机器人工作站设计探究

1.功能需求分析

焊接机器人是集机械、计算机、电子、传感器、人工智能等多方面知识技术于一体的现代化、自动化设备。焊接机器人主要由机器人和焊接设备两大部分构成。机器人由机器人本体和控制系统组成。另外，工作空间是焊接机器人的重要特性，通常焊接机器人完成自动化焊接过程需要考虑完全工作空间（Complete workplace）［平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合］，还需考虑最大工作空间（Maximal workplace）（平台执行器端点可到达的点的最大集合），并考虑其具体位姿。因此，设计时还须给出机器人焊接工件的参数范围，即最长焊接距离、最短焊接距离、最大焊接高度参数等。同时需要对焊接机器人所配套的焊枪、电源、送丝机构以及焊接平台等进行设计或选型。

2.机器人关键部件设计

焊接机器人设计的主要内容由机械臂设计、焊枪设计、电源设计、送丝机构设计、工作台设计五个部分组成。本设计主要讲解采用SolidWorks和CAD设计自动化焊接机器人的尺寸参数及运动仿真，如图7.44至图7.50所示。各部分零件图绘制完成后，再进行装配、绘制爆炸图、运动仿真、绘制工程图、理论计算。

图7.44　弧焊电源

图7.45　送丝机

图7.46　底座

图7.47　机械臂长臂

图7.48　机械臂短臂

图7.49　焊枪

图7.50　焊接平台

如图7.51所示为自动化焊接机器人装置爆炸图。

图7.51　爆炸图

3.重要部件设计说明

（1）电源及送丝机。

通常焊接电源和送丝机构在市场上进行购买即可，需注意焊丝盘安装在送丝机箱内，送丝机板子通过螺母固定在送丝机箱内，连杆固定在送丝机箱内，齿轮架子固定在连杆上，上方的两个送丝轮通过轴承固定在齿轮架子上，下方的两个送丝轮套在送丝机板子上。

（2）焊接机械臂及焊枪。

焊接机械臂及焊枪安装时，将底板通过螺柱固定在地面，底座通过底板上的通孔采用螺柱与地固定在一起；扭转关节与底座相连，扭转关节与底座内电机通过齿轮啮合；长臂卡在底座上端；电机通过螺杆输出转矩，螺杆贯穿长臂下端和底座上端通孔并与长臂啮合，实现长臂的固定和转动；短臂下端卡在长臂上端；短臂电机通过螺杆输出转矩，螺杆贯穿长臂上端和短臂下端通孔，并与短臂啮合，实现短臂的固定和转动；俯仰关节卡在短臂上端；一个旋钮贯穿俯仰关节和短臂上端通孔，通过手动旋转旋钮来调整焊枪角度；转动块扭紧在俯仰关节前端。使用时通过手动旋转焊枪；连接板通过螺母与转动块固定；焊枪固定在连接板上端；喷嘴管子套在连接块前端；导线嘴嵌在喷嘴管子前端，防止导线跑偏；喷嘴，耐高温，能够防止焊枪损坏。(www.xing528.com)

（3）工作台。

工作台设计时开有4条导槽，导槽上方窄，下方宽；每个导槽两端均有一个压块，用于压紧工件。压块中间开有长条状通孔；螺栓头卡在导槽下方，螺栓杆部穿过导槽上方和压块通孔，并通过螺母限定压块离开桌面，使用时拧紧螺母，即可把压块紧紧压在工件上。焊接平台支架由8根梁和4根柱铆接而成；支架直接与焊接桌面焊接固定在一起；支架通过一根连接杆与焊接机械臂底板铆接在一起，使整个装置工作时更稳定。

（4）最远焊接距离。

已知AC=1 080 mm，CD=3 396 mm，DI=1 769 mm；AB=2 040 mm，BF=1 740 mm ，如图7.52所示。

图7.52　最远焊接距离

（5）最近焊接距离。

焊接最近距离为：焊接臂到焊接工作台边缘的距离，即2 040 mm（见图7.53）。

图7.53　最近焊接距离

（6）最大焊接高度。

已知AD=1 080 mm，DF=3 396mm，FG=1 769 mm，AC=2 040 mm，CH=1 740 mm ，如图7.54所示。

图7.54　最大焊接高度

（7）运动仿真。

当机械臂以一定的模式运动时，其速度、加速度、位移和力等变量之间有着严格的依赖关系，可以通过动力学仿真分析图解形式直观地表达，本次运动仿真采用改变配合关系的方式实现整个装置的运动，模拟实际的焊接过程。以下阐释一个完整的运动仿真过程。

首先降低整个焊枪装置高度，使喷嘴降低至合适的高度位置开始焊接。假设喷嘴与钢板初始距离为240 mm，如图7.55所示。

图7.55　焊枪高度调节

然后设置整个焊枪运动轨迹，由于实际工艺中，针对不同的路线要通过几何分析出不同的路径方程式，较为困难，计算起来也较为烦琐，所以此处采用改变距离关系实现焊枪按照规定的路线运动，如图7.56所示。

图7.56　焊枪路径设置

最后通过改变配合关系，使整个焊接机器人装置回到初试状态，关闭电源，完成焊接过程，如图7.57所示。

图7.57　复位

本设计完成了机械臂、焊枪、电源及送丝机构、工作台的绘制和装配工作。该焊接机器人的焊接机械臂的五个自由度可以灵活旋转；所设计的自动化焊接机器人能够进行运动仿真；自动化焊接机器人可实现设计之初所要求的所有功能。