六自由度焊接机器人结构设计【任务书+开题报告+Solidworks+CAD+说明书+运动仿真】.rar

1附件 1毕 业 设 计 选 题 论 证 书设计题目六自由度焊接机器人结构设计指导教师职 称是否新题是否首次指导毕业设计选题依据：焊接作为最广泛的材料永久连接技术，是现代制造中的关键技术，在核电设备制造、安装及检修中均得到广泛应用。研制高端焊接装备，合成先进的焊接材料，制定核电焊接标准，这对我国核电设备自主化制造和核电行业快速发展都具有非常重要的意义。然而目前我国的核电焊接技术尚属起步阶段。据此，本课题主要探讨了一种六自由度核电压力容器 J 型坡口焊接机器人的设计与改进，主要对机器人本体、驱动器、控制器进行了优化分析，并通过软件搭建系统模型，参照模拟结果对系统进行优化改进。目的在于培养大学生的创新设计能力、综合设计能力，加强学生动手能力的培养和工程实践的训练。设计内容及成果要求：（1）前期调研：初步了焊接机器人的发展状况，掌握焊接机器的工作原理；调研国内焊接机器发展优缺点的文献。（2）方案设计：提出焊接机器的优化方案、建立尺度综合优选的数学模型、对焊接机器的运动学和动力学进行分析并给出方案示意图。（3）机构运动方案设计及运动仿真：完成运动方案设计，选择合理的机构实现两个装置的功能，计算其自由度，完成动力的传递及分配，基于仿真软件完成运动仿真。（4）结构设计：关键零部件结构设计计算，基于有限元进行受力分析，给出 3D 实体装配图。提交成果如下：1 开题报告；2 中期报告；3 设计图样全部用 AutoCAD 绘制，总的绘图量达 2 张 A0 以上，另加一张装配图（或部装图）用手工绘制的底图。；4.毕业论文一份；字数在 20000左右；5 英文翻译达 3000 字以上。专业意见学院审查意见经审查，该指导教师的选题：可行不可行经审查，同意 不同意 此课题申报。负责人（签章）：主管院长（签章）：年月日年月日 附件 22毕 业 设 计 任 务 书题 目：一种六自由度核电压力容器 J 型坡口焊接机器人设计 学 号：学生姓名：专业班级：学 院：指导教师：职 称：教师单位：设计地点：起止日期：2022年月日至2023年月日31.设计原始条件、主要技术指标与技术参数1.设计原始条件、主要技术指标与技术参数设计原始条件负载定位精度发动机额定最大坡度提前送气时间滞后停气时间引弧电流5 kg0.5 mm470.3-20 s2-20 s5-500 A主要技术参数与指标（1）J 型坡口焊接机器人焊枪位姿规划及干涉检测，通过对焊接工件及焊接任务分析，建立了焊缝位置相对于基础坐标系的位置，确立了焊枪姿态相对于基础坐标系的对应变换矩阵。在焊枪位姿模型中，引入具体焊枪，给出焊枪保持架与工件不发生干涉的许用工作角;（2）对 J 型破口机器人本体进行设计，包括对机器人六个传动轴的设计，轴与轴之间连接件的设计，以及机器人辅助定位机构的设计，通过与国外同类设备的比较，提出了本次设计的创新点。对所选用的电机、滚珠丝杠的型号进行校核，采用有限元方法校核设计的关键零部件强度，为焊接机器人的设计提供理论依据；（3）J 型破口焊接机器人进行运动学建模和运动学仿真，分别列出连杆与连杆之间的相对位置关系，推导出焊接机器人运动学模型，并采用公式推导出焊接机器人的逆解。2.设计内容（任务）2.设计内容（任务）根据设计原始条件、主要技术指标与技术参数，广泛查阅资料对比设计方案，讨论确定最优设计方案。对拖拉机变速箱的传动部分、工作部分等机械部分进行设计与校核；具体设计内容分为：（1）需求以及应用前景的分析，了解和掌握国内与国际的研究现状及其发展趋势；（2）研究确定工作流程和系统总体设计方案；（3）主要机械零部件的设计，齿轮、主轴等关键零部件的设计与校核；（4）根据三维建模与运动仿真分析进行优化设计；（5）加工工艺分析与制作调试3.设计工作及成果基本要求设计工作及成果基本要求设计工作：（1）依据设计绘制装配图、零件图、电气图等；（2）进行三维建模与运动仿真分析；（3）完成毕业设计论文（说明书）1 份，不少于 2 万字。（4）编制工艺卡；设计重点：（1）设计方案的可行性，机械结构合理性，可靠性的验证；（2）三维建模、CAD 图纸、运动仿真的正确性；毕业设计提交成果如下：（3）零件加工工艺的合理性；（4）实物模型实现基本功能。基本要求：（1）熟练掌握三维建模和 CAD 等软件；（2）按时参加开题、中期检查、毕业设计答辩，及时提交材料；（3）任务书下达以后每周至少与指导教师沟通指导一次，汇报进度；（4）开题报告设计说明书、图纸、自查报告等材料齐全符合学院要求44.