摘要：本文基于虚拟样机技术设计了一种焊接机器人，包括底座、腰转、大臂、小臂和焊枪等。设计过程中，首先进行原理分析和对零件的设计、选型；然后，利用三维建模软件Pro/E对零件进行建模；最后，进行了机械装配和运动学仿真与优化。
关键词：焊接机器人；设计；优化
0引言
焊接是一项十分重要的加工工艺之一，在机械制造业中的用途越来越广泛。在生产制造中，焊接技术水平的高低直接影响产品的质量。随着科技的进步，焊接技术也有了突破性发展，焊接机器人得到了广泛应用[1-3]。
本文针对中小型生产企业自动化生产程度低这一问题，设计了一种焊接机器人，可完成中小型生产线上精度要求不高的简单焊接工作，尤其适用于生产线空间小，人工无法作业或者无法容纳大型机器人的情况，改善作业环境。
1结构设计
焊接机器人由五个主要部分组成，如图1所示，包括底座、腰转、大臂、小臂和焊枪。其中，机器人腰转部分可以绕底座的中心作360度的旋转运动；大臂可绕腰转顶点作俯仰运动，把动力从腰转传动到小臂；小臂连接着转动轴，并可绕大臂顶端进行俯仰运动；转动轴可进行旋转运动，连接末端执行器焊枪，从而实现对焊枪的驱动。
1-底座；2-腰转；3-大臂；4-小臂；5-转动轴；6-焊枪。
图1 焊接机器人组成
1.1机器人的底座设计
机器人底座是整个机器人的安装平台，底座用于安装机器人运动部分，底座承受全部的重量负载。因此，要求底座必须有足够的强度和刚度，保证其负载能力和稳定性。
1.2机器人的腰转设计
腰转结构连接底座与机器人的大臂，是机器人实现整体旋转的部件。腰转的结构考虑整体的受力平衡，以保证其减少不必要的负载，增强稳定性。转腰主体形状为长圆柱体，上方设计有打孔凸耳用来连接大臂，凸耳后加有一个保持平衡的小凸起，避免受力的不平衡造成机器人前倾的危险。
1.3机器人的大臂设计
机器人的大臂可在电机的驱动下进行俯仰动作，根据工作的需要和整体的协调性来确定机器人的大臂尺寸。机器人的大臂设计为平行式双摆臂的结构，中间有连接轴，减轻了不必要的重量，保证机械大臂工作时需要的强度。
1.4机器人的小臂设计
机器人小臂直接驱动和控制末端执行器焊枪，是大臂与执行器间的机构，要求有出色的控制能力以保证焊接机器人的焊接质量。小臂主体结构为实体长方体，底端为打孔凸耳，凸耳的作用是连接大臂，顶端端是圆柱体的凸起，用来连接焊枪。
1.5机器人的焊枪设计
焊枪是焊接机器人的末端执行器，由转动轴、曲柄和套筒三个部分组成。转动轴可实现旋转运动，驱动焊枪旋转进行寻找最佳焊接位置和角度。
2机器人运动参数的描述
本文用D-H法在每个关节上建立一个坐标系[4]，建立机器人的坐标系。利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置；然后建立机器人的齐坐标变换矩阵，计算并验证机器人的运动空间是否符合设计要求。连杆坐标系D-H参数为αi,ai,di，θ是绕z轴的旋转角，d是在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离，a是每一条公垂线的长度，α是两个相邻的z轴之间的关节扭转角度。
在满足各关节运动关系以及各零件正确装配的前提下，利用Pro/E运动轨迹轮廓面工具，通过添加相应的电机驱动，对焊接机器人建立运动算例并进行运动仿真分析[5-6]。运动参数与运动模型的设定一致，得出的运动轨迹扫描曲面如图2所示。
图2运动轨迹图
3运动仿真
3.1运动空间分析
运动空间是指在机器人的机械本体在运动过程中所扫描的范围，焊枪顶点所能到达的位置集合为工作空间。在实际应用中，机器人运动的运动空间内不应存在障碍物等；焊接机器人工作的位置应该在机器人的工作空间内。使用Pro/E的运动学分析工具进行了运动学仿真分析[7-8]，得到了焊接机器人运动过程中扫描过的轨迹集合，即为运动空间；运动空间的外边缘为焊枪顶点的运动轨迹，即为机器人的工作空间，如图3所示。
图3运动空间图
3.2逆运动学分析
焊接机器人设计、建模、分析完成，已知焊接机器人机械部件的几何参数、各关节运动参数和焊枪末端位置矢量，建立了焊接机器人各关节与末端执行器焊枪的运动方程，得到了整个焊接机器人的运动空间和作业空间。逆运动学分析在多解的情况下，可采取某些原则找到最优解。而逆运动学分析则是在某一确定的应用场景，有一确定的工作点的情况下，对焊接机器人的工作轨迹进行规划，得到最优路径[9]，提高工作效率。设定某一工作场景，使用Matlab进行编程求解，得到解后依据路径最短原则进行舍弃[10]。
4结论
本文利用三维建模软件Pro/E对零件进行建模，设计了一种焊接机器人，并分析了焊接机器人的运动工作原理，使用D-H法建立了焊接机器人的坐标系，求出来焊接机器人的运动方程，并通过一个动作组所得到的运动轨迹验证了方程的正确性。
致谢
本文受山东省重点研发计划（重大关键技术）（编号：2016ZDJS02A02）资助。
参考文献
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论文作者:闫新华,孟岳,闫新兴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/22
标签：机器人论文; 焊枪论文; 运动学论文; 底座论文; 小臂论文; 空间论文; 自由度论文; 《电力设备》2018年第15期论文;