中国计量学院
现代科技学院
本科毕业设计 (论文）
小型焊接机器人的结构设计
Structural design of small welding robot
中国计量学院现代科技学院
2013年5月
郑 重 声 明
本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名： 朱涛 日期： 2013年5月29日
分类号： TP122 密 级： 公开 UDC： 学校代码：
中国计量学院
现代科技学院
本科毕业设计 (论文）
小型焊接机器人的设计
Design of Small Welding Robot
2013 年 05月
致 谢
首先，我要感谢指导我本次毕业设计工作的冯娟老师，衷心的感谢她对我的指导和帮助以及本次选题的支持。还要感谢大学期间各个科目老师的细心教导，解答疑难。对于不了解的问题细心指导，使我对机电有更加充分的认识。同时还要感谢同班同学的相互帮助，使我能够有一个很愉快的大学。
我还要感谢我的室友，谢谢你们在我毕业设计中提供的帮助和鼓励，你们的帮助使我顺利地完成任务。
深深感谢我的父母和亲人，他们无私的在背后默默支持者我，我深知他们为我求学所付出过的点点滴滴，感谢他们一直对我的信任，感谢他们的养育之恩。而至今仍无以为报。今后我会用自己的行动报答您们。
最后，向细心审阅本论文的的专家教授衷心的说声谢谢。
小型焊接机器人的结构设计
摘要：针对于目前工业化的迅速发展，机器人在生产生活中不可或缺。国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人的给出了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。”普遍用于工业自动化领域。本论文主要针对机械机构的介绍与设计。
本文先进行的的是通过焊接机器人方案的设计，通过对比选取出合适的设计方案。选择合适的电机。然后根据焊接机器人的结构选择合适的传动机构，由选取去的传动机构再进行结构的设计。完成减速器的选取，轴承的选取，轴的设计进行各部件的强度的校核。
整个机器人可分为腰、大臂、小臂、腕四个部分，具有6个自由度。结构精巧可以接触点面范围比较广。
关键词：焊接；机器人；传动机构；减速器；6自由度
中图分类号：TH122
I
Design of Small Welding Robot
Abstract：For the current rapid development of industrialization, the robot in the production of life is indispensable. International Organization for Standardization (ISO) in 1987 was given to industrial robots definition: "Industrial robot is a kind of automatic control operation and mobility features that can complete a variety of tasks programmable manipulator." Commonly used industrial automation. This thesis describes the mechanical structure for design.
This article was first performed by welding robot program design, by comparing select a suitable design. Select the appropriate motor. Then the structure of a welding robot select the appropriate drive mechanism, the drive mechanism to select the further structures. To complete the selection of the gear unit, the selection of the bearing shaft into the design strength of the components checked.
The whole robot can be divided into the waist, arm, forearm, wrist four parts, with six degrees of freedom. Compact structure can be relatively wide range of points of contact surfaces.
Keywords: Welding; robot; transmission mechanism; reducer; six degrees of freedom Classification: TH122
II
中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）
目 次
摘要 ······································································································ Ⅰ Abstract ··································································································· II 目次 ······································································································ III 1 绪论 ···································································································· 1
1.1 前言 ································································································· 1
1.2 选题背景及意义 ·················································································· 1
1.2.1 选题背景 ························································································· 1
1.2.2 选题意义 ························································································· 1
1.3 需解决的主要问题 ··············································································· 2 2 焊接机器人方案和结构设计 ····································································· 3
2.1 焊接机器人系统组成简介 ······································································ 3
