焊接机器人机械臂的设计.-毕业论文

焊接机器人机械臂的设计摘要：在现代的工业生产中，焊接已成为世界上应用最为广泛的材料连接方法，在机械制造行业中有十分普遍的应用。而大部分的焊接的工作还是由人工完成的，工作环境非常恶劣，在焊接过程中会对焊工的身体造成很大的伤害。而且焊接的过程也十分复杂，工人需要长时间保持固定的姿势，工作强度非常大，从而造成了焊接的零件质量参差不齐，容易造成废件，浪费国家的资源。近年来自动化的焊接方法得到了迅速发展。用焊接机器人代替人从事焊接工作已经成为全球工业制造必然的发展趋势。而本文设计的是面向直线及相贯线的小型专用的焊接机械臂，本文的研究过程如下：最开始分析了焊接机器人在我国的发展现状，明确了研究的方向是直线及相贯线的焊接。由于本文主要面向直线及相贯线的焊接，由此确定了机械臂的机构形态；通过对机械臂的性能进行了综合的分析，确定了机械臂的基本参数。通过对机械臂的动力学分析，确定机械臂的传动方案，再结合焊接工艺需求，确定了各连杆间的尺寸，为机械臂的三维建模建立了基础。通过对驱动方式的分析确定了驱动方式，并对机械臂各个部分的转速进行了计算，确定了具体的驱动方案。用Solidworks软件对机械臂的全部零件进行三维建模，并在Solidworks软件里进行虚拟装配，得到总装配图。关键词:焊接机器人；机械臂；机构分析；动力学分析；虚拟装配DesignofweldingrobotmanipulatorAbstract：Inmodernindustrialproduction,weldinghasbecomethemostwidelyusedmaterialconnectionmethodintheworld.Mostoftheweldingworkisdonebyhand,andtheworkingenvironmentisverybad,whichwillcausegreatharmtothewelder'sbodyintheweldingprocess.Moreover,theweldingprocessisalsoverycomplex.Workersneedtomaintainafixedpostureforalongtime,andtheworkintensityisverylarge.Asaresult,thequalityofweldedpartsisuneven,whichiseasytocausewasteandwastenationalresources.Inrecentyears,automaticweldingmethodshavebeendevelopedrapidly.Ithasbecomeaninevitabletrendofglobalindustrialmanufacturingtouseweldingrobotsinsteadofhumanbeingstoengageinweldingwork.Inthispaper,asmallspecialweldingmanipulatorforstraightandintersectinglinesisdesigned.Theresearchprocessofthispaperisasfollows:Atfirst,thedevelopmentstatusofweldingrobotsinChinawasanalyzed,andthedirectionofresearchwastheweldingofstraightlinesandintersectinglines.Becausethispapermainlyfocusesontheweldingofstraightlinesandintersectinglines,themechanismconfigurationofthemanipulatorisdetermined,theperformanceofthemanipulatorisanalyzedcomprehensively,andthebasicparametersofthemanipulatoraredetermined.Throughthedynamicanalysisofthemanipulator,thetransmissionschemeofthemanipulatorisdetermined,andthedimensionsoftheconnectingrodsaredeterminedaccordingtotherequirementsofweldingtechnology,whichestablishesthebasisforthethree-dimensionalmodelingofthemanipulator.Throughtheanalysisofthedrivingmode,thedrivingmodeisdetermined,andtherotationalspeedofeachpartofthemanipulatoriscalculated.Thespecificdrivingschemeisdetermined.Solidworksmakesthree-dimensionalmodelingofallpartsofthemanipulatorandvirtualassemblyinSolidworkssoftwaretoobtaintheassemblydrawing.Keywords：Weldingrobot;Manipulator;Mechanismanalysis;Dynamicsanalysis;Virtualass目录1绪论 绪论1.1研究背景在现代的工业生产中，焊接已成为世界上应用最为广泛的材料连接方法，在机械制造行业中有十分普遍的应用。而且焊接的工作环境非常恶劣，焊接过程中会对焊工的身体造成伤害。焊接的过程也十分复杂，工人还需要长时间保持固定的姿势，工作强度非常大，使焊接的零件质量参差不齐，容易造成废件，浪费国家的资源。近年来自动化的焊接方法得到了迅速发展。用机器人代替人从事焊接工作已经成为全球工业制造必然的发展趋势。1.2焊接机器人现状图1智能图1智能型焊接机器人1.3本文的研究内容通过对焊接机器人现在所发现的问题进行分析，可知目前国内外在焊接机器人技术方面是逐渐提高的，并且应用的方面也越来越广了。本文设计的是面向直线及相贯线的小型专用的焊接机械臂，经过仔细分析，确定本文的研究过程如下：1、由于本文主要面向直线及相贯线的焊接，由此确定了机械臂的机构形态；对机械臂的性能进行了综合的分析，确定了机械臂的基本参数。2、通过对机械臂的动力学分析，确定机械臂的传动方案，再结合焊接工艺需求，确定了各连杆间的尺寸，为机械臂的三维建模建立了基础。3、通过对驱动方式的分析确定了驱动方式，并对机械臂各个部分的转速进行了计算，确定了具体的驱动方案4、用Solidworks软件对机械臂的全部零件进行三维建模，并在Solidworks软件里进行虚拟装配，得到总装配图。2机械臂的性能需求2.1机械臂的需求分析图3相贯线焊缝图2直线焊缝2.1.1焊接对象的选择图3相贯线焊缝图2直线焊缝本文设计的机械臂主要就是用于焊接直线（图2）及相贯线（图3），我们设定焊接的工件的参数为：直线：L=200mm相贯线：D=100~200mm,d=50~100mm,θ=45°~90°2.1.2机械臂自由度的选择机械臂的自由度可以确定焊接机械臂能达到的所有空间。六个自由度机械臂可以到达空间内的任何位置，但我们设计的机械臂为焊接机械臂，焊枪的自由旋转对焊接的完成并没有什么影响，所以自由度就可以减少一个。所以自由度的选取就为五个自由度。图4常见的手臂机构形式2.1.3手臂机构形式的选择图4常见的手臂机构形式常见的手臂形式（图4）主要有下面四种：1、直角坐标型机械手为三个移动关节。如图4（a）所示，关节的轴线彼此垂直，这种机械臂可以通过轴的运动量来调节臂的终点位置，并且每个关节的控制是独立的，因此机构的控制简单，控制的方法和数控机床又有一些类似，就是这种机械操作不太灵活，不能适应与复杂的运动。2、圆柱坐标型圆柱坐标型如图4（b）所示。旋转的关节和两个移动的关节组合在一起。那个旋转的关节可以实现在平面内的水平旋转，实现水平定位；一个移动关节负责竖直方向的移动，实现竖直方向的定位；一个移动关节负责平面内的水平移动，实现平面内的定位。圆柱坐标形式具有很好的灵活性。3、球坐标型球坐标型由两个旋转关节和一个移动关节组成，如图4（c）所示，其中两个旋转关节相邻，三个关节相较于一线。因为旋转关节，占用的面积小，而活动关节不容易保护。所以运动关节很容易与其他物体碰撞，从而影响传动的效率。4、关节型这种类型的机器人手臂由三个串联的旋转关节组成，它是一种人形手臂。如图4（d）所示，第一关节相当于人的腰部，第二关节相当于人的肩膀，第三关节相当于人的肘关节。然而，这三个关节不可能单独控制，所以实现机械臂的定位就很困难。首先，我们确定了焊接机械臂的自由度，然后分析确定其传动原理。选择我们认为最合理的传动原理方案，这样就可以提高焊接机械臂的整体性能。由于本文设计的机械臂的应用是焊接直线和相贯线，因此需要对焊枪的位置进行调整，运动轨迹由圆弧和垂直方向的线性运动组成。因此，圆柱坐标型和关节型都可以满足焊接机械臂的运动要求，但是关节型的控制比较复杂，所以采用圆柱坐标型。