摘 要

工业机器人的使用对于现代制造企业的产品质量和企业竞争力的提升有重要作用，对于科技的前进与社会的发展有着推动作用，而在如今我国的制造业现状下，焊接机器人在各种工业机器人当中使用最为广泛，并且对于工业制造有着重要意义。随着焊接过程需要的精确度与自动化程度不断提高，智能化与柔性化也是工业制造领域的大趋势，针对焊接工作环境改善与劳动强度降低的需求，本文设计出一款关节式焊接机器人，为保证其在焊接过程中的灵活性和可行性，提出机械臂结合导轨的方案。本文主要的研究内容如下：

（1）关节式焊接机器人整体方案的确立。对关节式焊接机器人进行需求分析，自由度选择，机器人执行机构设计，导轨选型与设计，并估算各关节功率基础上进行电机的选型，并通过SolidWorks对机器人和导轨进行了三维建模。

（2）关节式焊接机器人运动分析。对关节式机器人基于D-H参数方法，完成了正逆运动学的求解与MATLAB验证工作，并进行用Adams动力学分析，通过在设定末端执行器运动轨迹的基础上，得到其关节和末端执行器的力矩，速度，加速度参数变化，对于焊接机器人工作时的稳定性进行分析。

（3）关节式焊接机器人结构优化设计。结合具体的工作状况，通过ANSYS Workbench进行有限元分析，选取大臂作为典型环节进行给定载荷情况下的形变与应力状况分析，以验证在实际进行焊接工作时机械臂的强度与刚度是否符合要求，并对机械臂进行结构优化实现轻量化设计。

关键词：焊接机器人；结构设计；运动分析；性能分析

Abstract

The use of industrial robot in modern manufacture enterprise's product quality and enterprise competitive power promotion play an important role, for the technology progress and social development has a role in promoting, but in today's manufacturing industry of our country present situation, the welding robot in the most widely used of all kinds of industrial robots, and manufacturing has important significance for the industry, as the accuracy of the welding process needs and constantly improve the degree of automation, intelligent and flexible at the same time is also a big trend in the field of industrial manufacturing, in view of the welding work environment improvement and the intensity of labor to reduce demand, designed a welding robot joint arm type.

In order to ensure its flexibility in the welding process, it is selected to be fixed on the moving platform to be able to move through the guide rail.

Firstly, this paper conducts demand analysis, freedom selection, robot actuator design, guide rail selection and design for joint arm welding robot, and selects the motor based on the estimation of the power of each joint, and carries out 3d modeling for the robot and guide rail through SolidWorks.

Then the joint arm type robot kinematics analysis, based on d-h parameters method, completed the positive solution of the inverse kinematics and the MATLAB verify work, and use Adams dynamics analysis, through the actuator movement in the end of the set, on the basis of its joints and end actuator torque, speed and acceleration parameters, to analysis the stability of the welding robot work.

Lastly, with the use of ANSYS Workbench, to get the result of finite element analysis, and choose the longest arm for deformation and stress analysis under a given load, so as to verify whether the strength and stiffness of the mechanical arm meet the requirements in actual welding work, and the structure of the manipulator is optimized to realize the lightweight design.

Keywords: Welding robot; Structural design; Motion analysis; Performance analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究目标及内容 3

1.4 本章小结 3

第2章 关节式焊接机器人结构设计 5

2.1引言 5

2.2 结构设计 5

2.2.1 机器人需求分析 5

2.2.2 机器人自由度选择 5

2.2.3 导轨结构方案选择 6

2.3 结构选型 6

2.3.1 机械臂电机选型 6

2.3.2 导轨选型 9

2.3.3 执行机构选型 9

2.4 本章小结 10

第3章 关节式焊接机器人结构建模 1

3.1 引言 1

3.2 机械臂结构建模 1

3.3 导轨结构建模 4

3.4 整体结构设计 5

3.5 本章小结 5

第4章 关节式焊接机器人运动分析 6

4.1 引言 6

4.2 机器人运动学求解 6

4.2.1 连杆坐标系的建立 6

4.2.2 变换矩阵 7

4.2.3 正运动学求解及验证 8

4.2.4 逆运动学求解 10

4.3 机器人运动分析 11

4.3.1 各关节性能 11

4.3.2 末端执行器分析 13

4.4 本章小结 14

第5章 关节式机器人性能分析 15

5.1 引言 15

5.2前置处理 15

5.3 性能分析结果 16

5.4 结构优化 17

5.5 本章小结 19

第6章 总结与展望 20

6.1 全文总结 20

6.2 展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 目的和意义

目前，随自动化程度的提高与产业的发展,工业制造领域的变化日新月异，工业机器人使用场景的范围也越来越大。在实际的工厂生产制造中，大量使用机器人，对于产品质量，工人工作条件，劳动生产率的提高有明显作用，对于整个工业领域的机械化和自动化发展起着重大的推动作用，其中关节式机器人在制造业中广泛应用于自动装配、自动喷漆、智能搬运、智能焊接等作业^[1]。随着焊接机器人的使用，提高焊接效率的同时，提升了焊接生产的柔性化水平以及焊接质量，并且很大程度的减少了工人的劳动强度。

本文以关节式焊接机器人为研究对象，进行关节式焊接机器人的设计。机械臂的建模与性能分析则是其设计检测等过程中的重要环节，其刚度、强度、位置精度等性能则为设计过程的主要方面^[2]。对于机械部分，通过运动学模型和涉及控制方面的内容进行设计与分析，对机器人的具体结构进行建模与仿真，并对其工作可行性进行验证，这对于实际的工业生产具有一定的现实意义。

1.2 国内外研究现状