时间进度安排（时间节点、阶段任务、提交成果）时间进度安排（时间节点、阶段任务、提交成果）学期学期周次周次日期日期计划任务计划任务提交材料提交材料8-1210.18-11.19完成进度安排，撰写开题报告附件 3：开题报告初稿 1311.22-11.26完成开题报告附件 3：开题报告 14-1511.29-12.10翻译外文文献翻译文献716-1912.13-12.31方案确定，运动方案拟定设计方案示意图1-23.1-3.12机构设计机构运动图3-43.15-3.26结构设计设计草图5-63.28-4.9绘制装配图、零件图装配图74.12-4.23完成中期报告中期报告8-94.26-5.7修改完善装置图完善后的装置图10-115.9-5.21撰写毕业论文毕业论文初稿、终稿8125.24-5.28答辩5.主要参考文献与资料5.主要参考文献与资料1邵长春,胡国明,李水明.焊接机器人路径规划的高斯变异蝗虫优化算法J/OL.机械设计与制造:1-62022-11-09.DOI:10.19356/ki.1001-3997.20221103.031.2郑志波,李勇,杨泽钰,瞿文军,顾振强,黄雪强.智能焊接机器人工艺研究及船舶外场应用J.焊接技术,2022,51(10):81-85.DOI:10.13846/12-1070/tg.2022.10.015.3华攸水,张浩,罗健,吴华昶,蒋晓明.9 自由度爬行焊接机器人控制系统J.自动化与信息工程,2022,43(05):8-12.4曹学鹏,张弓,杨根,吴月玉,陶浩,王传玺.面向三维复杂焊缝的焊接机器人焊缝跟踪方法J/OL.工程科学学报:1-92022-11-09.http:/ S,Udaiyakumar K C.Experimental study of quality respones during Gas metal arc welding in industrial welding robots by using Response surface methodJ.Engineering Research Express,2022,4(4).6蒋彦坤,金宝,龚春源,郭松叶.磁极铁心机器人高效焊接技术的应用J.中国重型装备,2022(04):33-37.DOI:10.14145/ki.51-1702/th.2022.04.001.7 毛 羽.面 向 智 能 制 造 的 焊 接 机 器 人 在 窄 焊 缝 中 的 应 用 J.现 代 信 息 科技,2022,6(20):166-168.DOI:10.19850/ki.2096-4706.2022.20.039.8党杰,李杰,史洪源,周鹏.基于机器人焊接大赛复杂组合件的焊接工艺分析J.焊接技术,2022,51(09):53-57.DOI:10.13846/12-1070/tg.2022.09.015.9Liu Jiepeng,Jiao Tong,Li Shuai,Wu Zhou,Chen Y.Frank.Automatic seam detection of welding robots using deep learningJ.Automation in Construction,2022,143.10魏相圣,苗德元,周兴动,霍厚志.激振室焊接打压机器人工作站的设计研发J.焊管,2022,45(09):33-41.DOI:10.19291/ki.1001-3938.2022.09.006.11陈国雄,曹阳,张大斌,吴家雄,陈苗苗.角钢法兰焊接机器人龙门架结构静动态特性与轻量化研究J.现代制造工程,2022(09):62-71.DOI:10.16731/ki.1671-3133.2022.09.010.12刘 徐.智 能 化 焊 接 机 器 人 的 技 术 分 析 J.集 成 电 路 应用,2022,39(09):308-309.DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2022.09.143.513Wang Hui,Rong Youmin,Liu Chao,Huang Yu.Construction of a semidense point cloud model for a tube to tubesheet welding robotJ.IET Collaborative Intelligent Manufacturing,2022,4(3).14Yi Jiang,Qingqing Han,Zhaoen Dai,Chao Zhou,Jianfeng Yu,Chunjian Hua.Structural design and kinematic analysis of a welding robot for liquefied natural gas membrane tank automatic weldingJ.