2.2 焊接机器人的方案设计 ········································································· 4
2.3 焊接机器人的结构设计 ········································································· 5
2.3.1 腰部的设计 ······················································································ 5
2.3.2 大臂部分的设计 ················································································ 6
2.3.3 小臂及手腕部分的设计 ······································································· 6 3 电机的选型 ··························································································· 8
3.1 电机简介 ··························································································· 8
3.2 电机型号的选择 ················································································· 10 4 传动机构的设计 ···················································································· 13
4.1 传动机构的介绍 ················································································· 13
4.1.1 滚珠丝杠 ························································································ 13
4.1.2 齿轮齿条 ························································································ 13
4.1.3 绳带链条 ························································································ 14
4.2 传动机构的选择 ················································································· 14
4.3 轴与轴承的设计 ················································································· 14
4.3.1 轴的扭转强度的计算 ········································································· 15
4.3.2 轴承的选择 ····················································································· 16
4.4 传动机构的设计 ················································································· 17
4.4.1 齿轮的设计 ····················································································· 18
4.4.2 齿轮强度的校核 ··············································································· 19
III
中国计量学院现代科技学院毕业设计(论文）
4.5 减速器的选择 ···················································································· 21
4.6 焊接部分选择 ···················································································· 22
4.7 送丝机构的设计 ················································································· 22 5 总结与展望 ·························································································· 24 参考文献 ································································································ 25 附录A：零件工程图 ················································································· 26 1 齿轮A1 ······························································································ 26 2 齿轮A2 ······························································································ 27 3 传动机构 ····························································································· 28 4 送丝机构 ····························································································· 29 5 外形尺寸 ····························································································· 30 附录B：焊接机器人传动机构设计图 ···························································· 31 1 基座旋转机构及大臂俯仰机构设计图 ························································ 31 2 大臂小臂联接部分小臂俯仰设计图 ··························································· 32 3 小臂旋转部分设计图·············································································· 33 4 手腕俯仰机构及旋转设计图 ···································································· 33 5 腕部顶端法兰连接部分设计图 ································································· 34 附录C：焊接机器人整体设计图 ·································································· 35 学位论文数据集 ······················································································· 36
