機(jī)械原理：焊接機(jī)器人

定義及設(shè)計(jì)參數(shù)Content123目錄設(shè)計(jì)要求及目的總體構(gòu)型設(shè)計(jì)4機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)5運(yùn)動(dòng)學(xué)分析6Adams運(yùn)動(dòng)仿真7擺弧軌跡8傳動(dòng)設(shè)計(jì)9電動(dòng)機(jī)第一頁，共48頁。焊接機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是運(yùn)用機(jī)械傳動(dòng)、微電子技術(shù)等多種高新技術(shù)和多門學(xué)科綜合而成的一種模仿人體某種技能的機(jī)電設(shè)備。焊接機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人中的重要組成部分welding

robot設(shè)計(jì)參數(shù)自由度：6最大工作半徑：1360mm負(fù)載：160kg重復(fù)定位精度：±0.08mm第二頁，共48頁。構(gòu)型要求能較好地完成多種工況下的焊接工作；機(jī)構(gòu)本體占用的空間盡量?。还ぷ鞣秶M量大；手臂要求手腕要求質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活；工作空間大；第三頁，共48頁。直角坐標(biāo)型手部空間通過沿x軸、y軸和z軸的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)位置的改變。這種機(jī)器人的特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、無相互間的耦合，位置精度較高，避障能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是本體結(jié)構(gòu)較大，占地面積較大，靈活性不足，運(yùn)動(dòng)范圍小，協(xié)調(diào)性差。第四頁，共48頁。圓柱坐標(biāo)型由兩個(gè)直線移動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)位置的改變。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，避障能力強(qiáng)，但本體結(jié)構(gòu)比較大，和其他的機(jī)器人協(xié)調(diào)工作能力差，操作不太靈活。第五頁，共48頁。球坐標(biāo)型由一個(gè)直線移動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)位置的改變。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較緊湊，重量輕，占地面積小，位置精度可以接受，但存在平衡、避障能力弱，臂展越長，位置誤差越大等問題。第六頁，共48頁。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型由立柱、前臂和后臂組成。這種類型機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)范圍大，靈活性好，避障能力強(qiáng)、位姿確定快，但控制較為復(fù)雜，精度較低、平衡等問題第七頁，共48頁。手腕的設(shè)計(jì)構(gòu)型BBR型RBR型RRR型BRR型第八頁，共48頁。關(guān)節(jié)型手臂能完成多種工況下的焊接工作RBR型手腕動(dòng)作靈活、工作空間大、質(zhì)量輕6自由度焊接機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)第九頁，共48頁。機(jī)器人連桿參數(shù)結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)內(nèi)容和六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)，我們確定了其主要設(shè)計(jì)參數(shù)第十頁，共48頁。末端與第i-1連桿的坐標(biāo)系關(guān)系運(yùn)動(dòng)學(xué)分析其中是兩相鄰連桿之間的坐標(biāo)變換通式，式為：第十一頁，共48頁。一桿與二桿三桿與四桿二桿與三桿基座與一桿各連桿坐標(biāo)變換式五桿與六桿四桿與五桿第十二頁，共48頁。末端位姿函數(shù)式中：Px，Py，Pz分別為機(jī)器人末端中心相對(duì)于基坐標(biāo)系x，y，z方向的位移；第1，2，3列分別為機(jī)器人末端中心相對(duì)于基坐標(biāo)系x，y，z軸的方向余弦第十三頁，共48頁。函數(shù)具體數(shù)據(jù)第十四頁，共48頁。在Adams中建立簡(jiǎn)化后的仿真模型機(jī)器人的加速時(shí)間比較短，各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度比較快。設(shè)機(jī)器人自下而上6個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度分別為150，160，170，340，340，520°/s，各關(guān)節(jié)的加速時(shí)間為0.8s。Adams運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的速度函數(shù)為：其中：step是階躍函數(shù)；150d代表機(jī)器人仿真時(shí)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，函數(shù)類型為velocity。第十五頁，共48頁。位移速度加速度仿真結(jié)果第十六頁，共48頁。位移位移曲線A，B，C分別代表機(jī)器人末端x，y，z3個(gè)方向的位移，其中x方向的最大位移是1.12m，y方向的最大位移1.20m，z方向的最大位移是1.53m，機(jī)器人工作空間中x，y，z方向極限值分別為1.72，1.30，1.60m。速度速度曲線E，F(xiàn)，G分別代表機(jī)器人末端x，y，z方向的速度，圖中末端速度的變化范圍為-3~3m/s,設(shè)定的機(jī)器人焊槍最快速度為4m/s，能夠滿足機(jī)器人的工作需要加速度加速度曲線H，I，J分別表示機(jī)器人的末端x，y，z方向的加速度，圖中末端加速度的變化范圍-20~20m/s2仿真結(jié)果分析第十七頁，共48頁。仿真穩(wěn)定結(jié)構(gòu)各關(guān)節(jié)、各活動(dòng)部件運(yùn)行平穩(wěn)無任何沖擊，從而保證了焊接過程的順利進(jìn)行。滿足穩(wěn)定性各關(guān)節(jié)、各活動(dòng)部件運(yùn)行平穩(wěn)無任何沖擊，從而保證了焊接過程的順利進(jìn)行。滿足穩(wěn)定性參考國內(nèi)外同類型機(jī)器人的基礎(chǔ)上，完成焊接機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型總結(jié)第十八頁，共48頁。在弧焊機(jī)器人對(duì)焊縫進(jìn)行焊接之前，首先應(yīng)該以一定的插補(bǔ)周期T對(duì)焊縫軌跡進(jìn)行離散化，得到一系列焊縫離散點(diǎn)pi

