.5.th275.13.6hb由此查得： 03FK根据 v=1.3m/s,7 级精度，查得： 动载荷系数 ；8.1v直齿轮 FH使用系数 ；动载荷分布不均匀系数AK02.1HK则 .02.18.Hv修正 mdtt .4.67.2331mz5.048.1取标准模数 。3c.计算基本尺寸 mdbzmad2058.1312041221取 2d. 校核齿根弯曲疲劳强度选择材料的弯曲疲劳极限应力为：MPaFE501PaFE3802弯曲疲劳寿命系数 .1NK6.2FN取弯曲安全系数 S=1.4求许用弯曲应力: MPaKSFNEF 43.286.0413.9.52211 载荷系数： 12.01FVAA-V6L 焊接机器人28齿形系数 ， 80.21FaY28.Fa查应力校正系数： 51S73.1SaY校核两齿轮的弯曲强度（43）1321SaFdFmzKTMPa5.8020873216FMPa2122 7.280.7FaFY所以齿轮完全达到要求。齿轮的几何尺寸名称 符号 公式分度圆直径dmzd120431mzd3012齿顶高 ahha齿根高 f cf 75.3)2.01()(齿全高 fa6753齿顶圆直径1ad mhd21 mhdaa062齿根圆直径1f ff 5.1ff 5.922基圆直径 1bd mdb968.3cos1mdb.34cos2齿距 pp4.齿厚 ss72/齿槽宽 ee1.中心距 amda0/)(21顶隙 cc75.3.295. 机器人轴承设计球轴承是机器人和机械手机构中最常用的轴承。它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小。因此工业机器人又有自己特殊的轴承。其中，采用四点接触式设计以及高精度加工工业的机器人专用轴承已经问世，这种轴承比同等轴径的常规中系列四点接触轴承轻 25 倍。它的内圈 (或外圈)由两个半圈精确拼配而成，而其整体外围(或内圈)的沟曲率半径较小，使钢球与内、外圈在四个“点”上接触，既加大了径向负荷能力，又能以紧凑的尺寸承受很的两个方向的轴向负荷，并且有很好的两个方向的轴向限位能力，因为它的轴向游隙相对较小，而其接触角(一般取为 35)又较大。5.1 工业机器人专用轴承结构形式工业机器人专用薄壁四点接触球轴承通常有带密封圈和不带密封圈的结构形式(见图 5-1)。其主要由内圈、外围、保持架、钢球或非接触式密封圈组成。内、外圈均为整体结构，钢球与内、外因沟道呈四点接触，保持架为冠形插入式结构。适合安装在工业机器人的腕部、肘部等关节部位。薄壁交叉滚子轴承通常有满滚子结构和带冲压保持架或隔离件的结构形式。为便于装配，交叉滚子轴承外因或内圈采用双半结构，用螺钉连接，内、外因滚道与轴承轴线呈 45角，滚道之间交替放置互成 90的圆柱滚子，滚子直径一般应大于滚子长度，可承受径向载荷及两个方向的轴向载荷以及倾覆力矩，相当于两套接触角 45的角接触轴承背靠背安装的组配。特别适合安装在工业机器人的腰部、肩部等关节部位。图 5-1 薄壁四点接触球轴承