IV
中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）
1 绪论
1.1 前言
在科技日益发达的今天，机器人已逐步进入人类的生产生活当中。当初只能在电视电影上看到的机器人，那些能够举起千斤重物的机器人，能够在墙上飞檐走壁的机器人。在我们这个时代已经不是梦想，在大街上我们可以看到爬壁机器人的高空作业，在深海机器人又可以代替人类考察，甚至上月球进行研究考察数据。这些机器人将在我们的生活中越来越平凡。
在工业生产中机器人更有人类难以取代的位置。机器人可以在恶劣的环境下代替人类工作，机器人不会觉得累。在焊接方面机器人更是做的比较出色。对于线条、点面进行的焊接精确度是相当的高。焊接机器人的质量直接就决定了生产制造出的产品的质量，所以制造一个精度高，机构精巧的焊接机器人是必不可少的。
1.2 选题的背景及意义
1.2.1 选题的背景
机器人在现代化生产生活中具有广泛的应用，尤其是工业机器人的应用。工业机器人是一种多用途的机器人。在恶劣的环境中机器人可以代替人类完成绝大部分的工作，因此工业机器人在高温、低温、缺氧、等环境中应用较多。焊接机器人的应用在半自动化生产中比较广泛，如汽车外壳、底盘的生产等。
从大角度来看国内焊接机器人的应用不少，但是国人自主研发的焊接机器人还是比较薄弱的，在生产中大多用的是德系，日系等国外技术生产的机器人。就国内国人自足研发焊接机器人，其重要部件如电机等还是需要向外国订购。从这方面可以看出，虽然中国是一个大国，但工业发展还是落后与其他小国家的。
不管国内还是国外对于焊接机器人的需求都是很大的，拥有一款好的焊接机器人将在焊接行业占领主导地位。从20世纪90年代以来，计算机的迅速发展，人工智能、传感器技术等大部分新型技术都应用到了焊接机器人当中。使焊接机器人越来越接近人工智能，焊接技术也越来越高。
1.2.2选题的意义
为了提高劳动生产率、稳定和提高生产质量、改善劳动强度可在有害环境工作、缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。设计一款自主研发、精度又高的机器人是十分有意义的。无论是为了国内的工业发展，还是为了全球工业化速度的推进，焊接机器人作为机器人的典型代表，要是能够设计出一款新型的焊接机器人将是机器人行业的一大亮点，能够造福整个机械行业。
1
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1.3 需解决的主要问题
了解焊接机器人实际应用中的意义和该类机器人的发展现状，对焊机机器人的原理、构造、控制电路、运动轨迹有全面的认识，以及对机器人的机械结构、控制系统、电机分配有全面的把握。对该课题进行深入的分析，选择实现方便、稳定、安全、高效的方案，完成小型焊接机器人的设计。
设计小型焊接机器人需解决的问题有：
1) 需要对小型焊接机器人的整个结构的构思；
2) 通过结构的设计选择合适的电机；
3) 根据机械结构设计合理的传动结构；
4) 需要对设计的传动机构及零件进行校核；
5) 完成焊接部分的结构设计，使机器人能够实现焊接；
6) 学习绘图软件，如Solidworks、AutoCAD绘制部分装配图三维图。
2
2 焊接机器人方案和结构设计
2.1 焊接机器人系统的组成简介
焊接机器人系统一般由如下几部分组成：机械手、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。典型的焊接机器人组成如图2.1所示：
图2.1焊接机器人系统组成结构图
机械手是焊接机器人的执行机构，它由驱动器、连杆传动机构、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。通过前人的设计与比较，发现在相同的结构尺寸下面具有6个自由度的机器人工作范围是相对比较大的，关键是在机器运行中精度比较高。所以在生产方面应用是相当广泛的。
为了配合焊接机器人的运动，以及加快生产的进度，给焊接机器人配一个变位机是十分有必要的。当然，一般为了生产的进度都是一台焊接机器人配2台变位机，一台用作焊接时，另一台这负责搬运，当搬运的变位机焊接时，则焊接完毕的变位机由进行搬运工作。这样重复循环可以很好的利用时间，增加生产效率。
机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢，如图2.2所示。它由计算机硬件、软件和一些专用电路组成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 焊接系统是焊接机器人完成作业的必要装备，由焊钳（点焊机器人）、焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分构成。焊接控制器可根据预先的焊接监控程序，完成焊接数据输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，
并实现与本地计算机及手控盒的通讯联系。
虽然在焊接机器人在设计的时候将精度提高到了最顶端，按时由于环境等因素导致焊接结果不是很理想，为了提高焊接的精度，给焊接机器人安装部分传感器是必要的。例如视觉传感器，操作人员可以通过屏幕观测焊接质量是否合格。还有其他传感器，例如焊缝跟踪传感器，可以很好的提高精度。
安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停等。
图2.2机器人系统的神经中枢
2.2 焊接机器人的设计方案
针对目前焊接机器人的普遍应用于各机械行业 ，且焊接机器人的构造也有相当大的改进可以说目前的机器人已经相当理想不过对于机器人的改进没有最完美只有更完美。机器人的结构的差异直接可以体现出机器人的使用价值。不同的焊接要求可以有不同的结构设计，鉴于机器人的工作环境的要求，因此设计出以下三种方案。
方案一：导轨式焊接机器人。通过多副齿轮导轨控制焊机移动达到焊接的目的，导轨可根据生产需求跟空间要求安装齿轮导轨。机器人焊接机可以在导轨上
上、下、左、右、前、后运动。优点具有结构简单，安装方便。缺点是占用空间位置，焊接位置具有局限性。
方案二：关节式焊接机器人。人之所以能活动自如就因为人身上有许许多多的关节。一个人的腰部以上包括腰部到手指几乎能触及到以手臂为半径的球体范围。所以将机械结构设计成人体的上半身的机械臂结构将有助于实际焊接轨迹的应用。此机器人为关节式结构，机器人主体的关节结构由腰部、大臂、小臂、腕部等几个部分组成。
方案三：极坐标焊接机器人。手臂有两个回转关节和一个棱柱关节，其轴线按极坐标配置，运动学模型较复杂，占用空间较小，操作范围大且灵活。
