摘 要 随着科学技术的全面发展和工业需求的大幅增加， 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。 本次设计的要点是运用机械原理和机械制造的设计方法设计焊接机器人。 此 次设计，是在充分了解焊接机器人在国内外的研究现状的基础上， 进而更好的掌 握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行运动学分析和结构设 计。运用液压系统控制， 合理布置了液压缸。 同时了解机器人机械结构运动学及 运动控制学。 并且为工业上焊接机器人的设计与研发提供理论、 设计和数据上的 参考，也为工业设计者们提供设计所需的理论和设计实践的参考依据。 该机器人 具有刚性好，位置精度高、运行平稳等的特点。 关键字： 焊接机器人 液压系统 机械机构设计 Abstract In the 21st century with the sharp increase in the overall development of science and technology and industrial demand , this science of welding technology in the share component of industrial production is also growing, and excellent quality of the degree of welding technology directly determines the quality of parts or products. Now the domestic development and application of welding robots , though has a certain scale , but the overall amount of welding production demands are far away . Therefore , to develop and promote the study of this technology welding robot has become a trend. The point is to use the design principles and design mechanical design mechanical manufacturing welding robot . The design is fully aware of the welding robot at home and abroad on the basis of research on the status quo , and thus a better grasp of welding robots internal structure and working principle , and the arm and wrist kinematics analysis and structural design. The use of a hydraulic system control, reasonable layout of the hydraulic cylinder. While understanding the mechanical structure of the robot kinematics and motion control school . And provide a reference theory, design , and data on industrial welding robots for the design and development , I but also provide theoretical and practical design reference design required for industrial designers . The robot has a rigid , high position accuracy , smooth operation and other characteristics. Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design II 目 录 摘 要 I 随着科学技术的全面发展和工业需求的大幅增加， 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。 I Abstract I 目 录 I 第 1 章 引言 1 第 2 章 焊接机器人的总体方案 5 2.1 焊接机器人总体设计的思路 5 2.2 焊接机器人自由度和坐标系的选择 5 2.3 焊接机器人传动方案论证 7 2.4 焊接机器人的组成 9 2.4.1 执行机构 9 2.4.2 控制系统分类 11 2.5 焊接机器人的设计技术参数 11 2.6 本章小结 12 第 3 章 焊接机器人腕部结构的设计以及计算 13 3.1 焊接机器人腕部设计的基本要求和功能 13 3.2 焊接机器人手腕部分结构以及选择 13 3.2.1 工业上典型的腕部结构 13 3.2.2 腕部结构和驱动结构的比较与选择 14 3.3 焊接机器人腕部结构设计计算 14 3.3.1 腕部驱动力计算 14 3.3.2 腕部驱动液压缸机构的计算 14 3.4 焊接机器人液压缸盖螺钉的计算 15 3.5 焊接机器人动片和输出轴间的连接螺钉 16 3.6 本章小结 17 第 4 章 焊接机器人臂部结构的设计及计算 18 4.1 焊接机器人臂部研究与设计的基本要求 18 4.2 焊接机器人工业上典型手臂机构以及结构的选择 19 4.2.1 手臂的典型运动机构 19 4.2.2 手臂运动机构的选择 20 4.3 机器人手臂直线 手臂摩擦力的分析与计算 20 4.3.2 手臂惯性力的计算 21 4.3.3 密封装置的摩擦阻力 21 4.4 机器人液压缸正常工作时压力以及结构的确定 21 4.5 机器人活塞杆的强度计算校核 22 4.6 本章小结 23 第 5 章 焊接机器人机身结构的设计及计算 24 5.1 机器人机身的整体设计与计算 24 5 机器人机身回转机构的设计以及计算 25 5.3 机器人机身升降机构机构的计算 26 5.3.1 手臂偏重力矩的计算 26 5.3.2 机器人升降在不自锁条件下的分析计算 27 5.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 27 5.4 机器人所用轴承的选择与分析 28 5.5 本章小结 28 第 6 章 焊接机器人运动学分析 28 6.1 机器人动学分析内容与方法 28 6.2 机器人正逆运动学问题 29 总 结 31 致谢 31 II 第 1 章 引言 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准 化组织（ ISO）工业机器人术语标准的定义，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（ Manipulator ），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， 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。焊接机器 人主要包括机器人和焊接设备两部分。 自从世界上第一台工业机器人 ＵＮＩＭ ＡＴＥ 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： 第一代是示教再现型机器人。 这类机器人操作简单， 不具备外界信息的反 馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限 制。 第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知 能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调 整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。 第三代是智能型机器人。 这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的 能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障 自我诊断及修复能力。 焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。 早 期的焊接机器人缺乏“柔性” ，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设 置，工作时存在明显的缺点。 随着计算机控制技术、 人工智能技术以及网络控制 技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传 感、智能化的柔性加工单元 （系统）方向发展从机器人诞生到本世纪 80 年代初， 机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代，随着计算机技术、 微电子技术、网络技术等的快速发展， 机器人技术也得到了飞速发展。 工业机器 人的制造水平、控制速度和控制精度、 可靠性等不断提高， 而机器人的制造成本 和价格却不断下降。在西方社会， 和机器人价格相反的是， 人的劳动力成本有不 断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力， 而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。 减少员工与增 加机器人的设备投资， 在两者费用达到某一平衡点的时候， 采用机器人的利显然 要比采用人工所带来的利大， 它一方面可大大提高生产设备的自动化水平， 从而 提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。 虽然 机器人一次性投资比较大， 但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样 任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而 机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。 因此，工业机 1 器人的应用在各行各业得到飞速发展。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特 点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不 完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领 域。截止２００５ 年，全世界在役工业机器人约为 ９１．４ 万台，其中日本装 备的工业机器人总量达到了 ５０ 万台以上， 成为“机器人王国”，其次是美国和 德国；在亚洲， 日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数 量居世界前三位。 近几年，全球机器人的数量在迅速增加， 仅 ２００５ 年就达 １ ２．１ 万台。 我国自上世纪 ７０ 年代末开始进行工业机器人的研究，经过二 十多年的发展， 在技术和应用方面均取得了长足的发展， 对国民经济尤其是制造 业的发展起到了重要的推动作用。 据不完全统计， 近几年我国工业机器人呈现出 快速增长势头， 平均年增长率都超过 ４０％ ，焊接机器人的增长率超过了 60%； 2004 年国产工业机器人数量突破 1400 台，进口机器人数量超过 9000 台，其中 绝大多数应用于焊接领域； 2005 年我国新增机器人数量超过了 5000 台，但仅占 亚洲新增数量的 ６％ ，远小于韩国所占的 １5 ％，更远小于日本所占的 69 ％ 。 这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的， 这说明我国制造 业的自动化程度有待进一步提高， 另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉， 制 造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。 当前焊接机器人 的应用迎来了难得的发展机遇。一方面， 随着技术的发展， 焊接机器人的价格不 断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制 造强国迈进，需要提升加工手段， 提高产品质量和增强企业竞争。
