1 前言
1.1 设计背景与意义
1.1.1 焊接机器人概述
焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，工业机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。
自从世界上第一台工业机器人UNIMATE 于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：示教再现型机器人、具有感知能力的机器人、智能型机器人。
1.1.2 焊接机器人国内外研究现状
（1）国外研究现状
自从世界上第一台工业机器人UNIMATE 于1959年在美国诞生以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。其中日本具有机器人王国之称，此外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联等一些国家的机器人产业也发展得很快。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列。
现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为，在机械结构上以发展关节型机器人为主流，在控制系统方面主要是发展基于PC 的开放结构的控制系统，在驱动技术方面主要是发展 AC伺服驱动技术，此外智能化传感器技术的机器人数量呈上升趋势。焊接机器人技术正朝着高速、高精度、多功能化方向发展。
（2）国内研究现状
我国的工业机器人技术经过三十多年的发展，现在已掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出了弧焊、点焊、装配等机器人；现阶段我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。其中弧焊机器人已广泛应用于各大汽车制造厂的自动焊装线上。但从总体上来看，我国的工业机器人技术及其工程上的应用水平和国外相比起来还有一定的差距。
现阶段我国工业机器人技术主题发展战略目标是：根据2l 世纪初，我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高新技术发展方向，创新性地进行研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、关键技术，产品技术和系统技术。
1.1.3 焊接机器人研究意义
(1)提高和稳定焊接质量，保证其焊缝均一性。
(2) 改善了劳动条件，减少工人劳动强度。
(3) 提高劳动生产率，提高经济效益。
(4) 产品周期明确，容易控制产品产量。
(5) 缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。
1.2 设计内容
本设计是六自由度焊接机器人设计，所以需要设计六部电机来驱动。本设计的主要内容包括焊接机器人本体设计和和控制系统设计。
（1）焊接机器人本体设计
焊接机器人的机械部分是整个机器人的执行机构，机构型式的好坏，将直接影响到整个系统的好坏。所以，机构的设计是非常重要。在本设计机构中，主要包括运动副型式的合理选择，驱动的最佳速比等。本设计还需要设计六部电机的安装位置、尺寸大小，连杆的设计，机械手等各个关节的设计。
（2）焊接机器人控制系统设计
首先选择合适的控制系统，绘制出控制系统结构框图，然后选择合适的运动控制器、驱动器、伺服电机型号来搭建控制系统硬件平台。
1.3 设计方案
（1）焊接机器人机械本体总体布局
总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置，并使机器人有一个协调完美的造型。总体布局要通过联系尺寸来体现，联系尺寸同时也是结构设计的关键。初步确定的联系尺寸是个部件的设计依据，并通过部件的设计，此外还应对联系尺寸进行必要的修改，最后确定总体装配图。
（2）总体方案设计
总体方案主要包括：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、控制系统的选择等内容。
系统运动方式的确定：焊接机器人按运动方式已由题目确定好了，选用六轴联动式关节型。
伺服系统的选择：旋转、摆动机构采用交流伺服系统。电动机类型选用交流伺服电机，交流伺服电机具备很多十分优良的性能，例如低速性能，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。
控制系统硬件设计：根据系统要求确定系统电气控制的结构图，选择电气元器件的参数和型号，绘制电气原理图。
2 焊接机器人本体设计
本次毕业设计目的是为了设计一台六自由度焊接机器人，在设计的过程中参考了机械工程学院机器人实验室的首钢motoman 机器人。本次设计参数的采用也参考了其相关的参数。机器人本体设计包括主要基座、大臂、小臂、手腕、机械手以及各关节伺服电机的安装位置、尺寸大小，还包括齿轮副的安装位置、尺寸，阶梯轴、平键的选择等设计。
在进行本体设计的过程中要考虑到机器人的工作要求，例如所能达到的最大工作范围、运动精度要求、负荷能力等。
2.1 机器人设计参数
焊接机器人主要的参数包括控制轴的数量、负载能力、重复精度、最大动作范围、最大速度及功率。其主要设计参数和使用条件如表2.1所示：
焊接机器人设计参数表2.1
2.2 自由度与关节
该焊接机器人采用关节型的机器人，具有六个自由度，即为二个腰关节、一个肩关节、一个肘关节、还有二个腕关节。这些关节都为转动关节，在机器人本体末端还有一个用于加持物体的机械手。机器人本体的整体布局如图2所示。该整体布局图大致反映了机器人的外形。
图2.1 机器人本体整体布局图
2.2.1 基座的设计
（1）基座是整个机器人本体的支持，为了保证机器人的稳定性，基座设计如图
2.2所示：
图2.2 焊接机器人基座
此基座为带有转盘的基座，由于基座承受压力，为了充分利用材料的特性，选择使用铸铁材料来制造基座，这样可以利用铸铁材料的吸振性，提高机器人的振动稳定性。转盘上装有伺服电机，电机通过齿轮副传动，带动本体实线旋转运动，即S 关节，旋转角度+170°。在转盘上装有齿轮副架，实现齿轮副的合理安装，这样设计既可以节约空间，又可以实现传到的要求。