通过对方案的比较发现方案二跟适合设计要求。关节式机器人具有活动灵活，焊接位置相对比较广，定点比较准确。可操作性比较强。所以最终确定方案二为本次设计对象。
2.3 焊接机器人结构设计
为了使机器人能够清晰的展现出来，设计思路是先将机器人分成3个部分，即腰部、大臂、小臂与手腕。 2.3.1 腰部的设计
机器人的腰部不仅要实现可以带动整个机械主体进行360度的旋转，还需一端固定于一个基准面。本次设计是将机器人设计为落地式的机器人，所以腰部的一端是需要带底盘的，并且可以很好的固定在地面上。所以腰部只有一个旋转的自由度。
腰部的上面部分则是固定一个伺服电机，电机是连接大臂部分。腰部的大小是根据整体机器人的大小以及重量等因素来确定腰部基座的大小，由于是小型焊接机器人的设计，故先将机器人的重量设定为120kg~140kg左右。当然腰部的设计还需要考虑刚度、精度、平稳性。 1) 刚度
刚度是指在外力作用下抵抗形变的能力。刚度越大形变量就越小，所以为了提高刚度应合理的选择界面形状的轮廓尺寸。由于腰部不仅受到弯力，还受到扭转力。故在设计的时候需要选择抗弯力跟抗扭转力较大的截面形状。刚度不仅在外形结构上，在零件上也需要注意。 2) 精度
虽然是腰部的精度，但失之毫厘谬以千里，要是腰部相差一度角在手臂上可能会相差5至6度，这回严重影响生产要求。影响机身和臂不位置精度的因素有刚度之外，关键还是主要运动部件的制造跟装配进度，腕的部分在臂上的定位跟联接放似乎也具有一定的影响。所以设计的时候需要更加的仔细精确。精度也主要体现在机械传动是零件的精度。
3) 平稳性
机器在一定运动下多多少少会产生一定的冲击和振动，这势必会影响机器人的焊点的定位。为了使机器人在运动时尽可能的平稳需采取缓冲装置吸收能量，还有一方面就是需要减少机器的动能，可以在设计的时候将机器做的更紧凑一些控制好质量，以减少惯性力所带来的影响。
当然机械结构的布局也挺重要，在设计的时候还是需要谨慎思考的。图2.3是腰部部分结构图
腰部是有一个电机连接一个联轴器去连接轴，在轴上安装小齿轮，在轴的另一端连接一个轴承，通过电机带动小齿轮提供动力，带动大齿轮运转，使腰部可以自由转动。初步设计机器人腰部的尺寸为高400mm，宽度及厚度为400mm的基础模型，这边高度是未加入基座的高度尺寸。
图2.3腰部部分结构示意图
2.3.2 大臂部分设计
机器人的大臂部分相对于腰部的设计少了固定的基座，但是大臂的设计两端个需要联接腰部跟小臂，其结构设计比较精巧，其大臂部分跟腰基联接的部分也有一个俯仰的动作的，以及大臂跟小臂联接部分也有一个俯仰的动作，故有两个自由度。同样的大臂部分的刚度、精度、平稳性也十分的重要。由于上面已经强调过了这边就不在重复叙述了。图2.4是大臂的设计图。预计将大臂的长度设为600mm，供后面的设计作参考。
大臂的两端基本上是一个对称结构，一端是带有轴承跟大齿轮的大臂俯仰端，另一端是带有电机提供给小齿轮俯仰动力的机构。两边机构基本一样，这样就可以满足大臂跟小臂的俯仰需求。 2.3.3 小臂部分及手腕部分设计
机器人的小臂跟机器人的大臂有点类似，除了形状有点不一样，其功能跟大臂也基本一样。小臂的一端是连接大臂，另一端是连接手腕部分。小臂这需要做旋转一个动作，故有一个自由度。手腕部分也需要旋转跟俯仰也跟小臂一样拥有
图2.4大臂结构主视图及俯视图
两个自由度。其小臂跟手腕部分的刚度、精度、平稳性也是相对设计而言比较重要。在腰部结构已经介绍了，同样的不再重复描述了。图2.5是小臂与手腕的设计图。这边将小臂跟腕部总长度设为600mm，最为参考对结构进行设计。
小臂旋转机构跟俯仰机构基本上也是一个类似的工作原理，都是电机连接轴带动小齿轮再带动大齿轮运转，使机构可以自由的运动。
手腕部分机构跟小臂部分基本上没有区别，除了机构上的大小不一样，其作用功能都是一样的。腕部的顶端联接的是一个法连是用于焊枪机构的。
图2.5小臂及手腕部分示意图
3 电机的选型
3.1 电机简介
a
b
图3.1 a为步进电机，b为伺服电机
目前市场上电机品种较繁多，选择一款合适的电机的十分重要的。通过比较查询相关资料发现以下两款电机是比较适合应用在机器人里面的，即步进电机、伺服电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。它涉及到电子、电机、机械及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，用来调速。
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类用作执行元件，且具有线性度高、机电时间常数小、始动电压等特性，其主要特点是，当信号电压变零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为和转速转矩以驱动控制对象。
伺服系统（servomechanism）是使物体的方位、位置、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，来实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，来实现精确的定位，可达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。
永磁同步交流伺服电机与直流伺服电机相比。尽管在成本上比较高一点，但是优点还是十分显著的。
1) 可靠性高，用电子逆变器取代了直流电机换向和电刷的机械换向，工作寿命
主要有轴承决定。
2) 维护保养要求低，而直流电机必须定期清理电刷，跟换电刷和换向器。 3) 散热容易，交流伺服电机主要损耗咋定子绕组和铁芯上，散热容易，而且便
于在定子槽内安放热保护传感元件。而直流伺服电机损耗主要在转子电枢上，散热困难。部分热量经轴传给负载。对负载产生不良影响。 4) 转子转动惯量小，提高系统快速性。 5) 同功率情况下，体积小，重量轻。
6) 可用于较高电压情况下，直流伺服电机换向器片由于电压的限制，不宜工作。
表3.1为同一家公司生产的两类伺服电机典型产品性能比对，可见永磁交流伺服电机存在明显优势。
表3.1两类伺服电机性能比对
3.2 电机的型号的选择
传动系统中选择一台合适的电机容量是很重要的。要是电机容量小了就很难发挥机械设备的能力，使生产效率低，另一方面电机要是再过载下长期运行的话会使它过早损坏，经不起冲击负载等故障，同时还可能出现气筒困难。要是选择大了，则不仅会使设备费用增加，而且由于电机经常在轻载下运行运行效率对异步电机来说都会下降。
通过查看相关焊接机器人的资料发现，日本安川伺服电机是在焊接机器人中应用比较广泛的。所以本设计也将采用安川伺服电机。通过查询安川伺服电机手册得知安川电机的型号有SGMAH\SGMPH\SGMGH\SGMSH。表3.2是伺服电机的容量表。
由于焊接机器人每个关节旋转速度均较低，所以在电机选择过程中功率要求小，主要考虑电机的尺寸是否满足焊接机器人外形尺寸的要求。因此在查阅了安川电机手册的基础上选择电机。安川交流伺服电机每种型号均带有制动器和减速机的类型，但由于所用的减速气味通用减速器，减速比较小，减速后不能满足焊接机器人速度要求，因此选用不带制动器和减速机的标准型交流伺服电机。
焊接机器人所用的六个电机型号如下：
1) 腰部旋转处电机选用SGMPH-15，功率1500w转速3000prm； 2) 大臂俯仰处电机选用SGMPH-15，功率1500w转速3000prm； 3) 小臂俯仰处电机选用SGMPH-08，功率750w转速3000prm；
4) 小臂旋转处电机选用SGMPH-04，功率400w转速3000prm； 5) 手腕俯仰处电机选用SGMPH-02，功率200w转速3000prm； 6) 手腕旋转锄电机选用SGMPH-01，功率100w转速3000prm。
表3.2伺服电机容量
结合图3.2电机尺寸示意，各电机具体参数如表3.3所示。