。在機(jī)器人焊接過程中，應(yīng)該保證焊接線速度V0恒定，故我們希望焊縫離散點(diǎn)pi和pi+1之間的距離是相等的，其中插補(bǔ)周期T為弧焊機(jī)器人粗插補(bǔ)周期；焊接線速度V0則由焊接工藝參數(shù)確定焊縫離散化第十九頁，共48頁。直線焊縫離散化

第二十頁，共48頁。協(xié)同焊接的加減速控制

在數(shù)控設(shè)備中，為了保證機(jī)器人在啟動(dòng)或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、超調(diào)或振顫，必須要對(duì)其進(jìn)行加減速控制。

本論文研究的離線編程下弧焊機(jī)器人加減速控制算法是目前數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的S曲線加減速算法。

第二十一頁，共48頁。協(xié)同焊接的加減速控制正常情況下S曲線加減速的運(yùn)行過程可分為7段：加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。如圖所示。

第二十二頁，共48頁。

協(xié)同焊接的加減速控制第二十三頁，共48頁。

協(xié)同焊接的加減速控制第二十四頁，共48頁。若加、減過程中都能夠達(dá)到最大加速度amax=Amax,則：協(xié)同焊接的加減速控制若加、減過程中不能夠達(dá)到最大加速度amax<Amax，則：第二十五頁，共48頁。根據(jù)以上假設(shè)，可以得到加加速度(躍度)，加速度a、速度v、位移s等計(jì)算公式通用形式如下：協(xié)同焊接的加減速控制第二十六頁，共48頁。協(xié)同焊接的加減速控制減速區(qū)長度為：由此可得加速區(qū)長度為：勻速段的運(yùn)行時(shí)間為：第二十七頁，共48頁。協(xié)同焊接的加減速控制在加速及減速過程中是否存在勻加速段或勻減速段可分以下四種情況討論：⑴若V0-Vs>Amaxtm，加速過程中存在勻加速段，則加速過程中的三個(gè)時(shí)間段為：如此能夠達(dá)到最大加速度amax=Amax，則Ja=Amax/tm。將其帶入式1中可以獲得加速區(qū)長度sa。

如此不能達(dá)到最大加速度，僅為amax=（V0-Vs）/tm，則Ja=Amax/tm=（V0-Vs）/tm2。將其代入式1可以加速區(qū)長度sa。sa=tm（V0+Vs）第二十八頁，共48頁。協(xié)同焊接的加減速控制最后通過式3求得勻速段的運(yùn)行時(shí)間T4。到此完成S曲線加減速控制，確定T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。⑶若V0-Vs>-Amaxtm，減速過程中存在勻減速段，則減速過程中的三個(gè)時(shí)間段為：如此能夠達(dá)到最大加速度amax=-Amax，則Jd=Amax/tm。將其代入式2可以獲得減速區(qū)長度sd。

如此不能達(dá)到最大加速度，僅為amax=（Ve-Vo）/tm，則Jd=Amax/tm=（Vo-Ve）/tm2。將其代入式2可以獲得減速區(qū)長度sd：sa=tm（Vo+Ve）第二十九頁，共48頁。焊接機(jī)器人擺弧軌跡焊接機(jī)器人的焊接工作中，擺弧軌跡是一種較為獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，其基本原理就是將原有的焊接軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)空間中兩平面或者曲面間的焊接。而擺弧軌跡有多種運(yùn)動(dòng)形式，采取過程簡(jiǎn)單且速度快的正弦波周期函數(shù)，進(jìn)行研究。擺弧類型選用的是擺弧焊接中最常見的平面擺弧焊接。第三十頁，共48頁。機(jī)器人平面擺弧軌跡生成焊接機(jī)器人的平面擺弧軌跡矢量關(guān)系如圖所示，該焊縫始末端點(diǎn)以及平面內(nèi)任一不共線的點(diǎn)的坐標(biāo)分別是Ps（xs,ys,zs),Pf(xf,yf,zf),Pm(xm,ym,zm),s設(shè)機(jī)器人焊接速度為v，采樣周期為T0，正弦周期內(nèi)的插補(bǔ)次數(shù)為M，則平面直線擺弧軌跡生成的具體步驟如下：第三十一頁，共48頁。機(jī)器人平面擺弧軌跡生成

