一种新型5自由度弧焊机器人的设计与表征外文翻译资料

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一种新型5自由度弧焊机器人的设计与表征

摘要 在本文中，从机械设计、控制系统和手持式焊接示教（编程）方法等方面提出一种新型的5自由度弧焊机器人。该机器人的结构是受选择顺应性装配机器手臂（选择顺应性装配机器手臂（SCARA））的启发。为了实现手持式焊接示教，在减速比较大的传动链上采用了磁力离合器和编码器。此外，还研发了一种重力平衡机构，以减少操作者的负荷。采用最优空间圆弧插值算法对HWT运算进行了处理。与传统6自由度工业机器人相比，该弧焊机器人的两个主要设计特点是成本低和操作方便。最后，通过对焊接性能的测试，进行了实验研究，结果验证了所提出的解决方案的有效性。

关键词：工业机器人；焊接机器人；机器人设计；机器人操作；机械结构设计

1前言

作为一种自动化焊接设备，工业机器人手臂以其高的重复性、准确性和操作的稳定性，在当今工业中得到了广泛的应用。四家主要的国际机器人供应商abb，kuka，fanuc和yaskawa占据了大约50%的市场份额。众所周知，他们供应的机器人手臂在高端焊接行业中得到了很好的应用，比如汽车行业。

实际生产中的工业机器人臂大多仍是采用在线示教和示教再现方式，不能满足各种产品的效率要求。为了使机器人焊接过程更加容易和高效，研究人员提出了三种主要途径来解决这些问题。一种方法是基于图像处理的机器人视觉，即通过视觉传感器识别焊接轨迹，引导机器人实现电弧焊。第二种方法是采用基于在虚拟计算机辅助设计(CAD)环境下计算机图形仿真的离线编程。还有一种方法是使用带腕力/力矩传感器的遍历编程技术。这些方法提高了机器人制造成本或对操作者有更高要求。在各种不同的机器人任务中，这是一个十分普遍但关键的问题，尤其是对于那些中小型企业，在这些企业中，中小规模的生产是不允许有如此昂贵和耗时的设置的。换句话说，由于两点主要原因，这些机器人手臂在代表着焊接行业中低端的中小型企业中是不受欢迎的。其一，这些机器人手臂不容易使用，因为他们要求操作者具备一定的专业技能，比如编程技能。另一个原因是他们的高成本。通常中小型企业不愿意去聘用具备专业技能的操作者和购买那些昂贵的机器人手臂。毋庸置疑，这阻碍了工业自动化的进程。但是由于现在劳动成本的增加和很少人愿意从事较脏、无聊和有害的焊接工作，焊接市场的中低端对自动化焊接设备有着越来越强烈的需求。

本文提出了一种基于人类操作者与机器人之间物理交互的新颖示教功能，这意味着在使编程阶段更简单、直观和快速方面，甚至在提高机器人系统的自主性和认知能力方面，向前迈出了一步。以下是本文的主要贡献：提出的手持式焊接示教编程功能快速，简便；通过使用该设备，示教过程将变得更高效；在满足中低端工业应用要求的前提下，在设计机械结构和开发机器人控制系统的过程中，成本节约问题一直受到重视。

2 机械结构设计

根据常州市从事焊接加工的中国焊接市场中低端企业的调查，我们发现他们没有必要使用传统的6自由定义机器人手臂，因为他们中接近90%的焊接产品都具有简单的焊缝和开阔的工作环境。焊缝通常是线段、圆弧或两者的组合。因此我们进行了一种新型的5自由度受 选择顺应性装配机器手臂（SCARA）启发的焊接机器人的概念设计。图1给出了包含该机构自由度结构的运动学简图，每一个自由度由一个步进电动机驱动。选择步进电动机是由于其与伺服电动机相比成本更低。在起初的两个自由度中，电磁离合器装配在减速器和齿轮副之间。它们用于隔离减速器的阻力，使操作人员能够轻松地拖动焊枪。而在其他的3个自由度中由于减速器的阻力比较小并且是可接受的，因此没有使用离合器。使用编码器视为了在手持式焊接示教过程中可以记录每个接头的位移。下文将对此做出详细解释。在仔细评估选定的代表性企业的工作条件后，该新型焊接机器人的设计规范已指定，并列于表1。第一。第二和第五个旋转关节的最大转速为60°/s，第四个关节的最大转速为120°/s，并且第3个平动接头 的速度为150mm/s。第一到第五关节的运动范围分别为360°，180°，480mm，plusmn;180mm和plusmn;45°，定位精度和重复定位精度分别为0.5mm和0.05mm。

