摘 要

焊接是制造业中最重要的工艺技术之一，而焊接机器人是焊接自动化的革命化进步，国内外已有大量的焊接机器人应用在各类自动化生产线上。工业焊接机器人机械和电气系统复杂，工作区域大，运行速度快。焊接这门科学技术在工业生产中所占分量也越来越大，而且焊接技术的优良好坏程度直接决定着零件或产接生产的总体量需求相差较远。因此，大力发展研究并推广焊接机器人的这门技术已经成为趋势。

本文主要研究的是6个自由度的焊接机器人。工业机器人也叫工业机械手，运用机械原理和机械设计制造方面的知识对机器人进行深入的研究。在充分了解焊接机器人在国内外的研究现状的基础上，更好的掌握焊接机器人的内部结构的工作原理，并对手臂和腕臂进行运动学分析和结构设计，而且加入了二级减速器，然后用Pro/E软件对焊接机器人本体的三维模型进行了设计，布置合理。最后利用CAD软件完成机器人零件图和装配图的绘制，并为工业上焊接机器人的研发提供理论、设计和数据上的参考。也为工业设计者们提供所需理论和设计实践的参考依据。

关键词：6个自由度；机械设计；结构设计;运动学分析

Structure design of industrial robot

ABSTRACT

Welding is one of the most important technology in the manufacturing industry, and the welding robot is a revolutionary progress of welding automation. There are a large number of welding robots applied in various types of automated production line. Industrial welding robot mechanical and electrical system is complex, the working area is large, the running speed is fast. Welding technology in the industrial production of the component is also more and more big, and the quality of the welding technology directly determines the part or the production of the overall demand for the production of a far. Therefore, it has become a trend to develop research and popularize the technology of welding robot.

In this paper, we mainly study the welding robot with 6 degrees of freedom. The knowledge of mechanical principle and mechanical design and manufacturing is used in the robot. In the full understanding based on welding robot in domestic and foreign research status, better grasp of welding robot's internal structure, working principle and on the arm and the wrist and arm were kinematics analysis and structure design, and joined the secondary reducer, reasonable arrangement. And provide theory, design and data reference for the research and development of welding robot in industry. It also provides reference basis for industrial designers to provide theory and design practice.

Key words: 6 degrees of freedom; mechanical design; structural design

目 录

摘 要 2

ABSTRACT 3

1 绪论 1

1.1研究目的 1

1.2国内外发展及研究状况 1

2机械手的方案的机械设计 3

2.1焊接机器人的机械设计 3

2.1.1焊接机器人的设计原则 3

2.1.2设计步骤 4

2.3总体布局设计 5

2.3.1结构类型的选择 5

2.3.3基本的技术参数 7

2.4机器人的结构设计 7

3焊接机器人腕部结构设计 9

3.1腕部结构的基本要求和功能 9

3.2 电机的选择 9

3.3二级减速器的选择 11

3.3 轴的设计计算 12

3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率 12

3.3.2 确定轴的具体尺寸 13

3.4 确定齿轮的参数 15

3.4.1选择材料 15

3.4.2 压力角的选择 15

3.4.3 齿数和模数的选择 16

3.4.4齿宽系数 16

3.4.5 确定齿轮传动的精度 16

3.4.6 齿轮的校核 17

3.5 壳体设计 20

4焊接机器人的运动学分析 21

4.1 焊接机器人的运动学分析 21

4.2 焊接机器人的广义变换矩阵 22

4.3 焊接机器人运动方程 24

4.3.1 焊接机器人运动分析 25

4.3.2 焊接机器人运动反解 28

结 论 34

致 谢 35

参考文献 36

1 绪论

1.1研究目的

焊接从一开始就是工业机器人的主要应用领域，机器人技术迅猛发展，有利地促进了焊接自动化的进程。全世界的工业机器人约为1/4用于焊接。近年来在国外兴起的“先进制造技术”热，焊接机器人的应用就占有主要地位。他不仅实现胜寒自动化的手段，而且是今后工厂向计算机集成制造（CIM）过渡的基础。由于对很多焊接构件的焊接精度和速度提出越来越高的要求，一般工人难以胜任这一工作。此外，焊接的烟雾和火花等，对人体造成的危害很大；这个课题研究还是很有意义的。

1.2国内外发展及研究状况

外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，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(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。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

新中国成立后，经过50年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%～45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。