焊接机器人的运动部件

焊接机器人设计时应包括其主要组成部件的传动特征，它通常由以下四部分组成。

（1）操作（执行）部分，它是机器人为完成焊接任务而传递力或力矩，并执行具体动作的机械结构，包括机身、臂、腕、手（焊枪）等。

（2）控制部分，它是控制机械结构按照设定的程序和所要求的轨迹，在规定的位置（点）之间完成焊接作业的电子电气器件和计算机。它有记忆功能，可储存有关数据和指令，还有通信功能，可与焊接电源、焊件变位机械、焊件输送装配机械等进行信息交换，协调相互之间的动作，调节焊接操作规范等。

（3）动力源及其传递部分是为操作部分提供和传递机械能的部件和装置，其动力以电动为主，也有液压的。

（4）工艺保障部分，这部分主要有焊接电源，送丝、送气装置，电弧及焊缝跟踪传感器等。

根据机器人臂部自由度的不同组合，其臂端运动所对应的坐标系有四种形式：直角坐标系、圆柱坐标系、球形坐标系和多球形坐标系（见图6.9）。各种坐标系的特性见表6.1。

按这四种坐标系设计的任何一种机器人的臂部都有三个自由度，这样，机器人臂的端部就能达到其工作范围内的任何一点。但是，对焊接机器人来说，不但要求焊枪能到达其工作范围内的任何一点，而且还要求在该点不同方位上能进行焊接。为此，在臂端和焊枪之间，还需要设置一个“腕”部，以提供三个自由度，调整焊枪的姿态，保证焊接作业的实施，如图6.10所示。

图6.9　机器人臂端运动所对应的坐标系简图

表6.1　机器人各坐标系的特性

图6.10　焊接机器人运动图

由图6.10知，腕部的三个自由度，是绕空间相互垂直的三个坐标轴x、y、z的回转运动，通常把这三个运动分别称为滚转、俯仰、偏转运动。在结构不同的机器人中，这三个运动的布置顺序也不相同。焊接机器人有了臂部和腕部提供的六个自由度后，它的手部（焊枪）就可达到工作范围内的任何位置，并在该位置的不同方位上，以所需的姿态完成焊接作业。

由图6.9、图6.10知，机器人的每一个自由度，必有一个相应的关节。为了使各关节的运动互不发生干涉，则各个关节必须是独立驱动的，其驱动方式通常有液压、气动和电动三种。随着高性能伺服电动机的出现，在焊接机器人中几乎都采用了电驱动。过去以永磁直流伺服电动机驱动应用较多，但现在已被永磁同步交流伺服电动机所取代。其原因一方面是永磁材料性能提高且价格下降；另一方面是交流伺服电动机的构造比较简单，没有整流产生的电磁干扰，并且能够实现高性能的控制。

在机器人传动系统中，普遍采用了齿形带、滚珠丝杠、精密齿轮副、谐波减速器等先进、精密、轻质、高强的传动器件。

图 6.11 所示是一台关节式机器人的腕部传动系统结构，由图可知，交流伺服电动机 1通过谐波减速器（由3、4、21、22、23等组成）驱动一对精密圆锥齿轮副7、17成90°角传动后，使腕部产生俯仰运动。另一交流伺服电动机20通过另一谐波减速器（由10、11、13、14、15等组成）直接驱动连接焊枪的法兰12，以产生偏转运动。这两个运动来自各自的驱动系统，所以不会发生运动干涉。采用谐波减速器的目的，主要是由于它的体积小、质量小、减速比大，经它减速后，可使交流伺服电动机驱动腕部运动的输出转矩得到进一步增大。

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图6.11　关节式机器人的腕部传动系统结构

1，20—交流伺服电动机；2—上臂；3，15—发生器椭圆轮；4，10—刚性轮；5—防松螺母； 6—紧固螺钉；7，17—圆锥齿轮；8—紧固螺母；9—侧盖；11，21—柔性轮； 12—焊枪连接法兰；13，22—发生器外圈；14，23—发生器内圈； 16—端盖；18—连接法兰；19—连接套筒。

图6.12所示是上臂俯仰运动的传动简图，图6.13所示是下臂俯仰运动的传动简图。它们都是通过交流伺服电动机驱动滚珠丝杠使上、下臂产生俯仰运动。上、下臂构成一个平行四边形机构，上臂为短边、下臂为长边。它们可同时驱动，也可单独驱动，上臂运动不会改变下臂的姿态，下臂运动也不会改变上臂的姿态，相互均不发生运动干涉。

有的机器人，下臂的运动是由交流伺服电动机直接驱动的，上臂的运动有的也是直接驱动的，有的则是通过齿形带将动力传递到上方进行驱动。上述传动形式，与经滚珠丝杠驱动相比，要求电动机的输出转矩要大。

机器人机身的回转，多是由交流伺服电动机经谐波减速器减速后直接驱动，或者再经一级齿轮副，驱动固定在机身上的齿圈使机身转动。

在机器人控制系统中，以可编程序的伺服控制为主，采用“示教”编程。但是近年来，以程序语言编程的方法，因其固有的优点而受到重视，必将在重要关键性工件的焊接中得到应用。

各种焊接机器人的技术性能，主要由两部分表示：一部分是机器人本体的技术数据；另一部分是控制系统的技术数据。表6.2是SG-MOTOMAN机器人系列的SK6型机器人本体的技术数据。其作业空间范围如图6.14所示。松下AVM-005 C型弧焊机器人本体的技术数据与表6.2所列大同小异，表6.3所列是该型机器人控制系统的技术数据。

图6.12　上臂俯仰运动的传动简图

图6.13　下臂俯仰运动的传动简图

图6.14　SG-MOTOMAN系列的SK6型机器人P点动作范围

表6.2　SG-MOTOMAN系列的SK6型机器人本体技术数据

表6.3　松下AW-005C型弧焊机器人控制系统技术数据

续表