1、- -1前言1.1設計背景與意義1.1.1焊接機器人概述焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人。工業機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機，具有三個或更多可編程的軸，用于工業自動化領域。為了適應不同的用途，工業機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。自從世界上第一臺工業機器人UNIMATE于1959年在美國誕生以來，機器人的應用和技術發展經歷了三個階段：示教再現型機器人、具有感知能力的機器人、智能型機器人。1.1.2焊接機器人國內外研究現狀（1）

2、國外研究現狀自從世界上第一臺工業機器人UNIMATE于1959年在美國誕生以來，機器人在工業發達國家得到了迅速發展。其中日本具有機器人王國之稱，此外，世界上還有許多工業發達國家，如美國、前蘇聯等一些國家的機器人產業也發展得很快。在亞洲，韓國的機器人產業發展也很迅速，現排名世界前列。現在國外的機器人各個方面的技術發展現狀為，在機械結構上以發展關節型機器人為主流，在控制系統方面主要是發展基于PC的開放結構的控制系統，在驅動技術方面主要是發展AC伺服驅動技術，此外智能化傳感器技術的機器人數量呈上升趨勢。焊接機器人技術正朝著高速、高精度、多功能化方向發展。（2）國內研究現狀我國的工業機器人技術經過三十

3、多年的發展，現在已掌握了機器人的設計制造技術、控制系統的硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，開發出了弧焊、點焊、裝配等機器人；現階段我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等主要行業。其中弧焊機器人已廣泛應用于各大汽車制造廠的自動焊裝線上。但從總體上來看，我國的工業機器人技術及其工程上的應用水平和國外相比起來還有一定的差距。現階段我國工業機器人技術主題發展戰略目標是：根據21世紀初，我國國民經濟對先進制造及自動化技術的需求，瞄準國際前沿高新技術發展方向，創新性地進行研究和開發工業機器人技術領域的基礎技術、關鍵技術，產品技術和系統技術。1.1.3焊接機器人研究意義(1

4、)提高和穩定焊接質量，保證其焊縫均一性。(2)改善了勞動條件，減少工人勞動強度。提高勞動生產率，提高經濟效益。產品周期明確，容易控制產品產量。縮短產品改型換代的周期，減小相應的設備投資。1.2設計內容本設計是六自由度焊接機器人設計，所以需要設計六部電機來驅動。本設計的主要內容包括焊接機器人本體設計和和控制系統設計。(1)焊接機器人本體設計焊接機器人的機械部分是整個機器人的執行機構，機構型式的好壞，將直接影響到整個系統的好壞。所以，機構的設計是非常重要。在本設計機構中，主要包括運動副型式的合理選擇，驅動的最佳速比等。本設計還需要設計六部電機的安裝位置、尺寸大小，連桿的設計，機械手等各個關節的設計

5、。(2)焊接機器人控制系統設計首先選擇合適的控制系統，繪制出控制系統結構框圖，然后選擇合適的運動控制器、驅動器、伺服電機型號來搭建控制系統硬件平臺。1.3設計方案(1)焊接機器人機械本體總體布局總體布局就是解決裝置各個部件間的相對運動和相對位置，并使機器人有一個協調完美的造型。總體布局要通過聯系尺寸來體現，聯系尺寸同時也是結構設計的關鍵。初步確定的聯系尺寸是個部件的設計依據，并通過部件的設計，此外還應對聯系尺寸進行必要的修改，最后確定總體裝配圖。(2)總體方案設計總體方案主要包括：系統運動方式的確定、伺服系統的選擇、控制系統的選擇等內容。系統運動方式的確定：焊接機器人按運動方式已由題目確定好了

6、，選用六軸聯動式關節型。伺服系統的選擇：旋轉、擺動機構采用交流伺服系統。電動機類型選用交流伺服電機，交流伺服電機具備很多十分優良的性能，例如低速性能，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高。控制系統硬件設計：根據系統要求確定系統電氣控制的結構圖，選擇電氣元器件的參數和型號，繪制電氣原理圖。2焊接機器人本體設計本次畢業設計目的是為了設計一臺六自由度焊接機器人，在設計的過程中參考了機械工程學院機器人實驗室的首鋼motoman機器人。本次設計參數的采用也參考了其相關的參數。機器人本體設計包括主要基座、大臂、小臂、手腕、機械手以及各關節伺服電機的安裝位置、尺寸大小，還包括齒輪副的安裝位置、尺寸，階梯軸、平