图3.2电机尺寸示意
表3.3电机参数
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学生签名： 朱涛 日期： 2013年5月29日
分类号： TP122 密 级： 公开 UDC： 学校代码：
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首先，我要感谢指导我本次毕业设计工作的冯娟老师，衷心的感谢她对我的指导和帮助以及本次选题的支持。还要感谢大学期间各个科目老师的细心教导，解答疑难。对于不了解的问题细心指导，使我对机电有更加充分的认识。同时还要感谢同班同学的相互帮助，使我能够有一个很愉快的大学。
我还要感谢我的室友，谢谢你们在我毕业设计中提供的帮助和鼓励，你们的帮助使我顺利地完成任务。
深深感谢我的父母和亲人，他们无私的在背后默默支持者我，我深知他们为我求学所付出过的点点滴滴，感谢他们一直对我的信任，感谢他们的养育之恩。而至今仍无以为报。今后我会用自己的行动报答您们。
最后，向细心审阅本论文的的专家教授衷心的说声谢谢。
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摘要：针对于目前工业化的迅速发展，机器人在生产生活中不可或缺。国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人的给出了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。”普遍用于工业自动化领域。本论文主要针对机械机构的介绍与设计。
本文先进行的的是通过焊接机器人方案的设计，通过对比选取出合适的设计方案。选择合适的电机。然后根据焊接机器人的结构选择合适的传动机构，由选取去的传动机构再进行结构的设计。完成减速器的选取，轴承的选取，轴的设计进行各部件的强度的校核。
整个机器人可分为腰、大臂、小臂、腕四个部分，具有6个自由度。结构精巧可以接触点面范围比较广。
关键词：焊接；机器人；传动机构；减速器；6自由度
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Design of Small Welding Robot
Abstract：For the current rapid development of industrialization, the robot in the production of life is indispensable. International Organization for Standardization (ISO) in 1987 was given to industrial robots definition: "Industrial robot is a kind of automatic control operation and mobility features that can complete a variety of tasks programmable manipulator." Commonly used industrial automation. This thesis describes the mechanical structure for design.
This article was first performed by welding robot program design, by comparing select a suitable design. Select the appropriate motor. Then the structure of a welding robot select the appropriate drive mechanism, the drive mechanism to select the further structures. To complete the selection of the gear unit, the selection of the bearing shaft into the design strength of the components checked.
The whole robot can be divided into the waist, arm, forearm, wrist four parts, with six degrees of freedom. Compact structure can be relatively wide range of points of contact surfaces.
Keywords: Welding; robot; transmission mechanism; reducer; six degrees of freedom Classification: TH122
II
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目 次
摘要 ······································································································ Ⅰ Abstract ··································································································· II 目次 ······································································································ III 1 绪论 ···································································································· 1
1.1 前言 ································································································· 1
1.2 选题背景及意义 ·················································································· 1
1.2.1 选题背景 ························································································· 1
1.2.2 选题意义 ························································································· 1
1.3 需解决的主要问题 ··············································································· 2 2 焊接机器人方案和结构设计 ····································································· 3
2.1 焊接机器人系统组成简介 ······································································ 3