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,122(1).15Chu Tang,Yang Tian,Haoping Wang.Prescribe performance dynamic surface control of a flapping-wing aerial vehicle with unknown input dead-zoneC/.第 34 届中国控制与决策会议论文集（11）.出版者不详,2022:241-246.DOI:10.26914/kihy.2022.022682.16Zeng Qingfei,Liu Xuemei,Liu Ziru,Li Aiping.Dynamic characteristics analysis of two-beam laser welding robot for fuselage panelsJ.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,121(11-12).专业意见学院审查意见经审查，符合 不符合人才培养方案要求。经审查，同意 不同意 下发该任务书。负责人（签章）：主管院长（签章）：年月日年月日沈阳工程学院沈阳工程学院本科毕业设计论文本科毕业设计论文六自由度焊机机器人六自由度焊机机器人Six degree of freedom welding robot学 院：此处导入学院名称此处导入学院名称专 业：此处导入专业名称此处导入专业名称班 级：此处导入班级名称此处导入班级名称学生姓名：此处导入学生姓名此处导入学生姓名学生学号：此处导入学生学号此处导入学生学号指导教师：此处导入指导教师姓名此处导入指导教师姓名沈阳工程学院毕业设计（论文）摘要I摘 要本次课题旨在研究一款六自由度焊接机器人来完成工件的自动焊接Error!Reference source not found.。在设计过程中通过查阅大量的相关文献熟悉掌握六自由度机器人的结构组成和工作员。在对其整体方案进行设计时通过分析对比不同方案的优缺点最终确定了其机械臂采用关节式结构，旋转机构采用的是齿轮机构，各个轴的转动采用的伺服电机加减速机来完成。在对整个机械臂进行结构设计时首先分析机械臂的受力然后完成大臂小臂的最大负载计算7。然后计算出大臂、小臂以及腰部的转矩，然后根据选出的转矩完成各个轴的伺服电机功率和扭矩的计算从而完成伺服电机型号的选择14。然后利用 SolidWorks 三维软件完成整个机器人的三维模型的建立，并完成大小臂的有限元分析校核其强度并进行结构上的优化10。11关键词 六自由度机器人，旋转机构，大臂，小臂，腰部沈阳工程学院毕业设计（论文）AbstractIIAbstractThis project aims to study a six-degree of freedom welding robot to complete automatic welding of workpieces 3.In the design process,through consulting a large number of relevant literature,I am familiar with the structural composition and operator of six-degree of freedom robot.In the design of the overall scheme,through analyzing and comparing the advantages and disadvantages of different schemes,it is finally determined that the robot arm adopts the joint structure,the rotating mechanism adopts the gear mechanism,and