3

R3

5 M5

^G4 E5

图1 新型弧焊机器人的自由度结构（M1-M2 伺服电动机；M3-M5 步进电动机；C1-C2 电磁离合器；R1-R3 减速器；G1，G2和G4 齿轮副；G3 齿轮-齿副；E1-E5 编码器；1，2，4和5 转动关节；3 平动接头）

通过概念设计和设计参数的确定，该机器人的机械结构基本定型。整个焊接机器人系统的外观如图2所示。该机器人系统主要由2个基座、1个大臂、1个小臂、一个垂直臂、1个重力平衡机构、1个送丝机、一个焊枪和一个示教吊坠。此外，还有1个控制柜和1个焊接电源，但其在图中没有画出。

假设工件已经固定在夹具上，则手持式焊接示教操作过程可以描述为：首先，操作者打开机器人本体、送丝机和焊接电源的电源；关闭两个电磁离合器以保证断开第一、二条传动链；然后，操作者以适当的方式将焊枪拖到焊缝特征点，同时使用示教吊坠记录该点的位置（位置由第五个机器人关节处的编码器记录）；其他特征点的位置也以同样的方式被记录；随后，控制系统选择合适的插值算法生成焊缝轨迹；接着打开电磁离合器连接传动链；最后，操作者使用示教吊坠启动自动焊接程序，机器人开始焊接工件。

图2 设计的焊接机器人系统（控制柜和焊接电源未画出）

具体而言，关节1、2和3用于在三维空间内定位焊枪，关节4和5用于调节焊枪姿势。研制电磁离合器和重力平衡机构特别用于手持式焊接示教过程。具体来说，在手持式焊接示教阶段，电磁离合器用于消除第一和第二减速器的阻力，而重力平衡就则用于平衡垂直臂的重力。这是因为垂直臂大约有20kg，没有该机构的话，操作者无法将垂直臂上下移动以执行手持式焊接示教。通过电磁离合器和重力平衡机构的帮助，操作者在焊接过程中便可以轻松地用机器人本体拖拽焊枪到焊缝上确定的特征点。

图3 电磁离合器和双齿轮组装配的剖面图

图3给出了电磁离合器装配的剖面图。电磁离合器由驱动部分和飞轮组成。驱动部分固定在减速器轴上，而飞轮则固定在输出轴法兰盘上。止推轴承用于将工作间隙保持在规定的范围内。此外，为了减小齿轮副啮合间隙，使用了双齿轮组。

选择顺应性装配机器手臂（SCARA）臂末端的重力平衡机构由齿轮箱和涡卷弹簧箱组成。具体结构详见图4。在图4a中，齿轮箱固定小臂末端。箱中有一个小齿轮和大齿轮，其分别固定在电动机驱动轴和涡卷弹簧轴上。电动机3安装在驱动轴左侧的机架上。两个齿轮形成两个齿轮齿条副。滑动导轨固定在齿条的背面。另外，在齿条上还安装了电缆管。它们形成了可以沿着装配在齿轮箱右侧板上的两个滑块上下移动的垂直臂。在图4b中，涡卷弹簧的内端固定在弹簧轴上，外端安装在一个固定在法兰盘上的定位销上。此外，用于移动垂直臂的首轮固定在弹簧轴的右端。

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