2.2机械臂的要求2.2.1机械臂的工作空间要求焊接机械臂要是想完成焊接，就要满足机械臂的活动范围一定要包括自己要焊接的工件，因为本文研究的是直线以及相贯线的焊接，那么机械臂就一定要能够完成要焊接的圆弧和直线，而这些参数为：直线：L=200mm相贯线：D=100~200mm,d=50~100mm,θ=45°~90°2.2.2焊接的速度要求焊接速度对焊接的影响非常大。当焊接速度太快时，会导致未焊接和熔合的缺陷。当焊接速度太慢时，如果停留时间太长，工件甚至会被焊坏，从而报废零件。因此，我们需要选取合理的焊接速度。经过这么多年在实际的生产中得到的经验，焊接的速度应该在10~30mm/s左右。综上所示，本文机械臂的性能要求如表1所示：表1机械臂性能表性能要求内容空间要求工作空间应包含焊接对象的轨迹：直线：L=200mm相贯线：D=100～200,d=50～100mm,θ=45°～90°速度要求保证焊接质量故取焊接速度为10～30mm/s图5焊接机械臂原理图3机械臂整体参数的确定图5焊接机械臂原理图3.1机械臂传动方案的确定由上文可以确定，焊接机械臂为五个自由度焊接机械臂，通过分析手臂的常见构型，确定了本机械臂为圆柱坐标型，通过对本设计中的机械臂结构进行了综合分析，确定了本机械臂RRPRR的机构形式。3.2机械臂原理方案的确定由于本装置的机构形式为RRPRR，该设备的基本结构如图（图5）所示，焊接机器人臂的结构示意图具有五个自由度。所有关节可以活动的角度如图所示，关节1和关节2主要负责整个机械臂在平面以内的活动，关节3是一个竖直移动的装置，主要负责机械臂沿z轴的运动，关节4和关节5主要负责对焊枪位置的调整，实现焊枪在水平与竖直方向的位置改变。3.3连杆尺寸确定3.3.1连杆的设计参数图6管道相贯线示意图图6管道相贯线示意图如（图5）需要明确关节1和关节2这两个关节的连杆长度，关节3为竖直的移动关节，也要为它选取合适的长度。这些参数为本机械臂需要确定的主要参数。3.3.2使用D-H参数法确定参数D-H参数法是一种使用连杆的参数来表示机械臂的运动关系的一种运动学的建模方法。因为方法的特殊性，所以任意机械臂的连杆都可以使用αi−1ai−1diθi这四个运动学的参数来表示，由（图5）我们可以知道每个关节的转动方向及角度，故我们可以得出本机械臂的D-H参数表：表2机械臂D-H坐标参数表iαadθi角度范围1000θ1±180°20L0θ±150°30Ld30/4000θ±180°590°00θ±90°这其中L1L2d3需要我们通过方程式来求解，而θ1θ2θ3.3.3确定杆长取，我们考虑以特别极限的方式来确定一个极限的点C，即，此时D=200mm,d=50mm由（表2）。故lmax为：lmax=D+dsinφccosθmin=176mm（公式SEQ（公式\*ARABIC1）因为要保证存在一定的余量，l=1.1l=（公式2）因为L1=L对于行程d3，相贯线焊缝为，取D=200mm,d=100mm，求h：ℎ=D2−d2（公式3）可知h=173mm，故行程d3≥h，即可满足使用要求。故d33.3.4连杆尺寸的确定根据上面公式的计算可以得出以下结果，根据得到的结果得出焊接机器人机械臂各部分具体尺寸如表3：表3连杆各部分具体尺寸关节关节长度最大转角1200mm±180°2200mm±150°3200mm0°4/±180°5/±90°4机械臂传动方案的确定4.1机械臂的结构设计4.1.1驱动方式的选择驱动装置是机械臂的动力源，合理的驱动源选择是机械臂正常运行的保证。目前，工业中常用的驱动方法是液动、气动和电动机三种方式。由于气动的工作稳定性太差，液动的工作环境要求太高，所以我们使用最常见的电动机驱动方法。因为电力驱动优点最多，应用也最广泛。图7机械图7机械臂传动系统示意图4.1.2驱动方案的选择通过观察（图7）和本机械臂拥有的5个自由度，将传动系统分为5个部分。各驱动件的选择如表4：表4各结构部件驱动电机选择结构电机选择底座旋转部件行星轮减速步进电机主手臂旋转部件行星轮减速步进电机立轴伸缩直线部件蜗轮蜗杆减速步进电机立轴旋转部件行星轮减速步进电机腕部旋转部件行星轮减速步进电机4.2焊接的速度参数确定我们确定了该焊接机械臂采用了5个独立的子系统完成相应的传动，原理结构方案之后，根据所需要的功能需求和性能要求，我们对焊接机械臂的关节速度进行计算。由于焊接机械臂对速度要求较高，而且电机的尺寸要较小，重量也要轻，故电机要选用小型步进电机。机械臂的末端可以持重40N，焊枪的长度为100mm,则转矩为：M=30×0.05=1.5N/m（公式4）转动惯量为：J=m（公式5）我们还要考虑安全系数。