7、鍵的選擇等設計。在進行本體設計的過程中要考慮到機器人的工作要求，例如所能達到的最大工作范圍、運動精度要求、負荷能力等。2.1機器人設計參數焊接機器人主要的參數包括控制軸的數量、負載能力、重復精度、最大動作范圍、最大速度及功率。其主要設計參數和使用條件如表2.1所示：焊接機器人設計參數表2.1控制軸6負荷能力6kg重復精度0.08mm最大動作范圍S（本體回轉）+170L（下臂前后擺動）+155-90U（上臂上下擺動）+190-170R（上臂回轉）180B（手腕上下擺動）+225-45T（手腕回轉）360最大速度9000cm/min線速度1.5m/s周圍條件溫度0-45濕度20%-80%振動4.9

8、m/S2工作范圍最小387mm最大1378mm功率1.5kw2.2自由度與關節該焊接機器人采用關節型的機器人，具有六個自由度，即為二個腰關節、一個肩關節、一個肘關節、還有二個腕關節。這些關節都為轉動關節，在機器人本體末端還有一個用于加持物體的機械手。機器人本體的整體布局如圖2所示。該整體布局圖大致反映了機器人的外形。機人拒lttA.WAAHK4口?*幷M.圖2.1機器人本體整體布局圖2.2.1基座的設計（1）基座是整個機器人本體的支持，為了保證機器人的穩定性，基座設計如圖2.2所示：圖2.2焊接機器人基座此基座為帶有轉盤的基座，由于基座承受壓力，為了充分利用材料的特性，選擇使用鑄鐵材料來制造基

9、座，這樣可以利用鑄鐵材料的吸振性，提高機器人的振動穩定性。轉盤上裝有伺服電機，電機通過齒輪副傳動，帶動本體實線旋轉運動，即S關節,旋轉角度+170。在轉盤上裝有齒輪副架，實現齒輪副的合理安裝，這樣設計既可以節約空間，又可以實現傳到的要求。基座上還設計有接線盒子，所有的電機驅動信號和反饋信號都是從這個接線盒子中輸入輸出。2.2.2下臂關節的設計下臂關節即為L關節，主要是實現機器人的前后擺動，下臂關節的擺動的幅度為+155-90，下臂關節電機的安裝位置和傳動方式設計如圖2.3所示。圖2.3下臂關節設計如圖所示，伺服電機安裝在齒輪副架上，齒輪副架通過螺釘連接安裝在機器人腰關節支持連桿上。通過齒輪副傳

10、動，把扭矩傳遞到軸上，從而帶動下臂實現前后擺動。2.2.3上臂擺動關節的設計上臂擺動關節即為U關節，主要是為了實現機器人上臂的上下擺動而設計的。上臂關節的擺動幅度為+190-170，下臂關節電機位置和傳動方式設計如圖2.4所示。圖2.4上臂關節設計如圖所示，伺服電機安裝在齒輪副架上，齒輪副通過螺釘連接安裝在下臂連桿末端。通過齒輪副傳動，把扭矩傳遞到上臂上，從而實現上臂的上下擺動。2.2.4上臂回轉關節的設計上臂回轉關節即為R關節，主要是為了實現上臂的回轉運動而設計的，上臂的回轉角度為180。大臂回轉關節電機的安裝位置和傳動方式如圖3.5所示。圖2.5上臂回轉關節如上圖所示，電機安裝在上臂末端，

