机械工程及自动化毕业论文工业焊接机器人的结构学研究及计算机拟实造型

机械工程及自动化毕业论文工业焊接机器人的结构学研究及计算机拟实造型内容摘要：

深入的了解，且在合作公司实地考察了生产使用中的进口六自由度关节型焊接机器人。 在此基础上，结合作者对于结构学的理解与探讨进行设计，本文主要研究工业机器人的总体结构进行设计、运动学计算、工作空间的讨论这几部分内容，主要进行以下几项工作 ： (1)机器人机构设计 设计了一个六自由度关节式串连 机器人，内容包括整体的方案选型和详细的结构设计，以及电机的选择和负载的计算、减速器的设计、单元机械机构的设计、整体装配等等。 (2)运动学分析 机器人运动学是进行机器人研究的基础，本文为了接下来工作的顺利的进行，对运动学理论进行了研究，主要进行的是机器人各关节的位移关系的研究。 包括利用 DH 法描述各连杆之间的空间几何关系，建立连杆坐标系，通过等价齐次变换矩阵建立机器人的运动方程，随即得出运动学正解；在此基础上对机器人进行了反解的研究，并利用反变化法得出运动学反解。 (3)工作空间分析 机器人工作空间的分析对 于机器人精确控制有着极其重要的意义，本文在运动学分析的基础上，采用图解法分析机器人的工作空间，做出了实际工作空间的轴剖图。 (4)利用 Pro/E 软件对简化后的操作臂模型进行运动仿真，了解分析其零部件安装联接的方式及其关节 运动 形式等，真实体验了计算机辅助设计的优势和快捷，为以后的设计打下了基础，积累了设计经验。 本文中设计机器人的主要参数 本文中所设计的机器人主要目标参数如下： 机器人掌部尺寸： 200mm 68mm 机器人腕部尺寸： 140mm 150mm 100mm 机器人小臂尺寸 ： 315mm 160mm 100mm 机器人大臂尺寸： 475mm 150mm Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 6 机器人肩部尺寸： 390mm 210mm 150mm 机器人腰部高度： 480mm 机器人底座尺寸： 670mm 550mmm 170mm 机器人负载能力： 3kg 机器人驱动电压： 380VAC Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 7 2 工业焊接机器人总体结构设计 工业机器人机械设计的特点 工业机器人 独特的结构特点大致可以归纳为以下四点 [15]~[16]。 (1)关节型工业 机器人 操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连 杆系。 为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 (2)在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。 这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。 由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。 (3)连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。 连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。 本文所用的 6 个关节驱动是 交流伺服 电机驱动。 (4)连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳定现象。 从以上特点可见，一个好的 工业机器人 设计应当使其机械系统的抓重 —— 自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。 人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标 [17]。 与工业机器人有关的概念 以下是本文中 涉及到的一些与机器人技术有关的概念。 (1)自由度 (Degrees Of Freedom, DOF)：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。 相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。 以移动副相连的关节称为移动关节。 在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。 主动关节的数目称为机器人的自由度。 本文设计的 机器人 是 6DOF 机器人。 (2)工作空间 (Work Space)：工作空间是指 机器人 臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。 由于工作空间的形状和大小反映了 机器人 工作能力的大小，因而它对于 机器人 的应用是十分重要的。 (3)工业机器人 的分类 ， 机器人分类方法有多种 ： 首先，按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型 (PTP)，连续轨迹控制型 (CP)； 其次，按机器人的结构分类，可分为四类： (a)直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 8 控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。 缺点是占地面积大、工作空间小。 (b)圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以 θ, r, z 为坐 标，位置函数为 P=f(θ, r, z)，其中， r 是手臂径向长度， z 是垂直方向的位移， θ 是手臂绕垂直轴的角位移。 这种形式的机器人占用空间小，结构简单。 (c)球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。 以 θ, φ, y 为坐标，位置函数为 P=f(θ, φ, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。 (d)关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型 (SCARA 型 )机器人。 前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活、工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。 本文设计的机器人为关节坐标 型。 第三，按驱动方式分类可分为： (a)气压驱动； (b)液压驱动； (c)电气驱动。 电气驱动是 20 世纪 90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。 它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。 本文设计的机器人 六 个关节均使用电气驱动。 第四，按用途分类可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。 本文的机器人为 以焊接为主 用途 的多功能工业机器人。 机器人手臂结构方案设计 手臂的总体设计是工业机器人设计的首要问题，主要有包括总 体方案设计和基本技术参数设计。 