2.2 焊接机器人的方案设计 ········································································· 4
2.3 焊接机器人的结构设计 ········································································· 5
2.3.1 腰部的设计 ······················································································ 5
2.3.2 大臂部分的设计 ················································································ 6
2.3.3 小臂及手腕部分的设计 ······································································· 6 3 电机的选型 ··························································································· 8
3.1 电机简介 ··························································································· 8
3.2 电机型号的选择 ················································································· 10 4 传动机构的设计 ···················································································· 13
4.1 传动机构的介绍 ················································································· 13
4.1.1 滚珠丝杠 ························································································ 13
4.1.2 齿轮齿条 ························································································ 13
4.1.3 绳带链条 ························································································ 14
4.2 传动机构的选择 ················································································· 14
4.3 轴与轴承的设计 ················································································· 14
4.3.1 轴的扭转强度的计算 ········································································· 15
4.3.2 轴承的选择 ····················································································· 16
4.4 传动机构的设计 ················································································· 17
4.4.1 齿轮的设计 ····················································································· 18
4.4.2 齿轮强度的校核 ··············································································· 19
III
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4.5 减速器的选择 ···················································································· 21
4.6 焊接部分选择 ···················································································· 22
4.7 送丝机构的设计 ················································································· 22 5 总结与展望 ·························································································· 24 参考文献 ································································································ 25 附录A：零件工程图 ················································································· 26 1 齿轮A1 ······························································································ 26 2 齿轮A2 ······························································································ 27 3 传动机构 ····························································································· 28 4 送丝机构 ····························································································· 29 5 外形尺寸 ····························································································· 30 附录B：焊接机器人传动机构设计图 ···························································· 31 1 基座旋转机构及大臂俯仰机构设计图 ························································ 31 2 大臂小臂联接部分小臂俯仰设计图 ··························································· 32 3 小臂旋转部分设计图·············································································· 33 4 手腕俯仰机构及旋转设计图 ···································································· 33 5 腕部顶端法兰连接部分设计图 ································································· 34 附录C：焊接机器人整体设计图 ·································································· 35 学位论文数据集 ······················································································· 36