11、電機軸通過聯軸器和傳動軸連接實現傳動。在傳動軸上設計有深溝球軸承支撐，在上臂上設計有圓錐銷和傳動軸連接，并在軸上設計出平鍵連接，從而實現上臂的回轉運動。2.2.5手腕擺動關節設計機器人手腕是連接操作機上臂和末端執行機構的關節，并決定末端執行機構的空間位姿。手腕一般有23個自由度，要求結構要緊湊，質量要輕，各運動軸采用分離傳動。本機器人手腕設計成具有二個自由度，在本設計中，通過在上臂上設計出電機支架，使電機能夠安裝上臂殼體內部，通過同步齒形帶傳動，來實現一個腕關節的擺動。這樣設計可以節約空間，結構十分緊湊，而且能很好的滿足傳動的要求。手腕擺動關節設計如圖2.6所示。圖2.6手腕上下擺動關節如上圖

12、2.6所示為手腕關節設計電機的安裝位置及傳動方式示意圖。手腕擺動關節即為B關節，主要是現實手腕的上下擺動，手腕擺動的幅度為+225-45。電機安裝在上臂殼體內部設計出的電機支架上，通過同步齒形帶來實現傳動。小帶輪安裝在手腕軸上，從而帶動手腕的上下擺動。下面計算出同步齒形帶的傳動參數和帶輪的參數。同步齒形帶傳動示意圖如圖2.4所示：計算同步帶尺寸：(1)確定同步齒形帶的計算功率Pacac計算功率P是根據傳動的功率P和帶的工作條件而確定的：acP=K*P(2.1)acA(2.1)式中，KA為其工況系數，取其值為1.2；P為所需傳遞的額度功率，經計算得其值為P=2.5(kw)即：Pac=KA*P=3

13、(kw)(2)選擇同步帶帶型根據計算功率Pac選擇同步帶的帶型，查表選擇較小的節距，取其值為5.12mm。ac(3)確定小帶輪節圓的直徑d和小帶輪的齒數Z由于其中Z1Zmin查表可取Z1=20，2.2)1min，1d=PbZ/兀=19.206(mm)所以d=20.21(mm)(4)確定大齒輪節圓的直徑d2和大齒輪齒數Z2由于傳動比為3/2，所以Z2=3/2*Z1=30所以d2=48.50(mm)(5)初步選取中心距a0并選擇同步帶的基準長度Ld,帶的齒數Zb若中心距a0未給定，根據下式0.7(d+d2)a02(d+d2)(2.3)所以可以選擇35a0200，選取a0=16Omm。2.2.6手腕

14、回轉關節的設計手腕回轉關節即為T關節，主要是實現手腕的回轉運動，T關節的回轉幅度為土360。手腕關節的電機安裝位置及傳動設計如圖2.8所示。圖2.8手腕回轉關節如圖所示，手腕回轉關節的驅動電機安裝在上臂上設計出的電機支架上，通過電機軸帶動手腕實現回轉運動。2.3機械手的設計工業機器人的機械手又稱為機器人的末端執行器，它是機器人用于直接抓取和握緊某些專用工具（例如焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。但是，由于被抓取工件形狀、尺寸、材質等不同，工業機器人末端操作器可分為以下幾類：（1）吸附式機械手（2）夾鉗式機械手（3）仿生多指機械手本設計是為了設計一

15、臺焊接機器人，機械手并不需要完成復雜的動作，只需要機械手能按要求抓取焊具即可。所以本設計選用夾鉗式機械手，并設計成具有兩個手指的形式，其外形如圖所示。此機械采用氣動傳動，通過氣缸的伸縮運動，兩個手指在導軌中同步移動來完成機械手開合運動，從而實現機械手的夾緊與松開。機械手的設計如圖2.5所示：圖2.5機械手3控制系統設計3.1控制系統選擇機器人控制系統是一種典型的多軸實時運動控制系統，構建機器人的控制系統，首先需要選擇相應的硬件。本設計所選用的是固高科技有限公司生產的GE運動控制器。固高公司生產的GE運動控制器，可以實現多軸協調運動和高速的點位運動。其是在以高速數字信號處理器DSP為代表的高性能