the rotation of each shaft is completed by the servo motor and reducer.In the structural design of the whole mechanical arm,the force of the mechanical arm is first analyzed and the maximum load of the upper and lower arms is calculated 7.Then,the torque of the upper arm,lower arm and waist is calculated,and the servo motor power and torque of each axis are calculated according to the selected torque,thus completing the selection of the servo motor model 14.Then,SolidWorks 3D software was used to complete the establishment of the 3D model of the whole robot,and the finite element analysis of the large and small arms was completed to check their strength and optimize their structure 10.Key Words:six-degree-of-freedom robot,Rotating mechanism,Large arms,Forearm,loin沈阳工程学院毕业设计（论文）目录III目 录摘 要.IAbstract.II目 录.III第 1 章 绪论.11.1 研究课题的背景和意义.11.1.1 研究课题的背景.11.1.2 研究课题的意义.11.2 研究课题的国内外发展状况.21.2.1 国外发展状况.21.2.2 国内研究状况.31.3.3 研究课题的发展趋势.4第 2 章 机器人整体方案的确定.62.1 方案的对比与分析.62.2 六自由度焊接机械手整体结构的设计.7第 3 章 机械手主要机构和零部件的设计和计算.93.1 腕关节旋转电机的计算.93.2 大小臂的设计和计算.93.2.1 机械臂的应力分析.93.2.2 大小臂的结构设计.113.2.3 大小臂电机的参数计算.123.3 腰部回转机构的设计.133.3.1 齿轮旋转机构的设计及计算.133.3.2 电机选择.153.3.3 底座回转轴校核.16第 4 章 主要零部件的有限元分析与结构优化.20第 5 章 六自由度焊接机器人仿真与优化.235.1 六自由度焊接机器人整体装配动画.235.2 六自由度焊接机器人小臂的动作仿真.235.3 六自由度焊接机器人大臂的动作仿真.255.4 各轴工作角度的优化.275.5 伺服电机的优化.285.6 轴承的优化.30总 结.32参考文献.33致 谢.36沈阳工程学院毕业设计（论文）第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 研究课题的背景和意义1.1.1 研究课题的背景焊接技术，作为一种广泛应用且不可或缺的永久性材料连接方法，在现代制造业中发挥着核心作用，尤其在核电设备的生产、组装与维护领域，其重要性更是不可替代。为了推动我国核电设备的自主化进程，并加速核电行业的整体发展，我们必须加大力度推进高端焊接设备的研发、创新焊接材料，并建立核电焊接的行业标准。然而，就当前情况来看，我国在核电焊接技术领域仍然处于发展的初级阶段。焊接机器人，作为自动化焊接生产中的专业助手，其设计通常基于通用工业机器人的架构，并配备专业的焊接工具以适应不同的焊接需求。自 20 世纪工业机器人投入实际应用以来，焊接机器人便迅速进入点焊和电弧焊等领域，成为工业自动化的重要组成部分。据统计，全球焊接机器人的数量占据了工业机器人总量的一半以上，其发展历程与应用领域紧密跟随工业机器人的整体发展轨迹。本研究课题专注于六自由度核级焊接机器人的设计优化，对机器人的主体结构、驱动系统和控制系统进行了全面的优化分析，并通过软件模拟来验证和进一步改善设计方案。这一项目旨在提升学生的创新设计思维、综合设计能力和实际操作技能，为他们提供宝贵的工程实践训练机会。