IV
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1 绪论
1.1 前言
在科技日益发达的今天，机器人已逐步进入人类的生产生活当中。当初只能在电视电影上看到的机器人，那些能够举起千斤重物的机器人，能够在墙上飞檐走壁的机器人。在我们这个时代已经不是梦想，在大街上我们可以看到爬壁机器人的高空作业，在深海机器人又可以代替人类考察，甚至上月球进行研究考察数据。这些机器人将在我们的生活中越来越平凡。
在工业生产中机器人更有人类难以取代的位置。机器人可以在恶劣的环境下代替人类工作，机器人不会觉得累。在焊接方面机器人更是做的比较出色。对于线条、点面进行的焊接精确度是相当的高。焊接机器人的质量直接就决定了生产制造出的产品的质量，所以制造一个精度高，机构精巧的焊接机器人是必不可少的。
1.2 选题的背景及意义
1.2.1 选题的背景
机器人在现代化生产生活中具有广泛的应用，尤其是工业机器人的应用。工业机器人是一种多用途的机器人。在恶劣的环境中机器人可以代替人类完成绝大部分的工作，因此工业机器人在高温、低温、缺氧、等环境中应用较多。焊接机器人的应用在半自动化生产中比较广泛，如汽车外壳、底盘的生产等。
从大角度来看国内焊接机器人的应用不少，但是国人自主研发的焊接机器人还是比较薄弱的，在生产中大多用的是德系，日系等国外技术生产的机器人。就国内国人自足研发焊接机器人，其重要部件如电机等还是需要向外国订购。从这方面可以看出，虽然中国是一个大国，但工业发展还是落后与其他小国家的。
不管国内还是国外对于焊接机器人的需求都是很大的，拥有一款好的焊接机器人将在焊接行业占领主导地位。从20世纪90年代以来，计算机的迅速发展，人工智能、传感器技术等大部分新型技术都应用到了焊接机器人当中。使焊接机器人越来越接近人工智能，焊接技术也越来越高。
1.2.2选题的意义
为了提高劳动生产率、稳定和提高生产质量、改善劳动强度可在有害环境工作、缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。设计一款自主研发、精度又高的机器人是十分有意义的。无论是为了国内的工业发展，还是为了全球工业化速度的推进，焊接机器人作为机器人的典型代表，要是能够设计出一款新型的焊接机器人将是机器人行业的一大亮点，能够造福整个机械行业。
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1.3 需解决的主要问题
了解焊接机器人实际应用中的意义和该类机器人的发展现状，对焊机机器人的原理、构造、控制电路、运动轨迹有全面的认识，以及对机器人的机械结构、控制系统、电机分配有全面的把握。对该课题进行深入的分析，选择实现方便、稳定、安全、高效的方案，完成小型焊接机器人的设计。
设计小型焊接机器人需解决的问题有：
1) 需要对小型焊接机器人的整个结构的构思；
2) 通过结构的设计选择合适的电机；
3) 根据机械结构设计合理的传动结构；
4) 需要对设计的传动机构及零件进行校核；
5) 完成焊接部分的结构设计，使机器人能够实现焊接；
6) 学习绘图软件，如Solidworks、AutoCAD绘制部分装配图三维图。
2
2 焊接机器人方案和结构设计
2.1 焊接机器人系统的组成简介
焊接机器人系统一般由如下几部分组成：机械手、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。典型的焊接机器人组成如图2.1所示：
图2.1焊接机器人系统组成结构图
机械手是焊接机器人的执行机构，它由驱动器、连杆传动机构、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。通过前人的设计与比较，发现在相同的结构尺寸下面具有6个自由度的机器人工作范围是相对比较大的，关键是在机器运行中精度比较高。所以在生产方面应用是相当广泛的。
为了配合焊接机器人的运动，以及加快生产的进度，给焊接机器人配一个变位机是十分有必要的。当然，一般为了生产的进度都是一台焊接机器人配2台变位机，一台用作焊接时，另一台这负责搬运，当搬运的变位机焊接时，则焊接完毕的变位机由进行搬运工作。这样重复循环可以很好的利用时间，增加生产效率。
机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢，如图2.2所示。它由计算机硬件、软件和一些专用电路组成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 焊接系统是焊接机器人完成作业的必要装备，由焊钳（点焊机器人）、焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分构成。焊接控制器可根据预先的焊接监控程序，完成焊接数据输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，
并实现与本地计算机及手控盒的通讯联系。
虽然在焊接机器人在设计的时候将精度提高到了最顶端，按时由于环境等因素导致焊接结果不是很理想，为了提高焊接的精度，给焊接机器人安装部分传感器是必要的。例如视觉传感器，操作人员可以通过屏幕观测焊接质量是否合格。还有其他传感器，例如焊缝跟踪传感器，可以很好的提高精度。
安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停等。
图2.2机器人系统的神经中枢
2.2 焊接机器人的设计方案
针对目前焊接机器人的普遍应用于各机械行业 ，且焊接机器人的构造也有相当大的改进可以说目前的机器人已经相当理想不过对于机器人的改进没有最完美只有更完美。机器人的结构的差异直接可以体现出机器人的使用价值。不同的焊接要求可以有不同的结构设计，鉴于机器人的工作环境的要求，因此设计出以下三种方案。
方案一：导轨式焊接机器人。通过多副齿轮导轨控制焊机移动达到焊接的目的，导轨可根据生产需求跟空间要求安装齿轮导轨。机器人焊接机可以在导轨上
上、下、左、右、前、后运动。优点具有结构简单，安装方便。缺点是占用空间位置，焊接位置具有局限性。
方案二：关节式焊接机器人。人之所以能活动自如就因为人身上有许许多多的关节。一个人的腰部以上包括腰部到手指几乎能触及到以手臂为半径的球体范围。所以将机械结构设计成人体的上半身的机械臂结构将有助于实际焊接轨迹的应用。此机器人为关节式结构，机器人主体的关节结构由腰部、大臂、小臂、腕部等几个部分组成。
方案三：极坐标焊接机器人。手臂有两个回转关节和一个棱柱关节，其轴线按极坐标配置，运动学模型较复杂，占用空间较小，操作范围大且灵活。
通过对方案的比较发现方案二跟适合设计要求。关节式机器人具有活动灵活，焊接位置相对比较广，定点比较准确。可操作性比较强。所以最终确定方案二为本次设计对象。