16、高速未處理器及大規模可編程邏輯器件FPGA的基礎上發展而來的。基于PC的開放式運動控制器已成為當今自動化領域應用最廣、功能最強的運動控制器，并且在全球范圍內得到了廣泛的應用。運動控制器主要用于對機械傳動裝置的位置、速度進行實時的控制管理，使運動部件按照預期的運動軌跡和規定的運動參數完成相應的動作。運動控制系統的典型結構如圖3.1所示：圖3.1控制系統典型結構開放式結構的運動控制系統充分利用了PC機的資源，可以利用第三方軟件完成用戶程序開發，將生成的應用程序指令通過總線傳輸給運動控制器。運動控制器是整個控制系統的核心，它接受來自上位PC機得應用程序命令，按照設定的運動模式，完成相應的實時運動規劃

17、，向驅動器發出相應的運動指令。本設計選用固高公司生產的插卡是運動控制器一一GE系列多軸點位運動控制器來搭建機器人控制系統硬件平臺。3.1.1GE-800-PG-PCIGE系列多軸點位運動控制器是固高科技插卡是運動控制器的成員之一，該系列產品基于計算機PCI總線，可同時控制1-8個伺服/步進電機，具有優良的點位運動規劃功能，特別適用于高速高精度點位控制要求的設備，選用該系列運動控制器可以很好的滿足本設計的要求。GE系列運動控制器型號及含義：本設計選用的運動控制器型號是GE-800-PG-PCI。GE：系列標示代號為GE；800：可以控制軸數8軸；P：運動規劃方式為點位運動規劃；G：工作方式為脈沖

18、輸出；PCI：總線類型為PCI總線。GE-800-PG-PCI技術參數：運動控制：運動控制信號為：每軸輸出差分脈沖，最高頻率：1MHZ；每軸編碼器的反饋通道的四倍頻可達8MHZ；運動控制功能：點位控制，梯形曲線，S形曲線模式運動規劃；數字濾波器：PID+速度前饋+加速度前饋。IO功能：提供16路同用數字輸入，16路通用數字輸出。電源要求：+24V或+12V，Icc=2AMAX。運動控制器與端子板的連接端子板是把若干個端子集中在一起，排列在一個平板上的的，這個板就叫端子板，端子板的作用是方便接線用的。運動控制器與端子板連接就是通過一條屏蔽電纜連接控制器的CN1與端子板得CN1,另一條屏蔽電纜連接

19、轉接板得CN2與端子板的CN2。圖3.3是GE-800-PG運動控制器端子板結構圖CN2CN15CN17IIIIIIIICN16|丨II衛丨11ipi11CN14CM19口CN8口雷矍至亞翌OCN13o座至益翌口CN7陛矍些毎）CN12送毬巡空MAC恥。逼區遞瑟至JQCN10O12/24VGNE,.麗o雲宓丁曲心CN5口墜趣翌盤CN9o1圖3.3GE-800-PG運動控制器端子板表3.1為端子板接口的定義表表3.1端子板接口的定義接口端子功能接口端子功能CN1運動控制器連接接口CN2運動控制器連接接口CN4RS232接口CN5（6、7、8、9、12、13）控制軸接口CN14通用10輸出接口CN

20、15限位信號輸入接口CN16通用I0輸入接口CN17原點信號輸入接口CN19模擬量輸入接口對于運動控制器GE-800-PG-PCI的專用輸入包括：驅動器報警信號、原點信號和限位信號，通過端子板的CN5（CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13）、CN17、CN15與驅動器及外部開關相連。CN5的定義見表3.專用輸出包括:驅動允許，驅動報警復位。專用輸出通過端子板CN5、CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13與驅動器連接。CN5對應1軸，CN6對應2軸，CN7對應3軸，CN8對應4軸，CN9對應5軸，CN10對應6軸，CN12對應7軸，CN13對應8軸，

21、在本設計中只需要選擇前六軸即可滿足要求。表3.2端子板CN5（CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13）定義表引腳信號說明引腳信號說明10GND外部電源地14OVCC+12/24V3ENABLE驅動允許16保留保留4A-編碼器輸入17A+編碼器輸入5B-編碼器輸入18B+編碼器輸入6C-編碼器輸入19C+編碼器輸入8DAC模擬輸出10GND數字地9DIR+步進方向輸出22DIR-步進方向輸出11PUL-步進脈沖輸出23PUL+步進脈沖輸出15RESET驅動報警復位2ALM驅動報警3.1.2電機控制系統的基本組成在本設計中電機控制系統的基本組成需要如下硬件元器件：運動控制器一