传统的焊接技术主要依赖于工匠的手工技巧和长年累积的经验，然而，在当前的国内环境中，焊接作业仍然以人力为主导，这导致了一系列挑战，包括工作环境的不佳、操作人员承受的高劳动强度、生产效率的低下以及产品质量的不稳定性。这些问题使得传统的焊接方法难以满足现代制造业对高精度焊接的严格要求。相比之下，焊接机器人技术能够显著提升生产效率、保证产品质量、降低劳动强度，并改善工作环境。其高度的灵活性和适应性使得焊接机器人能够应对各种复杂结构的焊接挑战。近年来，随着焊接机器人技术在汽车、造船、桥梁建设以及增材制造等领域的广泛应用，企业对于掌握焊接机器人操作与维护技能的高素质人才需求日益增长。我国市场对这一技术的接受度高，应用范围不断扩大。在国家节能减排政策的推动下，焊接自动化设备在成本效益方面的优势更加凸显。结合国际焊接设备的发展趋势，我国正逐步用现代化焊接设备替代传统设备，市场潜力巨大。1.1.2 研究课题的意义（1）理论意义当前情况下，焊接机器人在全部机器人应用中所占比例接近总体的一半。外部对高端机器人技术的控制局面，对我国技术自立自强构成了显著障碍，为了消除这种限制，自主沈阳工程学院毕业设计（论文）第 1 章 绪论2研发适应国家个性化需求的机器人技术变得极为关键，这是增强我们科技独立性的必经之路。作为焊接机器人结构的核心组成，其本体的加工与组装精度直接影响到机器人的作业覆盖面、作业的可靠性和稳定性。应用焊接机器人技术，不仅能够稳步提升焊接成品的品质，保证产品的均质性，同时也大幅度增强了焊接生产的效率，且明显改善了劳动者的作业条件。随着国内对节能减排政策的重视加深，结合国际焊接技术的发展脉络观察，焊接机器人逐渐替代传统焊接手段的趋势变得日益明朗。这些机器人凭借其高频率的工作模式、快速的响应机制、出色的性能表现以及绿色节能的属性，成功实现了对较为复杂结构的有效焊接。此外，采用机器人焊接方案，生产周期规划更为明确，产品产量的调控更为便捷，产品迭代周期得以缩短，降低了设备更新所需的投资成本。这一系列优势，为提升制造的灵活性与经济性开辟了新的可能。（2）实践意义作为集机械电子技术为一体的高端设备，工业机器人包含了很多种前沿科技，其产品的附加值极高。尽管机器人产业作为现代社会的一个新型领域，它在汽车业、制造业等领域的自动化进程方面已留下了不可否认的印记，因而被国内外众多专家视作一个极具发展潜力的高新技术产业板块。随着民众生活标准的持续攀升，对商品质量的追求也在不断提高，这为工业机器人的应用开拓了新的天地。特别是在处理如大型船舶、石油化工储罐及风力发电塔等大型钢结构组件的焊接工作时，这些任务通常伴随焊缝长度大、曲面多变及焊接位置多样等难点。此类工作大多依赖人力操作，不仅作业环境艰苦，还隐藏着较高的安全风险。为了增进焊接的精确性，并优化机器人对焊缝特征及多变焊接情境的识别与适应能力，推动焊接机器人技术向更全面、更灵活的方向演进显得至关重要。这不仅旨在应对不断提升的焊接质量标准，也是为了解决现有作业环境的挑战，确保既安全又高效的生产环境。1.2 研究课题的国内外发展状况1.2.1 国外发展状况机械手臂的起源可以追溯到美国，自上世纪中叶以来，它已经从最初的构想逐步成长为现代制造业中不可或缺的关键元素。在科技发展的浪潮中，1958 年见证了美国联合控制公司推出首款机械手的里程碑时刻。这款简易的机械结构拥有灵活的旋转长臂和电磁块抓取功能，其示教控制系统为后续的技术创新奠定了坚实的基础。仅仅四年后，美国联合控制公司再次以卓越的创新力推出了 Unimate，这款数控示教再现型机械手成为了行业内的新标杆。Unimate 的独特设计引人瞩目，它仿照坦克炮塔的运动系统，实现了全方位的灵活运动。同时，其液压驱动和磁鼓存储控制系统为机械手的发展提供了宝贵的参考和灵感。如今，机械手臂已广泛应用于各个领域，以其高效、精准和可靠的性能赢得了广泛的赞誉。它的发展历程不仅展示了人类智慧的结晶，也预示着未来制造业的无限可能。美国的机械制造行业同样展现出了卓越的创新能力，他们成功开发出了 Vewrsatran 机械手。这款机械手凭借中央立柱的巧妙设计，不仅实现了灵活的旋转和升降功能，还继承沈阳工程学院毕业设计（论文）第 1 章 绪论3了液压驱动和示教再现型控制系统的优点，为机械手的设计注入了新的活力。科技进步的浪潮中，机械手臂技术也取得了新的进展。1978 年，Unimate 公司携手斯坦福大学和麻省理工，共同推出了 Unimate-Vicarm 型工业机械手臂。