方案功能设计与分析 机器人手臂自由度的分配和构形 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。 为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。 手臂的结构形式有多种，常用的构形如图 21 所示。 本课题要求 机器人 能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。 综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度，手 腕 部分三个自由度。 由于在同样的 体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间 (手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比 )和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。 旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。 综合各种手臂构形，最后确定其结构形式为图 21 中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。 关Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 9 节型机器人手臂有三个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平 面，故手臂可在垂直面内转动。 由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人的手腕，决定末端件的姿态。 在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而结构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因而是 机器人中发展前景较好的 一种。 但由于三个关节都是转动的，故臂端的分辨率完全取决于它在工作空间中的位置。 图 21 几种多自由度机器人手臂构形 机器人手臂结构方案的对比分析及选择 参考国内外工业机器人的典型结构 [18]， 设计机器人机构如图 22 所示。 图 22 该机器人机构简图 Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 10 本方案中，关节具有 6 自由度，能同时联动，并能实现正反向灵活转动，设计多自由度工业机器人，由驱动、减速、支撑机构、传动机构等单元组成，实现能量的转换，获得一定运动速度下的承载能力，完成抓取目标后达到所预定的功能。 机器人手臂结构设计 依据设计方案，设计串联多关节机器人为 6 关节结构，其关节分布如图 23 所示。 关节 6 为回转关节，三个关节结构相同，部分部件尺寸有所差异，旋转轴与机器人轴线重合，关节 5 为旋转关节，三个关节结构相同，部分部件尺寸有所差异，旋转轴与机器人轴线垂直。 每个关节由驱动电机与配套的传动机构组成。 图 23 机器人总体模型图 关节 1指关节；关节 2掌关节；关节 3腕关节； 关节 4肘关节；关节 5肩关节；关节 6腰关节 机器人主要技术指标如表 21 所示： 表 21 机器人主要技术指标 关节 1 关节 2 关节 3 驱动转矩 最高转速 60rpm 60rpm 转动惯量 kgm2 kgm2 关节 1 关节 2 关节 3 关节 4 关节 5 关节 6 Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 11 机器人手臂驱动方案设计 机器人驱动方案的对比分析及选择 通常，机器人驱动方式有以下四种： (一 )步进电机驱动：步进电动机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转换为旋转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电动机的输出步数 (转角位移量 )总是和输入的电脉冲数相等，因此它可以作为开环位置系统工作 [19]。 在增量运动方面，步进电动机可以用作具有迅速加速、减速和停机能力的起停运动控制器。 (二 )直流伺服电机驱动：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。 但 其结构复杂，体积偏大，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。 若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。 (三 )交流伺服电机驱动：交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。 随着可关断晶闸管 GTO，大功率晶闸管 GTR 和场效应管 MOSFET 等电子器件、脉冲调宽技术和计算机控制技术的发展，交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美 [20]。 采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈，可达到很 高的精度。 三倍过载输出扭矩，可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 (四 )液压伺服马达驱动：液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。 但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。 由于本课题研究的机器人的额定负载较小，体积和重量均要求较小，传动精度要求较高。 综合分析后，决定 6 关节均采用交流伺服电机驱动。 各关节交流伺服电机的选择 对于腕部的三个关节，参考了国内外同类产品的技术指标进行电机选型。 对于末端执行关节来说，减速装置要求结构灵活轻巧、便于维护，故末端三个关节的传动系统均采用定制的行星轮减速器。 而对于臂部的三个关节，对于电机的选型方面主要做了驱动功率上的匹配，即能驱动该机器人在最高转速下时的最大负载，而此时臂部的长度与臂部及腕部的各零部件的质量采用估计值进行推算，为了保证机器人的正常安全运行，选用 倍的安全系数，保证了系统一定的冗余度。 考虑到电机驱动特性的一致性与驱动程序的通用性，在电机选择的过程中，选取了同一家公司（深圳 泰科智能伺服技术有限公司）生产的交流伺服电机。 该类型电机一般能在较大范围内调速使用，其功率是变化的，一般只用力矩来衡量。 力矩与功Xx 学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 12 率换算如下： P=Ω M （ 21） Ω =2πn/60 （ 22） P=2πnM/60 （ 23） 其中功率 P 的单位为瓦，Ω为每秒角速度， n 为每分钟转速， M 为力矩，单位为 Nm。 腕部关节电机的选型 关节 1：功率 P=Ω M=2πnM/60=260， P39。 ==， 故选用 MT4N4204： P=31W， T= 的电机并对应其配套的减速器（传动比为 51），使驱动功率和驱动转矩达到了设计要求。 同理： 关节 2：功率 P=Ω M=2πnM/60=2， P39。 ==， 故选用 MT4N4206： P=50W， T= 的电机。