22、個、具有PCI接口的主機一臺、交流伺服電機6部、驅動器6個、+12/+24V直流電源（用于接口板電源）一個、原點開關、正/負限位開關若干。3.2電機的選擇本設計是設計一臺六自由度焊接機器人，其總共有六個獨立的轉動關節。加上機器人末端的執行器，一共需要七個獨立的原動機。在本設計中可以初步選擇用電機來驅動，但是在用電機驅動中存在是選擇使用步進電機、直流伺服、還是交流伺服的問題。由于在本設計主要是實現機構的旋轉、擺動，而在旋轉、擺動機構中通常采用交流伺服系統。所以電動機類型交流伺服電機，交流伺服電機具備很多十分優良的性能，例如低速性能，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高。3.2.1電機型號的確定標準

23、電動機的功率是由額定功率來表示。所選電動機的額定功率應等于或稍大于工作要求的功率。若功率小于工作要求，則不能保證工作機正常工作，或使電動機長期過載，發熱過大而過早損壞。本設計選用的日本三洋公司生產的R系列交流伺服電機，下面對R系列電機的型號做如下說明。以R2AA06040FC為例：R：表示R系列；2：表示發動機分類為中慣性；AA：表示電動機電壓為220V；06：表示發蘭角為60mm；040：表示電動機的規格輸出為400W；F：表示電動機最高旋轉速度為6000r/min；H：表示最高轉速為3000r/min；C：表示帶保持控制器（24V）；X：表示無保持控制器。下表2.2是我們所選的電機的型號及

24、其具體參數：表2.2所選擇的電機電機參數S關節L關節U關節R關節B腕關節T關節型號R2AAB8100HXR2AAB8100HCR2AA06040FCR2AA04010FXR2AA04010FXR2AA04010FX額定功率W10001000400100100100額定電壓220V最高轉速rpm3000300060006000600060003.3伺服驅動器的選擇伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，是伺服控制系統的一部分。目前主流的伺服驅動器一般都采用DSP作為控制核心，可實現比較復雜的控制算法。伺服驅動器一般可以采用速度、位置和力矩三種控制方式，主要應用于高精度的運動控制場合。選擇驅動器

25、需要根據伺服電機的功率、反饋元件來選擇。選擇驅動器時，需要考慮與伺服電機的匹配問題，還需考慮控制方式。在本設計中選用的是三洋公司生產的伺服驅動器。3.3.1驅動器型號的確定本設計選擇的是三洋公司生產的R系統運動控制器，下面將簡要的介紹伺服驅動器的型號識別方法。本設計選用兩種驅動器，分別為RS1A01AA、RS1A03AA。RS1:表示R系列；A：表示相電壓為AC200；01：表示驅動器容量為15A；A：表示與驅動器組合的為旋轉電機；A：表示編碼器的接口分類為省配線增量編碼器。03：表示伺服驅動器容量為30A。RS1A01AA、RS1A03AA驅動器示意圖如圖3.3所示Ti+Tiv旨TT+sg(

26、匚)RS1A03AA玄E-t-l000舉*(因gFnvlssBzsixanon國Alozlozl屋1IslQvl養匸烹+/WOHnf圖3.3驅動器示意圖下面簡要的介紹伺服驅動器各個端子的定義高電壓電路端子主電源端子：R、T單相AC200-230V控制電源端子：r、t單相AC200-230V伺服馬達接線端子：U、V、W與伺服電機聯接低電壓電路端子CN1:上位裝置輸入輸出信號連接器表3.1CN1端子定義表端子番號信號名稱說明端子番號信號名稱說明3A0A位置信號輸出4/A0/A位置信號輸出5B0B位置信號輸出6/B0/B位置信號輸出7Z0Z位置信號輸出8/Z0/Z位置信號輸出21V-REF速度指令輸