基座上还设计有接线盒子，所有的电机驱动信号和反馈信号都是从这个接线盒子中输入输出。
2.2.2 下臂关节的设计
下臂关节即为L 关节，主要是实现机器人的前后摆动，下臂关节的摆动的幅度为+155° -90°，下臂关节电机的安装位置和传动方式设计如图2.3所示。
图2.3 下臂关节设计
如图所示，伺服电机安装在齿轮副架上，齿轮副架通过螺钉连接安装在机器人腰关节支持连杆上。通过齿轮副传动，把扭矩传递到轴上，从而带动下臂实现前后摆动。
2.2.3 上臂摆动关节的设计
上臂摆动关节即为U 关节，主要是为了实现机器人上臂的上下摆动而设计的。上臂关节的摆动幅度为+190°-170°，下臂关节电机位置和传动方式设计如图2.4所示。
图2.4 上臂关节设计
如图所示，伺服电机安装在齿轮副架上，齿轮副通过螺钉连接安装在下臂连杆末端。通过齿轮副传动，把扭矩传递到上臂上，从而实现上臂的上下摆动。
2.2.4 上臂回转关节的设计
上臂回转关节即为R 关节，主要是为了实现上臂的回转运动而设计的，上臂的回转角度为±180º。大臂回转关节电机的安装位置和传动方式如图3.5所示。
图2.5 上臂回转关节
如上图所示，电机安装在上臂末端，电机轴通过联轴器和传动轴连接实现传动。在传动轴上设计有深沟球轴承支撑，在上臂上设计有圆锥销和传动轴连接，并在轴上设计出平键连接，从而实现上臂的回转运动。
2.2.5 手腕摆动关节设计
机器人手腕是连接操作机上臂和末端执行机构的关节，并决定末端执行机构的空间位姿。手腕一般有2～3个自由度，要求结构要紧凑，质量要轻，各运动轴采用分离传动。
本机器人手腕设计成具有二个自由度，在本设计中，通过在上臂上设计出电机支架，使电机能够安装上臂壳体内部，通过同步齿形带传动，来实现一个腕关节的摆动。这样设计可以节约空间，结构十分紧凑，而且能很好的满足传动的要求。手腕摆动关节设计如图2.6所示。
图2.6 手腕上下摆动关节
如上图2.6所示为手腕关节设计电机的安装位置及传动方式示意图。手腕摆动关节即为B 关节，主要是现实手腕的上下摆动，手腕摆动的幅度为+225º -45°。电机安装在上臂壳体内部设计出的电机支架上，通过同步齿形带来实现传动。小带轮安装在手腕轴上，从而带动手腕的上下摆动。下面计算出同步齿形带的传动参数和带轮的参数。
同步齿形带传动示意图如图2.4所示：
图2.7 同步齿形带传动
计算同步带尺寸：
(1) 确定同步齿形带的计算功率P ac
计算功率P ac 是根据传动的功率P 和带的工作条件而确定的：
P ac =KA *P （2.1） （2.1）式中，K A 为其工况系数，取其值为1.2；P 为所需传递的额度功率，经计算得其值为P=2.5(kw)
即：P ac =KA *P=3(kw)
(2) 选择同步带带型
根据计算功率P ac 选择同步带的带型，查表选择较小的节距，取其值为5.12mm 。
(3) 确定小带轮节圆的直径d 1和小带轮的齿数Z 1
由于其中Z 1>Zmin ，查表可取Z 1=20，
d 1=Pb Z 1/π=19.206(mm) （2.2） 所以d=20.21(mm)
(4) 确定大齿轮节圆的直径d 2和大齿轮齿数Z 2
由于传动比为3/2，所以
Z 2=3/2*Z1=30
所以d 2 =48.50(mm)
(5) 初步选取中心距a 0 并选择同步带的基准长度L d , 带的齿数Z b
若中心距a 0未给定，根据下式
0.7（d 1+d2）≤a 0≤2(d1+d2) （2.3）
所以可以选择 35≤a 0≤200，选取a 0=160mm。
2.2.6 手腕回转关节的设计
手腕回转关节即为T 关节，主要是实现手腕的回转运动，T 关节的回转幅度为±360°。手腕关节的电机安装位置及传动设计如图2.8所示。
图2.8 手腕回转关节
如图所示，手腕回转关节的驱动电机安装在上臂上设计出的电机支架上，通过电机轴带动手腕实现回转运动。
2.3 机械手的设计
工业机器人的机械手又称为机器人的末端执行器，它是机器人用于直接抓取和握紧某些专用工具（例如焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。但是，由于被抓取工件形状、尺寸、材质等不同，工业机器人末端操作器可分为以下几类：
（1） 吸附式机械手
（2） 夹钳式机械手
（3） 仿生多指机械手
本设计是为了设计一台焊接机器人，机械手并不需要完成复杂的动作，只需要机械手能按要求抓取焊具即可。所以本设计选用夹钳式机械手，并设计成具有两个手指的形式，其外形如图所示。此机械采用气动传动，通过气缸的伸缩运动，两个手指在导轨中同步移动来完成机械手开合运动，从而实现机械手的夹紧与松开。机械手的设计如图2.5所示：
图2.5 机械手
3 控制系统设计
3.1 控制系统选择
机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统，构建机器人的控制系统，首先需要选择相应的硬件。本设计所选用的是固高科技有限公司生产的GE 运动控制器。
固高公司生产的GE 运动控制器，可以实现多轴协调运动和高速的点位运动。其是在以高速数字信号处理器DSP 为代表的高性能高速未处理器及大规模可编程逻辑器件FPGA 的基础上发展而来的。基于PC 的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用。
运动控制器主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的运动轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。
运动控制系统的典型结构如图3.1所示：
图3.1 控制系统典型结构
开放式结构的运动控制系统充分利用了PC 机的资源，可以利用第三方软件完成用户程序开发，将生成的应用程序指令通过总线传输给运动控制器。
运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位PC 机得应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划，向驱动器发出相应的运动指令。
本设计选用固高公司生产的插卡是运动控制器——GE 系列多轴点位运动控制器来搭建机器人控制系统硬件平台。