PDF《焊 机器 人的工作 原理及其结 构CAD 技术》

第23卷 第 4期

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2 年 8月 大连大学学报JOUR NAL OF DAL I AN UNI / E RS I TY V o J .

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0 2 焊 机器 人的工作 原理及其结 构CAD 技术李艳君,(大连大学 机械_72程系,甄恒洲辽宁 大连1l16622)摘要:本 文在 机构学 、机械 设计 的基 础上, 根据 点焊 接机器 人的 工作原理和技术特点, 论述 了其机 构 的焊接运 动过 程, 以及 此类 机器 人机械 结构CAD 系统 的主要技 术 构成 . 关键词:工 业机器 人 ;

点焊 ;

机 械结 构CA D 中图 分类 号:T P

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1 .

7 2 文献标 识码:A 文章 编号 :

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0 4 机器人 是在人员难 以工作 的环境 ,如有害于人身健康 的环境 下,部 分代 替 人工 操作 的 自动 化装置,适合 于完成简单和重复性的操作,在 制造业中得 到越来越广泛的应用;

其优点是 :定位 准确度 高、重复精度好 、持久耐用 、负荷重量大、在有害 的环 境下 可 以替 代人 工作业等.成为自动 化生产线上不可缺少的装 置.近些年 来,焊接机器 人在焊接 领域的应用已逐 步 向柔 性化和集成化的方向发 展,这不仅要求机 器人操纵 准确、性能稳 定、精度高,还要求机器人应对作业环境和作业对象有一定的适应性,从而向达到和其它系统(如CAD/ C AM / C r M S ) 或生产过程的无缝集成发展.因此,在对此类机器人 进行设计时,应 对机器人机构进行运动解析及综 合分析,同时 由于 此类 机器人在结构上采用开式链 , 其设计的出发 点又不同于 一般的机 械.因此,首先 应 当依 据机器人整机结构的几何 模型,进行点焊操 作过程的运 动模拟分析,检查机器人的运动轨迹 是否满足使用要求 、 能否实现适时控 制,以及 在运 动过程中是否会与周围装置和物体产生干涉;

在此基础上,进行整机机械结构和 传动机构的选 择与设计、以及控制系统设计计算 . 本文从系统的易用性和实用性的角 度出发,以机 械 制造 行业中自动 生 产线 上用 的点焊操作机器人的机械结构设计过程为例,说明其 C AD 系统的构 成及其设计概要.1点焊机器人操作 的技术原理 与特点 点焊机器人被广泛用来焊接薄板 材料 ,点 焊作业 占汽车 工厂 的车 体组 装工 程 的大半, 点焊机器人手臂上所握焊枪 包括 电极 、电缆 、气管、冷却水管及 焊接 变压器 ,焊 枪相 对比较重,要求手臂的负重能力较强、现在采用直流后交流伺服电机驱动方式已满足 要求 ,其重复定位精度可达到土0 .

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1 mm,质量保证一 致,因此 在工业机器人中仍 占有较大的比例 . 附 图所 示为点焊 机器人示意图,该机 器人运动轴为六轴关节式,电动机M1驱 动 回转 收稿日期 :2

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2 一l9作者简 介 :李艳君 (

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5 9 一) , 女,高级 工程师.维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期李艳君 等: 点焊机 器人的工作 原 理及其 结构 CA D技术15台旋 转 ,实 现第 一轴 的 运动 ;

电动 机M2推 动臂 架 2的摆 动,实现第二轴的运动;

电动 机M3带动驱动臂架l2的 摆动,实现第三轴的运动;

电动机组M

4、M

5 、M 6通过实轴 或空心轴,实现驱动手腕 的动作 . 为 了保 证结 构在运动 过程 中保 持尽 可 能无 间隙 和一 定的刚性 ,避 免大 的惯 性扭 矩 ,并 一直保持 高速,直至传递 到 工作 端 才进 行减速,第一轴采用了摆线针轮减速器,第二轴、第三轴使用了滚珠丝杠,手腕部件的各驱动轴均采用了谐波齿轮减速器.此外 , 为了抵消惯性力影响,在第二轴、第三轴上设置了平衡汽缸.1.手臂 及手腕 ;