2.插補(bǔ)總步數(shù)N：N=INT(L/v*T0）+1

第三十二頁，共48頁。機(jī)器人平面擺弧軌跡生成然后根據(jù)末端執(zhí)行器始末端點(diǎn)的姿態(tài)歐拉角，按照關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃的多項(xiàng)式插值法，算出插補(bǔ)時(shí)末端執(zhí)行器的各個(gè)位姿角。最后通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，即可求出機(jī)器人在各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量。

第三十三頁，共48頁。Adams圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

通過matlab生成離散點(diǎn)后導(dǎo)入Adams中，并使用CUBSPL函數(shù)定義點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置仿真時(shí)間126s和仿真時(shí)間間隔0.1s，即可得到圓軌跡以及各個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化曲線。第三十四頁，共48頁。仿真結(jié)果第三十五頁，共48頁。關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)腰部傳動(dòng)剛度大，但傳動(dòng)形式比較復(fù)雜，零件較多，容易產(chǎn)生較大的間隙誤差，從而影響整體傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單，精度高、定位，負(fù)載少第三十六頁，共48頁。關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)肩關(guān)節(jié)傳動(dòng)和肘關(guān)節(jié)傳動(dòng)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)系統(tǒng)與腰部傳動(dòng)相似第三十七頁，共48頁。關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)腕部俯仰結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，但是該機(jī)構(gòu)會(huì)使末端重量增大，將影響機(jī)器人的運(yùn)行和剛度該機(jī)構(gòu)通過同步帶傳動(dòng)，可以減小末端重量，結(jié)構(gòu)合理緊湊，但在裝配、裝修時(shí)會(huì)有一定的麻煩第三十八頁，共48頁。關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)鏈第三十九頁，共48頁。電機(jī)及減速器選型當(dāng)?shù)诙?jié)在如圖狀態(tài)時(shí)為受力最大狀態(tài)，已測(cè)得數(shù)據(jù)G=54.12kg，J2=36.52kg/m2，L=0.728m，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速為20r/min，初步選取交流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2000r/min選取第二節(jié)為例第四十頁，共48頁。電機(jī)及減速器選型

第四十一頁，共48頁。電機(jī)及減速器選型通過計(jì)算，可初步選擇電機(jī)和減速器。伺服電機(jī)選用松下的MDME152SCH額定轉(zhuǎn)矩7.16N*m，瞬間最大轉(zhuǎn)矩21.5N*m，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，最大轉(zhuǎn)速3000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=7.99x10-4kg*m2，制動(dòng)器保持扭矩13.7N*m，重量8.2kg。減速器選用日本RV-N系列減速器RV-42N-115-A速比115，額定轉(zhuǎn)矩412N*m，啟動(dòng)、停止容許轉(zhuǎn)矩1029N*m，容許輸出轉(zhuǎn)速啟動(dòng)效率52r/min，容許力矩1660N*m，輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.142x10-4kg*m2，齒隙1.0arc*min，角度傳輸誤差70arc*sec，重量6.3kg。第四十二頁，共48頁。電機(jī)及減速器選型

減速器電機(jī)第四十三頁，共48頁。電機(jī)及減速器選型電機(jī)減速器第四十四頁，共48頁。大臂強(qiáng)度計(jì)算

第四十五頁，共48頁。大臂強(qiáng)度計(jì)算

第四十六頁，共48頁。參考文獻(xiàn)[1]余曉流，劉進(jìn)福，汪麗芳，王偉，王殿君，孫丹.基于ADAMS的六自由度焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.[2]李軒，楊楠.淺談焊接機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用，遼寧，2016.[3]劉歆，鮑鴻春.焊接機(jī)器人在汽車零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例分析.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).天津，2010.[4]孫學(xué)儉，王仙勇，董宇.焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解.北京石油化工學(xué)院，北京，2011.[5]歐爽翔.六自由度焊接機(jī)器人本體結(jié)構(gòu).廣西大學(xué)，2014.6.[6]蘭春良.焊接機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)及其精度分析.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院.2013.5.第四十七頁，共48頁。參考文獻(xiàn)[7]索羅門采夫.工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.[8]程軍.六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的研究[D]。哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2004.[9]KongYu,DaiMing,WuLin.Geometricmodelofroboticarcweldingforautomaticprogramming[J].ChinaWelding(EnglishEdition),May2000:53-58.[10]KimJinwook,F.C.Park,KimMunsang.Geometricdesigntoolsforstiffnessandvibrationanalysisofrob