關(guān)于簡易五自由度焊接機(jī)械手的設(shè)計(jì)探討與分析

摘 要：五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人因具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈活及工作范圍大等特點(diǎn)，因而受到設(shè)計(jì)者的廣泛歡迎。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及未來發(fā)展需要，設(shè)計(jì)出了一種能夠切實(shí)滿足今后需要的新型五自由度簡易焊接機(jī)械手，分別對其控制系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)分析，望能為此領(lǐng)域設(shè)計(jì)研究有所借鑒。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)械手；單片機(jī)；諧波減速器；設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人不僅能夠提升勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且還能提高焊接焊接質(zhì)量，改善工人勞動(dòng)條件等，因而在金屬結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械、汽車及兵器工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，在世界范圍內(nèi)的全部工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，約有一半以上的機(jī)器人用于多種形式的焊接生產(chǎn)工作中?，F(xiàn)階段，我國所運(yùn)用的焊接機(jī)器人，大部分是進(jìn)口于世界各知名機(jī)器人廠商，多用于汽車制造。而從國外進(jìn)口的焊接機(jī)械手，盡管精度比較高、功能強(qiáng)大，但是在價(jià)格上也比較貴，尤其是在一些典型的焊接車間中，焊接機(jī)械手僅能反復(fù)做一個(gè)動(dòng)作，若采用價(jià)格昂貴的焊接機(jī)器人，勢必會增加成本。對此，本文設(shè)計(jì)出了一種五自由度焊接機(jī)械手，現(xiàn)對此作一探討。

1.明確焊接機(jī)械手傳動(dòng)方案

結(jié)合焊接機(jī)器人用途及基本特點(diǎn)，總結(jié)其如下技術(shù)參數(shù)：自由度數(shù)目5個(gè)，坐標(biāo)形式為垂直關(guān)節(jié)型，抓取質(zhì)量為1.5kg，重復(fù)定位精度為0.2mm，機(jī)器人本體質(zhì)量約160kg。

依據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可以將焊接機(jī)器人劃分為三種，即電器驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)。（1）氣壓驅(qū)動(dòng)。針對此種驅(qū)動(dòng)方式而言，最大優(yōu)點(diǎn)即為氣源方便，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還有一定的緩沖作用，因而更容易進(jìn)行保養(yǎng)；此外，在結(jié)構(gòu)上比較簡單，成本較低；但不足之處就是定位精度偏低，功率質(zhì)量比并不高，裝置體積比較大。（2）液壓驅(qū)動(dòng)。針對此種系統(tǒng)而言，有著比較大的功率質(zhì)量比，驅(qū)動(dòng)比較平穩(wěn)，系統(tǒng)響應(yīng)快、國有效率高；除此之外，在液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速方面的較簡單，能夠較大程度、高質(zhì)量的完成無級調(diào)速；但也有其缺點(diǎn)，即容易漏油，這除了會對定位精度以及工作穩(wěn)定性造成影響之外，還會污染環(huán)境；液壓系統(tǒng)需配置復(fù)雜的管路系統(tǒng)以及壓力源，因而會增加成本。（3）電氣驅(qū)動(dòng)。所謂電氣驅(qū)動(dòng)，實(shí)際就是借助于各種電動(dòng)機(jī)，由其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或力，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)或者直接去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，從中完成機(jī)器人動(dòng)作。因其具有運(yùn)動(dòng)精度高，容易控制，使用方便及成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，因而是當(dāng)前應(yīng)用最廣的一種驅(qū)動(dòng)方式。

因電氣驅(qū)動(dòng)容易控制，且有著比較高的運(yùn)動(dòng)精度，本文所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的五處回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，均運(yùn)用的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的傳動(dòng)特定為：針對機(jī)器人腰座，其所選用的是諧波減速器傳動(dòng)方式，另外，還運(yùn)用了腰座軸承承受傾覆力矩擦混動(dòng)；而對于其腰座殼體，則選用的是鑄鐵鑄造結(jié)構(gòu)；針對機(jī)器人大小臂來講，所選用的是步進(jìn)電機(jī)與諧波減速器的傳動(dòng)方式，而大臂部件所選用的是薄鋼板焊接的基本結(jié)構(gòu)方式，因而能夠大幅減少制造成本，縮短加工時(shí)間及周期；在腕部，選用的是圓錐齒輪與直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)方式，還采用了鑄鋁合金殼體的結(jié)構(gòu)形式，因而結(jié)構(gòu)可具有更好的加工性，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，此外，剛度也大。