27、入20SG21共用地26F-PC輸入脈沖指令29/F-PC輸入脈沖指令28R-PC輸入脈沖指令29/R-PC輸入脈沖指令36RES(CONT2)通用輸入37ENABLE通用輸入40ALM(OUT2)通用輸出24OUT-COM通用輸出地25OUT-COM通用輸出地49OUT-PWR通用輸出的電源50CONT-COM通用輸入的電源CN2:編碼器接頭，端子定義如表3.2所示表3.2CN2端子定義表端子番號信號名稱說明端子番號信號說明1EBAT+蓄電池正極2EBAT-蓄電池負極13ES+位置數據輸出14ES-位置數據輸出19+DC5V直流5V電源20GND地3.3控制系統電路圖為了滿足焊接機器人對電源

28、的要求首先需要設計電源控制電路,電源控制電路主要包括總電源開關、驅動器控制電源、驅動器動力電源、急停控制、伺服啟動和停止電機抱閘控制、DC24V電源輸出等。本設計控制電路設計如圖3.4所示。血2嘰第電稈播頭|芝電*牙羌曲M魁匍電樣*請料力電彳電苣忘卻風薦贏電暮總|卜249開興電彳*停擔絹云詁和停止|豈處M林止Jt朿電湫捋電機航軸DC細電卑檜出蟲0必I0-Z由必必J2-MIJ卜肚I+24iv圖3.4電源控制圖3.3.1運動控制器與驅動器接線圖圖3.5為運動控制器的一個接口與運動控制器CN1的接口示意圖，圖示還示意了驅動器的主電源和控制電源接線圖，其中主控制電源為是從電源控制電路圖中端子L4、N4

29、中引入并接驅動器R、S,控制電源是從電源控制電路圖中端子L、N中引入并接驅動器r、s。圖3.5運動控制器與驅動器接線圖3.3.2驅動器與伺服電機接線圖圖3.6為驅動器與伺服電機的接線圖。131LIFL*MiLt圖3.6驅動器與電機接線圖4結論通過查閱關于機器人的相關文獻，以及參考機械工程學院機器人實驗實首鋼motoman機器人實例，并在老師的指導下完成設計方案的論證。在機器人的本體設計的過程中，主要完成了機器人基座旋轉關節S、下臂上下擺動關節L、上臂前后擺動關節U、上臂回轉關節R、手腕擺動關節B、手腕回轉關節T及機械手的設計。在機器人基座的設計中，基座采用鑄鐵鑄造而成，充分利用鑄鐵的材料特性，

30、改善系統的抗振性。基座上鑄有電機支架和齒輪副支架，這樣設計節省了空間，結構更為緊湊。基座旋轉盤在旋轉的過程中電機也是隨旋轉盤旋轉的。在腕關節的設計中，腕關節設計有二個自由度，一個自由度是電機通過齒輪傳動來實現手腕的旋轉運動，另一個自由度是通過同步齒形帶來實現手腕的擺動的。這樣設計的好處是既能滿足自由度的要求，在結構上也更為緊湊。繪制出了完整的機器人裝配圖和一部分零件圖。在控制系統中選擇了固高公司生產的GE-800-PG-PCI運動控制器作為控制系統的核心部件，其充分利用了DSP技術和FPGA技術。其是基于PC的開放式運動控制器，可以直接插到PC機的PCI插槽中，應用十分簡單，操作方便，可以充分

31、利用上位機得資源。此外還選擇了三洋公司生產的驅動器和伺服電機來搭建機器人的伺服驅動系統。焊接機器人在高質量、高精度的焊接中發揮著重要的作用。近年來，隨著用工成本的提高和先進技術的快速發展這兩方面矛盾的日益凸顯，焊接機器人技術的發展和應用極大的推動了我國工業自動化的發展。下面對焊接機器人發展做如下展望：（1）多機器人協調控制技術隨著自動化水平的提高，流水現作業方式的采用，多機器人協調控制技術將成為焊接機器人技術的一個重要研究和發展方向。（2）嵌入式控制技術近年來，嵌入式控制技術有了長足的發展，使得嵌入式的應用得到重視。嵌入式之所以得到廣泛的重視和應用，是因為嵌入式系統有小型、專用、易攜帶、可靠性高等一系列