搜索
Ⅰ摘要焊接在当代制造业中有着举足轻重的地位，与传统手工焊接相比，焊接机器人有着无可比拟的优势，而且，随着科学技术的发展，焊接自动化越来越成为焊接的发展趋势。本文从直角坐标焊接机械手的整体设计角度出发，主要致力于解决直角坐标焊接机械手的总体结构设计、总体主要参数尺寸的确定以及各大部分的连接设计等问题，确定了符合设计题目的直角坐标焊接机械手的整体结构、总体参数、及各部分的连接尺寸，为各部件的型号选择和尺寸确定作依据。关键字：焊接机械手、直角坐标、总体结构设计、连接设计Ⅱ目录第1章综述..........................................................................................................11.1焊接机器人概述..................................................................................................................11.2焊接机器人的发展过程......................................................................................................21.3国内外焊接机器人的现状..................................................................................................31.4国内外焊接机器人的发展趋势..........................................................................................3第2章总体结构方案设计..................................................................................52.1总体技术要求.......................................................................................................................52.2直角坐标焊接机器人介绍..................................................................................................52.3常见的几种直角坐标焊接机器人结构方案......................................................................62.4焊接机械手结构方案的确定...............................................................................................8第3章总体布置设计........................................................................................113.1总体布置的要求.................................................................................................................113.2总体主要参数的确定.........................................................................................................11第4章各部分间的联接设计............................................................................194.1底座与地面的联接设计.....................................................................................................194.2底座与大臂的联接设计.....................................................................................................204.3大臂与小臂的联接设计.....................................................................................................22第5章设计小结................................................................................................24参考文献.............................................................................................................25直角坐标焊接机械手整体结构设计1第1章综述1.1焊接机器人概述在现代制造业中，焊接作为“工业裁缝”毋庸置疑是最重要的工艺技术之一。它应用领域相当广泛，触及机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工以及建筑和电子等各个方面。随着科学技术的迅猛发展，焊接已经从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。我们曾经传统的手工焊接已经不能满足现代那些高技术含量产品制造的质量和数量要求。因此，如何在保证焊接产品质量的稳定性的同时提高生产率和改善劳动条件，这个问题成为了现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。随着电子技术、计算机技术、数控技术和机器人技术的迅猛发展，为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已经渗透到焊接各个领域中。焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式。刚性自动化设备通常都是专用的，只适用于中、大批量产品的自动化生产，因而在中、小批量产品自动化焊接生产中，手工焊仍然是主要的焊接方式，而焊接机器人的诞生使得小批量产品自动化焊接生产成为可能。机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需要人给它做一次示教，随后它就可以精确地再现示教的每一步操作。如果机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教就可以了。因此，在一条由焊接机器人组成的生产线上，可同时自动生产若干种不同的焊接。焊接机器人与传统手工焊接比较，主要优点如下表[5]：表1.1焊接机器人与传统手工焊接对比表特点焊接类型焊接机器人传统手工焊(1).具有稳定焊接质量，保证焊缝的均匀性√×(2).提高劳动生产率，一天可24小时连续生产√×(3).改善工人劳动条件，可在有害环境下工作√×(4).降低对工人操作技术的要求√×(5).缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资√×(6).可实现小批量产品的焊接自动化√×直角坐标焊接机械手整体结构设计2(7).能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业√×(8).为焊接柔性生产线提供技术基础√×1.2焊接机器人的发展过程按照机器人技术发展水平，焊接机器人可以分为三代，如下表[5]：表1.2焊接机器人的发展焊接机器人时代工作方式特点第一代基于示教再现这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作员“手把手”地进行，比如，操作人员抓住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时，自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷漆工作。这种方式即是所谓的“直接示教”。但是，比较普遍的方式是通过控制面板示教。操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代。第二代具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化第二代机器人采用了焊缝跟踪技术，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。类似的技术正越来越多地应用在机器人上。第三代具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。直角坐标焊接机械手整体结构设计3尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很多各具特点的试验装置，提出大量新思想、新方法，但现有机器人的自适应技术还是十分有限的。1.3国内外焊接机器人的现状目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa，德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的AdeptTechnology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业。截止2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日本装备的工业机器人总量达到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工业机器人数量居世界前三位。而我国也已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上，截止到20世纪末，我国实际拥有工业机器人约3500台，分布全国700多家企业，其中应用于焊接机械手总量在1400多台。和世界其他国家一样，汽车、摩托车、工程机械制造业是焊接机器人的最大用户群，电子行业有少量应用，其他行业目前应用数量更少。在焊接机器人中，弧焊机器人和点焊机器人的应用范围最广、使用数量也最多，弧焊机器人和点焊机器人相比较，弧焊机器人的使用数量略多于点焊机器人的装备数量。近年来，机器人激光焊接、机器人钎焊等其他机器人焊接也得到应用[6]。我国的机器人事业起步较晚，工业机器人历经“七五”攻关和“八五”、“九五”、在国家863计划智能机器人主题支持下，我国自主知识产权的工业机器人设计、制造和应用技术已经逐渐走向成熟。近两年，每年应用在我国的焊接机器人数量在150台左右。总体来看，国内机器人公司经过多年的积累和自我发展，在焊接机器人应用工程领域，已经具备了国际著名机器人公司平等竞争的实力，并且在价格和技术服务方面具有一定优势。1.4国内外焊接机器人的发展趋势国外的工业机器人领域发展近几年有如下几个趋势：(1)工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，直角坐标焊接机械手整体结构设计4装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境