1、六自由度焊接机器人设计论文本科论文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、.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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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控制轴6负荷能力6kg重复精度0.08mm最大动作范围S（本体回转）+170L（下臂前后摆动）+155 -90U（上臂上下摆动）+190 -170R（上臂回转）180B（手腕上下摆动）+225 -45T（手腕回转）360最大速度9
8、000cm/min 线速度 1.5m/s周围条件温度0-45湿度20%-80%振动4.9m/S工作范围最小387mm 最大1378mm功率1.5kw2.2 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
9、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，
10、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180。大臂回转关节电机的安装位置和传动方式
11、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23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
12、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+225 -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Pac计算功率Pac是根据传动的功率P和带的工作条件而确定的：Pac=KA*P （2.1）（2.1）式中，KA为其工况
13、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：Pac=KA*P=3(kw)(2) 选择同步带带型根据计算功率Pac 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d1和小带轮的齿数Z1由于其中Z1Zmin，查表可取Z1=20， d1=PbZ1/=19.206(mm) （2.2）所以d=20.21(mm)(4) 确定大齿轮节圆的直径d2和大齿轮齿数Z2由于传动比为3/2，所以Z2=3/2*Z1=30所以d2 =48.50(mm)(5) 初步选取中心距a0 并选择同步带的基准长度Ld,带的齿数Zb若中心距a0未给定，根据
14、下式0.7（d1+d2）a02(d1+d2) （2.3）所以可以选择 35a0200，选取a0=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
15、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
16、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
17、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。3.1.1 GE-800-PG-PCIGE系列多轴点位运动控制器是固高科技插卡是运动控制器的成员之一，该系列产品基于计算机PCI总线，可同时控制1-8个伺服/步进电机，具有优良的点位运动规划功能，特别适用于高速高精度点位控制要求的设备，选用该系列运动控制器可以很好的满足本设计的要求。GE系列运动控制器型号及含义：本设计选用的运动控制
18、器型号是GE-800-PG-PCI。GE：系列标示代号为GE；800：可以控制轴数8轴；P：运动规划方式为点位运动规划；G：工作方式为脉冲输出；PCI：总线类型为PCI总线。GE-800-PG-PCI技术参数：运动控制：运动控制信号为：每轴输出差分脉冲，最高频率：1MHZ；每轴编码器的反馈通道的四倍频可达8MHZ；运动控制功能：点位控制，梯形曲线，S形曲线模式运动规划；数字滤波器：PID+速度前馈+加速度前馈。IO功能：提供16路同用数字输入，16路通用数字输出。电源要求：+24V或+12V，Icc=2A MAX。运动控制器与端子板的连接端子板是把若干个端子集中在一起，排列在一个平板上的的，这
19、个板就叫端子板，端子板的作用是方便接线用的。运动控制器与端子板连接就是通过一条屏蔽电缆连接控制器的CN1与端子板得CN1，另一条屏蔽电缆连接转接板得CN2与端子板的CN2。图3.3是GE-800-PG运动控制器端子板结构图图3.3 GE-800-PG运动控制器端子板 表3.1为端子板接口的定义表表3.1 端子板接口的定义接口端子功能接口端子功能CN1运动控制器连接接口CN2运动控制器连接接口CN4RS232接口CN5(6、7、8、9、12、13)控制轴接口CN14通用IO输出接口CN15限位信号输入接口CN16通用IO输入接口CN17原点信号输入接口CN19模拟量输入接口对于运动控制器GE-8
20、00-PG-PCI的专用输入包括：驱动器报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板的CN5（CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13）、CN17、CN15与驱动器及外部开关相连。CN5的定义见表3. 专用输出包括:驱动允许，驱动报警复位。专用输出通过端子板CN5、CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13与驱动器连接。CN5对应1轴，CN6对应2轴，CN7对应3轴，CN8对应4轴，CN9对应5轴，CN10对应6轴，CN12对应7轴，CN13对应8轴，在本设计中只需要选择前六轴即可满足要求。表3.2 端子板CN5（CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN
21、12、CN13）定义表引脚信号说明引脚信号说明1OGND外部电源地14OVCC+12/24V3ENABLE驱动允许16保留保留4A-编码器输入17A+编码器输入5B-编码器输入18B+编码器输入6C-编码器输入19C+编码器输入8DAC模拟输出10GND数字地9DIR+步进方向输出22DIR-步进方向输出11PUL-步进脉冲输出23PUL+步进脉冲输出15RESET驱动报警复位2ALM驱动报警3.1.2 电机控制系统的基本组成在本设计中电机控制系统的基本组成需要如下硬件元器件：运动控制器一个、具有PCI接口的主机一台、交流伺服电机6部、驱动器6个、+12/+24V直流电源（用于接口板电源）一个