2.焊接機(jī)械手中諧波減速器的應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的是一種關(guān)節(jié)型焊接機(jī)械手，其內(nèi)置的減速器連接于關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)減速器來最終實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)移動(dòng)。因此，在機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中，選擇那些先進(jìn)且質(zhì)量優(yōu)的減速器，非常重要且必要。針對諧波減速器來講，引起體積比較小，且空回小，整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊且簡單，傳動(dòng)精度高且傳動(dòng)比大，因而其被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)當(dāng)中。現(xiàn)階段，在所生產(chǎn)的諧波齒輪傳動(dòng)當(dāng)中，大約有65%倍應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域中。針對諧波減速器來講，其基本原理為：諧波傳動(dòng)實(shí)際就是運(yùn)用柔性元件所具有能夠加以控制的彈性變形，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)的傳遞。從本質(zhì)上來講，諧波減速器主要有3個(gè)基本構(gòu)件，分別為剛輪、柔輪與波發(fā)生器。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，依據(jù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方面的具體要求，采取了波發(fā)生器為主動(dòng)，剛輪固定不動(dòng)，以及柔輪為從動(dòng)的基本減速方案。

3.選擇焊接機(jī)械手控制方案

之所以要設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要目的在于讓焊接機(jī)器人能夠比較精確、穩(wěn)定的工作。在實(shí)際焊接中，把焊槍安裝于輸出法蘭上，另外，將CCD攝像機(jī)安裝于機(jī)械手相應(yīng)焊接方向；針對CCD攝像來講，其能夠?qū)⑺邮盏降暮附訁^(qū)圖像、信息，實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)傳送，并由其進(jìn)行針對性處理，通過處理圖像信息，將焊接熔池相應(yīng)位置檢測出來，把檢測所得出的偏差傳送至控制器，并由控制器對偏差進(jìn)行調(diào)整，指導(dǎo)將偏差徹底消除。

本文所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人主要能夠?qū)崿F(xiàn)五個(gè)自由度，在控制系統(tǒng)方面，選用的是89C51單片機(jī)，尤其對5個(gè)步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)角度及轉(zhuǎn)速等加以控制的操作方案?？刂葡到y(tǒng)主要包含下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。之所以要設(shè)計(jì)上位控制系統(tǒng)，最終目的就是要實(shí)現(xiàn)89C51與PC機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信。而設(shè)計(jì)下位機(jī)控制系統(tǒng)的目的就是借助于89C51，控制5臺步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人5個(gè)自由度的精確與穩(wěn)定。由單片機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理可知，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需切實(shí)將系統(tǒng)的處理功能及故障自動(dòng)檢測功能考慮在內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，定時(shí)自診斷各功能模塊，且快速處理外界的異常情況。針對難以及時(shí)解決的問題，需要及時(shí)切換報(bào)警裝置，或者是后備裝置，以達(dá)到警示操作人員的目的。

4.結(jié)語

綜上，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機(jī)械手得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出了一種簡易的五自由度焊接機(jī)械手，此機(jī)械手運(yùn)用的是結(jié)構(gòu)比較緊湊的諧波減速器，以此來帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。而運(yùn)用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)及單片機(jī)控制系統(tǒng)，能夠保障焊接機(jī)械手運(yùn)行的整體精確度及穩(wěn)定性，此簡易五自由度焊接機(jī)械手相比傳統(tǒng)的機(jī)器人，成本較低，且今后有著很大的改進(jìn)與升級空間，有著廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡介：

張正彬（1996-），男，民族：漢，籍貫（精確到市）：湖北武漢，學(xué)歷：本科 江漢大學(xué)，研究方向：機(jī)電一體化。