公式为：Ms≤M'iη,n=n'i（公式6）关节5的最大摆动角度为180°，则转速为：n=180°×4×60min/360°=20rad/min（公式7）同理可以算出以下参数，具体参数如表5所示：表5各轴扭矩及转速关节转动速度单轴运动范围120rad/min-180°～180°240rad/min-150°～150°380mm/s垂直行程不小于200mm410rad/min-180°～180°510rad/min-90°～90°5焊接机器人机械臂的部件设计5.1底座结构设计本文设计的机械臂底座固定在焊接系统的固定焊接生产线上，并通过螺栓连接到吊杆和焊接生产线上。底座应具有高强度、高刚性和良好的稳定性，因此底座的材料应使用合金钢。图8底座设计底座时，底座主体为一个圆柱，底下主体为一个正三角形，通过三个螺钉与生产线上固定，上面是一个正方形通过四个螺钉与臂架连接（图8）。图8底座5.2底座连接臂的设计图9底座连接臂装配体底座连接臂（图9）是机械臂的主要平面移动执行机构，由两个部件组成。为图9底座连接臂装配体5.2.1底座旋转部件的设计底座旋转部件是由一个行星轮减速器和一个步进电机带动一个齿轮组来完成的，其中大齿轮通过键与底座架直接连接，由行星轮减速装置带动小齿轮对大齿轮进行带动，完成整个机械臂的旋转。5.2.2主手臂旋转部件的设计主手臂旋转部件和底座旋转部件的结构相似，都是由一个行星轮减速器和一个步进电机带动一个齿轮组来完成的，其中大齿轮通过键与下文的焊接臂直接连接，由行星轮减速装置带动小齿轮对大齿轮进行带动，完成整个焊接臂的旋转。图4-15.3焊接臂的设计图4-1机械臂焊接臂部分拥有三个部件，为立轴伸缩直线部件、立轴旋转部件和腕部旋转部件组成，立轴伸缩直线部件主要由步进电机带动蜗轮蜗杆齿轮减速器，再通过齿轮传动带动齿条，完成焊接臂的上下移动；立轴旋转部件主要由步进电机带动立轴旋转，立轴的底部与腕部旋转部件连接在一起，立轴转动带动焊枪进行平面内的左右旋转；腕部旋转部件与焊枪连接，由步进电机直接带动焊枪进行竖直方向的旋转。由于结构比较复杂，所以要合理的结构布置。焊接臂要满足刚度高，运动平稳，定位精度高等特点。故使用硬质合金铝制成。如（图10）为焊接臂的结构。5.3.1立轴伸缩直线部件的设计立轴伸缩直线部件由一个涡轮蜗杆减速器和一个步进电机带动一个齿轮组，并带动齿轮齿条来完成，其中齿条与立柱为一体的结构，通过齿条与齿轮的啮合实现了焊接臂沿z轴的垂直移动。图10焊接臂装配体5.3.2立轴伸缩直线部件的设计图10焊接臂装配体立轴旋转部件主要由一个步进电机组成，立轴与固定焊枪架铰接在一起，由步进电机带动立轴，立轴主要控制焊枪架进行平面内的左右旋转。5.3.3腕部旋转部件的设计腕部旋转部件主要由一个步进电机组成，步进电机直接与焊枪相连，带动焊枪旋转，立轴主要控制焊枪在竖直平面内进行上下旋转。图11总装配体5.4焊接机械臂总装图的确定图11总装配体本文焊接机械臂在Solidworks软件里完成了三维建模（图11）。如图所示，通过四个螺钉将底座和底座连接臂连接，而底座通过三个螺钉完成底座的固定，由于本文仅仅是对机械臂的设计，所以本文并没有完成对固定部位的三维建模。而底座的连接臂是通过一个固定的轴与焊接臂完成的连接。底座连接臂负责的是整个机械臂的平面移动，焊接臂主要负责的是对焊枪位置的调整，两个部分相互配合，以完成对直线及相贯线的焊接。6设计总结6.1设计总结本机械臂主要用于工业中常见的工件进行焊接作业，本文以焊接直线及相贯线为设计方向，从焊接机器人机械臂的要求出发，设计了一个有五个自由度机械臂，并建立了本焊接机器人机械臂的三维模型。本文主要成果如下：1、本文通过对目前国内外工业机器人发展现状的研究，明确了自己的目标，确定了研究的方向。.2、本文面向直线及相贯线的焊接，通过对机械臂的要求，确定机械臂的机构形态；并确定了机械臂的基本参数。3、本文基于对机械臂的动力学分析，确定机械臂的传动方案，再结合焊接工艺需求，确定了各连杆间的尺寸，为机械臂的三维建模建立了基础。4、本文通过对驱动方式的分析确定了驱动方式，并对机械臂各个部分的转速进行了计算，确定了具体的驱动方案。5、用Solidworks软件对机械臂的全部零件进行三维建模，并在Solidworks软件里进行虚拟装配，得到了设计装置的总装配图。6.2未来展望焊接机器人是一个高度集成的机电一体化设备，本文仅仅是完成了机械臂的设计，没有加入计算机编程的部分，没有对机械臂运动进行深度模拟，没有对各个零件进行深入的研究。只是一个纯机械的设计。因为本人能力有限，所以设计的东西肯定会有所不足，并需要进一步的改进和完善。我希望我能在不远的将来，对我的设计进行进一步完善，让它变得更加完美。

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