22、、原点开关、正/负限位开关若干。3.2 电机的选择本设计是设计一台六自由度焊接机器人，其总共有六个独立的转动关节。加上机器人末端的执行器，一共需要七个独立的原动机。在本设计中可以初步选择用电机来驱动，但是在用电机驱动中存在是选择使用步进电机、直流伺服、还是交流伺服的问题。由于在本设计主要是实现机构的旋转、摆动，而在旋转、摆动机构中通常采用交流伺服系统。所以电动机类型交流伺服电机，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。3.2.1 电机型号的确定标准电动机的功率是由额定功率来表示。所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。若功率小于工作要求，
23、则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热过大而过早损坏。本设计选用的日本三洋公司生产的R系列交流伺服电机，下面对R系列电机的型号做如下说明。以R2AA06040FC为例：R：表示R系列；2：表示发动机分类为中惯性；AA：表示电动机电压为220V；06：表示发兰角为60mm；040：表示电动机的规格输出为400W；F：表示电动机最高旋转速度为6000r/min；H：表示最高转速为3000r/min；C：表示带保持控制器（24V）；X：表示无保持控制器。下表2.2是我们所选的电机的型号及其具体参数：表2.2所选择的电机电机参数S关节L关节U关节R关节B腕关节T关节型号R2AAB8100H
24、XR2AAB8100HCR2AA06040FCR2AA04010FXR2AA04010FXR2AA04010FX额定功率W10001000400100100100额定电压220V最高转速rpm3000300060006000600060003.3 伺服驱动器的选择伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，是伺服控制系统的一部分。目前主流的伺服驱动器一般都采用DSP作为控制核心，可实现比较复杂的控制算法。伺服驱动器一般可以采用速度、位置和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的运动控制场合。选择驱动器需要根据伺服电机的功率、反馈元件来选择。选择驱动器时，需要考虑与伺服电机的匹配问题，还需考虑控制方式
25、。在本设计中选用的是三洋公司生产的伺服驱动器。3.3.1 驱动器型号的确定本设计选择的是三洋公司生产的R系统运动控制器，下面将简要的介绍伺服驱动器的型号识别方法。本设计选用两种驱动器，分别为RS1A01AA、RS1A03AA。RS1：表示R系列；A：表示相电压为AC200；01：表示驱动器容量为15A；A：表示与驱动器组合的为旋转电机；A：表示编码器的接口分类为省配线增量编码器。03：表示伺服驱动器容量为30A。RS1A01AA、RS1A03AA驱动器示意图如图3.3所示图3.3 驱动器示意图下面简要的介绍伺服驱动器各个端子的定义高电压电路端子主电源端子：R、T单相 AC200-230V控制电
26、源端子：r、t单相AC200-230V伺服马达接线端子：U、V、W 与伺服电机联接低电压电路端子CN1:上位装置输入输出信号连接器表3.1 CN1端子定义表端子番号信号名称说明端子番号信号名称说明3A0A位置信号输出4/A0/A位置信号输出5B0B位置信号输出6/B0/B位置信号输出7Z0Z位置信号输出8/Z0/Z位置信号输出21V-REF速度指令输入20SG21共用地26F-PC输入脉冲指令29/F-PC输入脉冲指令28R-PC输入脉冲指令29/R-PC输入脉冲指令36RES(CONT2)通用输入37ENABLE通用输入40ALM(OUT2)通用输出24OUT-COM通用输出地25OUT-C
27、OM通用输出地49OUT-PWR通用输出的电源50CONT-COM通用输入的电源CN2:编码器接头，端子定义如表3.2所示表3.2 CN2端子定义表端子番号信号名称说明端子番号信号说明1EBAT+蓄电池正极2EBAT-蓄电池负极13ES+位置数据输出14ES-位置数据输出19+DC5V直流5V电源20GND地3.3 控制系统电路图为了满足焊接机器人对电源的要求首先需要设计电源控制电路,电源控制电路主要包括总电源开关、驱动器控制电源、驱动器动力电源、急停控制、伺服启动和停止、电机抱闸控制、DC24V电源输出等。本设计控制电路设计如图3.4所示。图3.4 电源控制图3.3.1 运动控制器与驱动器接
28、线图图3.5为运动控制器的一个接口与运动控制器CN1的接口示意图，图示还示意了驱动器的主电源和控制电源接线图，其中主控制电源为是从电源控制电路图中端子L4、N4中引入并接驱动器R、S，控制电源是从电源控制电路图中端子L、N中引入并接驱动器r、s。图3.5运动控制器与驱动器接线图3.3.2驱动器与伺服电机接线图图3.6为驱动器与伺服电机的接线图。图3.6 驱动器与电机接线图4 结 论通过查阅关于机器人的相关文献，以及参考机械工程学院机器人实验实首钢motoman机器人实例，并在老师的指导下完成设计方案的论证。在机器人的本体设计的过程中，主要完成了机器人基座旋转关节S、下臂上下摆动关节L、上臂前后
29、摆动关节U、上臂回转关节R、手腕摆动关节B、手腕回转关节T及机械手的设计。在机器人基座的设计中，基座采用铸铁铸造而成，充分利用铸铁的材料特性，改善系统的抗振性。基座上铸有电机支架和齿轮副支架，这样设计节省了空间，结构更为紧凑。基座旋转盘在旋转的过程中电机也是随旋转盘旋转的。在腕关节的设计中，腕关节设计有二个自由度，一个自由度是电机通过齿轮传动来实现手腕的旋转运动，另一个自由度是通过同步齿形带来实现手腕的摆动的。这样设计的好处是既能满足自由度的要求，在结构上也更为紧凑。绘制出了完整的机器人装配图和一部分零件图。在控制系统中选择了固高公司生产的GE-800-PG-PCI运动控制器作为控制系统的核心
30、部件，其充分利用了DSP技术和FPGA技术。其是基于PC的开放式运动控制器，可以直接插到PC机的PCI插槽中，应用十分简单，操作方便，可以充分利用上位机得资源。此外还选择了三洋公司生产的驱动器和伺服电机来搭建机器人的伺服驱动系统。焊接机器人在高质量、高精度的焊接中发挥着重要的作用。近年来，随着用工成本的提高和先进技术的快速发展这两方面矛盾的日益凸显，焊接机器人技术的发展和应用极大的推动了我国工业自动化的发展。下面对焊接机器人发展做如下展望：（1）多机器人协调控制技术随着自动化水平的提高，流水现作业方式的采用，多机器人协调控制技术将成为焊接机器人技术的一个重要研究和发展方向。（2）嵌入式控制技术近年来，嵌入式控制技术有了长足的发展，使得嵌入式
