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河南师范大学新联学院本科机器人设计学号：163330174048 六自由度焊接机器人设计专业名称：机械设计制造及其自动化年级班别： 2016 级 3 班姓名：指导教师：程元华陈天聪 2019 年 6 月

河南师范大学新联学院本科课程设计论文目录摘要.............................................................................................................................. 1 第一章绪论及其发展..................................................................................................2 1.1 机器人的概念................................................................................................ 3 1.1.1 操作机................................................................................................ 3 1.1.2 驱动单元............................................................................................ 3 1.1.3 控制装置............................................................................................ 3 1.1.4 人工智能系统.................................................................................... 4 第二章六自由度弧焊机器人的总体设计..................................................................4 2.1 腕部设计........................................................................................................ 4 2.1.1 腕部设计的总体要求......................................................................... 4 2.1.2 本次设计的腕部有 2 个如图所示.................................................... 5 2.2 小臂的设计.................................................................................................... 5 2.2.1 小臂设计的总体要求........................................................................ 5 2.3 大臂的设计.................................................................................................... 5 2.3.1 大臂设计的总体要求........................................................................ 5 2.3.2 大臂设计的总体要求........................................................................ 5 2.3.3 电机的选择........................................................................................ 6 2.3.4 齿轮的设计与校核计算..................................................................... 8 2.4 腰关节的设计.............................................................................................. 11 2.4.1 腰关节设计的总体要求.................................................................. 11 2.5 传感器的选择.............................................................................................. 11 第三章机器人设计展示............................................................................................11 参考文献...................................................................................................................... 12 1

河南师范大学新联学院本科课程设计论文摘要近年来随着工业自动化的发展焊接机器人逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。焊接机器人广泛地应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别足在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，焊接机器人由于其显著的优点而受到特别重视。总之，焊接机器人足提高劳动生产率，改誉劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。本次设计了一种关节式机器人，具有六个自由度，其中手腕关节具有三个自由度，其它的关节各具有一个自由度，各个关节采用电机驱动。本设计主要介绍关于机器人的一些基本常识和原理，包括机器人的组成、分类和主要技术性能参数并参考通用型机器人的结构，进行六自由度弧焊机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本设计从实际情况出发，对机器人的机构可行方案进行了充分论证，用 Pro/Engineer 和 AutoCAD 等软件设计出了机器人本体结构。关键词 : 六自由度；弧焊机器人；控制系统 2

河南师范大学新联学院本科课程设计论文第一章绪论及其发展 1.1 机器人的概念机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而机器人则是在工业生产上应用的机器人，通用型弧焊机器人由机械系统、控制系统、驱动系统组成。其中，机械系统包括机身、关节型手臂、焊接工具。控制系统一般分为两部分:一部分是主控微型计算机和从微型计算机或单片微型计算机,微型计算机一般由主机、键盘、显示器、输入设备、输入输出接口组成:另-部分为控制柜，由输入输出接口、功率驱动放大电路组成。驱动系统 -般为液压驱动或电动驱动，常以动力站的形式单独放置，控制程序编程多采用示教编程。这种结构形式的通用型弧焊机器人在国内流水生产作业线上得到了比较广泛的使用。 1.1.1 操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成：（1）末端执行器又称手部是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。（2）手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有 2～3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。（3）手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。（4）机座有时称为立柱，是机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 3

河南师范大学新联学院本科课程设计论文 1.1.2 驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。 1.1.3 控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。 1.1.4 人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。第二章六自由度弧焊机器人的总体设计 2.1 腕部设计 2.1.1 腕部设计的总体要求腕部的设计质量尽量小，而且需要满足爪和小臂还有大臂之间的连接，六自由的焊接机器人手腕通常为 3 自由度。三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在两自由度的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度(用角度参数 a 表示)而形成的。当不考虑结构限制，即 a、β、γ都能在 0°~360°范围取值，末端执行器的灵活度 100%+ 100%+ 100%，也就是说具有百分之百的灵活度。这就是说手爪可自任意方向接进物体，也可将物体转到任意姿势。所以三自由度是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来,大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。主要有两类: 1)汇交手腕(或称正交手腕)它是 a、β、γ的旋转轴线汇交于一点。 2)偏置式手腕它是 a、β、γ的旋转轴线互相垂直，但不汇交于一点。这两类手腕都是把β、r 运动的减速器安装在手腕上,可简化小臂结构,但却增加了手腕本身的重量和复杂程度。 4

