20070403261_张厚凯_ 多自由度点焊机器人设计.docVIP

1 前言 1.1 工业机器人发展现状 20世纪60年代初人类生产出第一台工业机器人，从此之后，机器人显示出了极强的生命力。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国。70年代，在国家七五、八五科技攻关的支持下，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、运动学和轨迹规划技术、控制系统硬件和软件设计技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、装配喷漆搬运等机器人。20世纪90年代后，为了实现高新技术发展与国家经济主要领域的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，开发出直接遥控机器人、管道机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人等机种；在机器人视觉、声觉、力觉、触觉等基础技术的开发应用上工作，了一定的发展基础。在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品≤1mm，不可见焊点处≤3mm 考虑到焊接空间小，为避免与工件碰撞，通常要求小臂很长 其优点是：定位精度高、重复精度好、承受负载大、可以代替人在有害的环境下作业等。 1.3 点焊机器人系统组成 广义上讲，机器人是一个较完善的机电一体化系统，包括机械本体、控制及信息处理单元、驱动单元、动力单元、传感检测单元和执行单元等要素。我们一般看到的机器人是其机械本体，是狭义的机器人，它包括底座、腰、大臂、小臂、手腕等部件，各部件多采用关节的形式连接，为增加机器人的灵活性，腕部一般要求两到三个自由度，整体一般不少于五个自由度。各个关节通过交流伺服电动机或步进电机驱动，通过谐波减速器、摆线针轮减速器、滚珠丝杠、齿轮、同步齿型带等传动。 点焊机器人要完成焊接作业，离不开控制系统与外围设备的支持与配合。完整的焊接机器人系统一般由如下几个部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等[3] 。 2 总体设计方案 在确定机器人总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要遵循的一些基本原则，从而使设计方案更合理。 2.1 总体设计思路 设计机器人大体上可分为两个阶段： 系统分析阶段 （1）（2）（3）（1）（2）（3）（4）（5）PLC来控制各个电路和电机的正反转。通过机电一体化，实现了对机器人的自动控制，从而灵活精确地对要点焊接部位进行点焊。 2.2.1 机器人本体 设计参数： （1）负载 120kg （2）自由度 5 （3）工作范围及最大关节速度: 腰转 ±120°，100°/s 大臂摆 ±100°，120°/s 小臂摆 上60°，下60°，100°/s 腕转 ±120°，120°/s 腕摆 ±115°，120°/s 重复定位精度 ±0.4mm 最大回转半径：20000mm 快速打点能力：行程50mm的时间为0.4s，焊接节拍56点/分钟 机器人本体特点为： （1）（2）（3）（4）（1）PLC，该PLC可由用户进行编程，对电极修磨器、焊接控制器等机器人附属设备进行控制，这种控制结构机器人与生产线PLC控制之间通信少，使控制单元缩小，控制层级关系清晰，运行维护相对简单。 （2）3色灯，其出现故障时，可以在很远的距离做出判断。 2.2.3 坐标形式的选择 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2.1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到μm级位置精度。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2.1(b)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 (a). 直角坐标型 (b). 关节型 图2.1 关节型机器人坐标形式 由要求可知本设计是一个用于摩托车油箱的点焊系统，即要实现机器人的几个基本动作。为了满足设计的要求，我们综合考虑以上两种坐标形式的不同特点，最终选用关节型坐标。 2.2.