2 . 臂架;

3橡皮 缓冲 器;

4肘形 节杆 ;

5 . 回转 台6,机座;

7 . 联接电缆 ;

8 . 转 台的缓 冲器;

第 一轴 ( 转台) 电机 ( M l O 、l

4 . 平衡气 缸;

1

1 . 第 二轴 ( 臂架 ) 电动 机( M2 ) ;

l

2 . 第三轴 ( 驱 动臂架 ) 电动 机(M);

13.第三轴螺 杆;

l5.驱动臂架;

1

6 . 电动机组 ( M. 、M M6 ) 在确定了点焊机器人机械结构的附图 点焊机器人工作原理示意图 几何模型后 ,就可 以进行其机构运 动的仿真分析 ,既能 比较真实地模 拟 机器 人所 完成 的点 焊操作 的运动过程 ,又可进行点焊 动作的运动分析和确定合 理的运动 范围 . 为使焊点轨迹 不发生偏离,以实现正确焊接,在 进行点焊操作作业时,机器人首先是进行平移的动作,完成焊枪 和焊点 间的位 置修 正 ;

然后 进行焊枪和焊点 间的角 度误差修 正,实现点 焊过 程的规范操作 . 此类机器人 回转机械 臂类似于人 的手臂 ,在水 平方 向具有顺 应性,可 吸收点焊 操作中的平 移误差和角度误差;

而 在垂直方向具 有较大的刚性,便于点焊操作.如果在手部施加水平方 向的作用力,会使 机械臂作微小 的转动 ,进行 微调点焊操 作.从而 实现 自动 纠正并减小位置 与角度误差 ,使 点焊操作能顺利地完成 . 上述用于点焊 操作的机器人主要技术指标是:①重复定位精度达士0 .

3 0mm;

② 自由度数为 6个;

③ 各轴运动速度 为80. ~1

2 0. / s e c或1.25~1 .

4 5 m/ s e c ;

④ 柔性手臂转角 范围 为+9 0. . 通过选用不 同型 号的控 制器,可用于点焊和连续 轨迹焊接 作业 ;

调 配手腕 部所夹持 的相 应工具 ,也可进行加 工、装配等其他多 种操作 .

2 点焊 机器人机械 结构 CAD技术 的要点 机器人的设计、计算过程复杂,涉 及机械设计、机构学、传感技术、计算机应用、自动控 制、仿生学、信息技术 、人工智 能等 各个学科领域, 以及设 计著 长期的工 作经 验,是跨学科 的综 合设计 ,应从 总体 出发研 究其 系统 内部各组成部 分之间和外 部环境与系 统之 间 的相 互关系 ;

本文仅依 据机构运动 学与动力学 、机械设计 的理 论,重 点讨 论点焊机器 人机械系统的设计技术要点.点焊机器人机械系统CAD 技术的主要内容 包括 :① 点焊作业机械人的的总体机械结维普资讯 http://www.cqvip.com

1 6 大连大学学报第23卷 构设计 ;

② 机器人基 本组成机构 的运动学和动力分 析与验算 ;

③ 机器人 内部机构的结构设 计(包括 关节结构 、传 动机构 、驱动方式等 ) ;

④ 机器人机 械系统 的优 化设 计;

⑤ 设 计用 的数据库和 知识库 建立;

⑥ 良好 的人机交互界 面设 计.因此,依据该设 计系统,只 要将 机器人进行作业操 作的有关各技 术 参数 ( 如:自由度 、工作空间、 额定 负载、 运动 速度 、 分辨率、操作 手位 姿、轨迹准确度 和重复性等)作 为设 计条件输入 ,便可自由地选 择 机器 人 的总体设计 、运动学 与动力学仿真 、结构设计 、零 部件选择、优 化设 计 等子 程序, 进行 点焊机器人 的设计 和输 出计算结果 . 设计系 统的各组成 部分 ( 子程序 )简要说 明如下 : (

1 )机器人 本体结构设计 :由机器 人的技术参数 、现场作业位置和 工艺操作要求 ,选 择其结........