2.3 焊接机器人结构设计
为了使机器人能够清晰的展现出来，设计思路是先将机器人分成3个部分，即腰部、大臂、小臂与手腕。 2.3.1 腰部的设计
机器人的腰部不仅要实现可以带动整个机械主体进行360度的旋转，还需一端固定于一个基准面。本次设计是将机器人设计为落地式的机器人，所以腰部的一端是需要带底盘的，并且可以很好的固定在地面上。所以腰部只有一个旋转的自由度。
腰部的上面部分则是固定一个伺服电机，电机是连接大臂部分。腰部的大小是根据整体机器人的大小以及重量等因素来确定腰部基座的大小，由于是小型焊接机器人的设计，故先将机器人的重量设定为120kg~140kg左右。当然腰部的设计还需要考虑刚度、精度、平稳性。 1) 刚度
刚度是指在外力作用下抵抗形变的能力。刚度越大形变量就越小，所以为了提高刚度应合理的选择界面形状的轮廓尺寸。由于腰部不仅受到弯力，还受到扭转力。故在设计的时候需要选择抗弯力跟抗扭转力较大的截面形状。刚度不仅在外形结构上，在零件上也需要注意。 2) 精度
虽然是腰部的精度，但失之毫厘谬以千里，要是腰部相差一度角在手臂上可能会相差5至6度，这回严重影响生产要求。影响机身和臂不位置精度的因素有刚度之外，关键还是主要运动部件的制造跟装配进度，腕的部分在臂上的定位跟联接放似乎也具有一定的影响。所以设计的时候需要更加的仔细精确。精度也主要体现在机械传动是零件的精度。
3) 平稳性
机器在一定运动下多多少少会产生一定的冲击和振动，这势必会影响机器人的焊点的定位。为了使机器人在运动时尽可能的平稳需采取缓冲装置吸收能量，还有一方面就是需要减少机器的动能，可以在设计的时候将机器做的更紧凑一些控制好质量，以减少惯性力所带来的影响。
当然机械结构的布局也挺重要，在设计的时候还是需要谨慎思考的。图2.3是腰部部分结构图
腰部是有一个电机连接一个联轴器去连接轴，在轴上安装小齿轮，在轴的另一端连接一个轴承，通过电机带动小齿轮提供动力，带动大齿轮运转，使腰部可以自由转动。初步设计机器人腰部的尺寸为高400mm，宽度及厚度为400mm的基础模型，这边高度是未加入基座的高度尺寸。
图2.3腰部部分结构示意图
2.3.2 大臂部分设计
机器人的大臂部分相对于腰部的设计少了固定的基座，但是大臂的设计两端个需要联接腰部跟小臂，其结构设计比较精巧，其大臂部分跟腰基联接的部分也有一个俯仰的动作的，以及大臂跟小臂联接部分也有一个俯仰的动作，故有两个自由度。同样的大臂部分的刚度、精度、平稳性也十分的重要。由于上面已经强调过了这边就不在重复叙述了。图2.4是大臂的设计图。预计将大臂的长度设为600mm，供后面的设计作参考。
大臂的两端基本上是一个对称结构，一端是带有轴承跟大齿轮的大臂俯仰端，另一端是带有电机提供给小齿轮俯仰动力的机构。两边机构基本一样，这样就可以满足大臂跟小臂的俯仰需求。 2.3.3 小臂部分及手腕部分设计
机器人的小臂跟机器人的大臂有点类似，除了形状有点不一样，其功能跟大臂也基本一样。小臂的一端是连接大臂，另一端是连接手腕部分。小臂这需要做旋转一个动作，故有一个自由度。手腕部分也需要旋转跟俯仰也跟小臂一样拥有
图2.4大臂结构主视图及俯视图
两个自由度。其小臂跟手腕部分的刚度、精度、平稳性也是相对设计而言比较重要。在腰部结构已经介绍了，同样的不再重复描述了。图2.5是小臂与手腕的设计图。这边将小臂跟腕部总长度设为600mm，最为参考对结构进行设计。
小臂旋转机构跟俯仰机构基本上也是一个类似的工作原理，都是电机连接轴带动小齿轮再带动大齿轮运转，使机构可以自由的运动。
手腕部分机构跟小臂部分基本上没有区别，除了机构上的大小不一样，其作用功能都是一样的。腕部的顶端联接的是一个法连是用于焊枪机构的。
图2.5小臂及手腕部分示意图
3 电机的选型
3.1 电机简介
a
b
图3.1 a为步进电机，b为伺服电机
目前市场上电机品种较繁多，选择一款合适的电机的十分重要的。通过比较查询相关资料发现以下两款电机是比较适合应用在机器人里面的，即步进电机、伺服电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。它涉及到电子、电机、机械及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，用来调速。
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类用作执行元件，且具有线性度高、机电时间常数小、始动电压等特性，其主要特点是，当信号电压变零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为和转速转矩以驱动控制对象。
伺服系统（servomechanism）是使物体的方位、位置、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，来实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，来实现精确的定位，可达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。
永磁同步交流伺服电机与直流伺服电机相比。尽管在成本上比较高一点，但是优点还是十分显著的。
1) 可靠性高，用电子逆变器取代了直流电机换向和电刷的机械换向，工作寿命
主要有轴承决定。
2) 维护保养要求低，而直流电机必须定期清理电刷，跟换电刷和换向器。 3) 散热容易，交流伺服电机主要损耗咋定子绕组和铁芯上，散热容易，而且便
于在定子槽内安放热保护传感元件。而直流伺服电机损耗主要在转子电枢上，散热困难。部分热量经轴传给负载。对负载产生不良影响。 4) 转子转动惯量小，提高系统快速性。 5) 同功率情况下，体积小，重量轻。
6) 可用于较高电压情况下，直流伺服电机换向器片由于电压的限制，不宜工作。
表3.1为同一家公司生产的两类伺服电机典型产品性能比对，可见永磁交流伺服电机存在明显优势。
表3.1两类伺服电机性能比对
3.2 电机的型号的选择
传动系统中选择一台合适的电机容量是很重要的。要是电机容量小了就很难发挥机械设备的能力，使生产效率低，另一方面电机要是再过载下长期运行的话会使它过早损坏，经不起冲击负载等故障，同时还可能出现气筒困难。要是选择大了，则不仅会使设备费用增加，而且由于电机经常在轻载下运行运行效率对异步电机来说都会下降。
通过查看相关焊接机器人的资料发现，日本安川伺服电机是在焊接机器人中应用比较广泛的。所以本设计也将采用安川伺服电机。通过查询安川伺服电机手册得知安川电机的型号有SGMAH\SGMPH\SGMGH\SGMSH。表3.2是伺服电机的容量表。
由于焊接机器人每个关节旋转速度均较低，所以在电机选择过程中功率要求小，主要考虑电机的尺寸是否满足焊接机器人外形尺寸的要求。因此在查阅了安川电机手册的基础上选择电机。安川交流伺服电机每种型号均带有制动器和减速机的类型，但由于所用的减速气味通用减速器，减速比较小，减速后不能满足焊接机器人速度要求，因此选用不带制动器和减速机的标准型交流伺服电机。
焊接机器人所用的六个电机型号如下：
1) 腰部旋转处电机选用SGMPH-15，功率1500w转速3000prm； 2) 大臂俯仰处电机选用SGMPH-15，功率1500w转速3000prm； 3) 小臂俯仰处电机选用SGMPH-08，功率750w转速3000prm；
4) 小臂旋转处电机选用SGMPH-04，功率400w转速3000prm； 5) 手腕俯仰处电机选用SGMPH-02，功率200w转速3000prm； 6) 手腕旋转锄电机选用SGMPH-01，功率100w转速3000prm。
表3.2伺服电机容量
结合图3.2电机尺寸示意，各电机具体参数如表3.3所示。
图3.2电机尺寸示意
表3.3电机参数