河南师范大学新联学院本科课程设计论文 2.1.2 本次设计的腕部有 2 个如图所示可在第二个图上加电机，调整作业范围既可以满足本次设计要求。 2.2 小臂的设计 2.2.1 小臂设计的总体要求手臂杆的质量应该尽可能的小，从而减轻支撑它的大臂杆及它的驱动电机的负担。同时小臂杆还要承受整个手腕的重量以及在运动中产生的动载荷。 2.3 大臂的设计 2.3.1 大臂设计的总体要求六自由度弧焊机器人大臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底杆，因此六自由度弧焊机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂相同，都是由直流伺服电机驱动齿轮组实现大臂的俯仰运动。 2.3.2 大臂设计的总体要求六自由度弧焊机器人大臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底杆，因此六自由度弧焊机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂相同，都是由直流伺服电机驱动齿轮组实现大臂的俯仰运动。大臂的整体结构为长方体实心结构，这样做的目的是为了提高其力学性能包括大臂的刚度、强度以及抗弯能力。铝合金的密度低、强度高、具有良好的抗腐 5

河南师范大学新联学院本科课程设计论文蚀能力而且力学性能上接近或超过合金钢。因此选用铝合金作为大臂的材料，这样可以减轻大臂的重量，从而减小驱动元件的负载，而且可以进一步也减轻用于驱动腰部回转的驱动元件的负载。 2.3.3 电机的选择 1、大臂总体质量的计算大臂的大体结构为长方体并且两端中空，钻有小孔。所以实际体积要小一些，在这里计算体积时带入一折减系数，假设折减系数为 0.85。材料为铝合金。体积 V=h×A =0.2×0.12×1 =0.024m 3 质量 m=0.85 V =0.85×2.7×10 3 ×0.024 =55.08kg 2、大臂对 i 轴的转动惯量大臂绕其质心的转动惯量为 I . 1 = 1 ×m×(b 2 +a 2 ) 12 =4.77kg m 2 平移到 i 轴上 I 1 =I . 1 +m×r 2 1 =4.77+55.08 ×0.5 2 =18.54kg m 2 3、小臂对 i 轴的转动惯量小臂对 i 轴的转动惯量 I 2 =78.87kg m 2 4、大臂和小臂对 i 轴的转动惯量的总和 I 总 = I 1 + I 2 =18.54+78.87=97.41kg m 2 5、总力矩的计算取大臂的转动角速度=  2 rad/s，转速为 n=15r/min 6

河南师范大学新联学院本科课程设计论文取启动时间为 1 s 由此转动角加速度为β = 惯性力矩 T 1 = I 总β  2 rad/s =97.41× /2 =153.01N m 静态力矩 T2：当大臂和小臂在一条直线时静态力矩最大，此时 T 2 =mgr=(55.08×0.5+13.5 1.6+29.7×0.9)×9.8=743.53N m 摩擦力矩 T 3 ：摩擦力矩近似等于 0.05 倍的静态力矩综上所述总力矩 T 总 =1.05×T 2 + T 1 =933.71N m 取电机的转速为 n 电机 =1500r/min，即角速度为电机 =50 rad/s 则总的传动比为:i 总 = n 电机 /n=157/1.57=100 故电机输出端的负载力矩为 T 电机 =T 总 / i 总 =933.71/100 =9.33N m 电机输出端的功率为 P= T 电机 × 电机 =9.33 ×50 =1464.81w 6、选择电机的型号一般对驱动元件有以下几方面要求：（1）惯量小，动力大。驱动元件在六自由度弧焊机器人中主要用于回转运动，所以转动惯量要小，同时比功率要大一些。（2）体积小，重量轻。主要评价的性能指标是功率密度，由于驱动元件是安装在腰部回转盘上的，如果驱动元件过大，就会导致腰部回转盘过大，所以这里要求驱动元件的功率密度应该尽可能的大些。（3）位置控制精度高，快速响应性好，调速范围大，低速平稳。（4）振动小，噪声小，安全可靠，运行平稳。 7

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