这款机械手采用小型电子计算机作为控制中枢，极大地提高了装配作业的精确度，其定位误差甚至可控制在1 毫米以内。这一里程碑式的成就，无疑昭示着机械手臂技术已经步入了智能化、自动化的新时代。进入上世纪 90 年代，全球机械手臂技术迎来了飞速发展的黄金时期。德国、英国以及欧洲其他国家在机器人技术方面取得了显著的进步，推动了机械手臂技术的不断创新。同时，日本在机械手臂科技领域取得了显著的进展，凭借其广泛而深入的研究及开发活动，稳固了作为“机器人王国”的国际地位。在全球市场对机械手臂日益增长的需求驱动下，中国及亚洲其他多个国家也加速推进了相关技术的创新与发展进程，积极追赶这一领域的前沿潮流。如今，越来越多的国家和地区开始重视机械手臂技术的重要性，将其视为推动制造业升级、提高生产效率的关键技术之一5。然而，尽管全球机械手臂技术取得了显著的进步，但美国、欧洲和日本等发达国家仍然掌握着工业机器人生产的核心技术。这些地区通过不断创新和优化技术，发展出了具有各自技术特色的工业机器人，为全球机械手臂技术的发展做出了重要贡献。从机器人技术的发展脉络，自工业革命浪潮席卷全球以来，日本在机器人领域始终扮演着显著的领军角色。长期以来，日本一直稳坐全球机器人制造的头把交椅，其国内的机器人保有量在全球总量中占据超过 40%的显著份额，同时，日本在机器人技术方面拥有业界领先的尖端优势。近年来，日本政府更是通过一系列政策措施，为机器人产业的创新与发展注入了强劲动力，促使技术革新不断迈向新的高度。作为机器人技术的发源地，美国机器人产业同样稳步发展，其技术优势主要体现在以下几个方面：首先，美国的机器人设备在精确度和稳定性方面表现出色，各项性能指标均处于行业领先地位；其次，美国机器人技术的智能化特征显著，特别是在机器人视觉技术方面，在高端汽车制造、航空航天等领域得到广泛应用；最后，美国机器人在军事等高风险领域的大规模应用，有效替代了人力，展现出其在特殊环境下的强大实力。除了日美两国的领先地位，欧洲的一些工业强国，如英国、法国、德国、意大利等，也在工业转型升级的迫切需求下，大力推动机器人产业的发展，并取得了显著成就。这些国家的机器人产业在各自的领域中不断取得突破，为全球机器人技术的发展贡献了自己的力量。时至今日，多数工业化程度高的国家皆培育出了代表性的本土机器人制造商，这些企业大致可归类为两大阵营：欧洲系与日本系。诸如发那科、安川电机、OTC、三菱等品牌被视为日本系的代表，而史陶比尔、杜尔、ADEPT Technologies，以及意大利的 COMAU 和奥地利的 GM 重工等，则构成了欧洲系的主流。这些跨国企业在各自国内充当着产业支柱的角色，并在全球范围内拥有重要影响力，近乎统领整个机器人市场。1.2.2 国内研究状况中国目前在全球机器人应用与保有量方面处于领头羊位置，并拥有超过 500 家致力于工业机器人研究及产业实践的独立组织与单位。尽管市场需求巨大且研发资源丰富，中国沈阳工程学院毕业设计（论文）第 1 章 绪论4在工业机器人的产品性能、技术层次和市场扩展上，与国际顶级水平相比仍存在明显差异。这一显著差距的成因部分源自中国工业机器人产业在发展道路上未能紧密结合企业实际需求，过度依赖进口产品，并常常停留在对国外技术的简单模仿上，这在一定程度上遏制了自主创新的活力和技术革新的动力，从而阻碍了国内工业机器人产业的全面进步。因此，作为国民经济支柱的制造业，目前在中国仍面临不少挑战，尤其是国内自主研发的、具备市场竞争力的工业机器人产品稀缺。尽管机器人数量在持续增加，但与国际顶尖标准相比，技术和品质上的差距仍然明显，这是一个亟待解决的问题。相较于其他国家，中国机器人产业的起步时间相对较晚，大约在 20 世纪 70 年代初才开始初步探索工业机器人技术，且初期进展较为缓慢。然而，自 1985 年机器人技术被采入国家战略发展规划后，该行业的发展得到明显提速。特别是2015年提出的“中国制造2025”战略，更是推动了中国机器人技术的实质性进步。当前，中国对机器人的需求持续增长，已连续多年成为全球机器人年度安装量最高的国家。自 2012 年开始，中国加大了对机器人自主研发和制造的投入，成功培育出广州数控、沈阳新松、东莞起帆、上海沃迪和安徽埃夫特等优秀的本土品牌，这些品牌在实际应用中已展现出良好的性能和收益。在中国，机器人技术目前主要应用于汽车制造、电子和金属加工、食品生产等行业。随着技术的不断进步，预计未来在医疗、国防及军事等领域的应用也将进一步扩展2。尽管中国已初步掌握了机器人研发与制造的基础技术，但在核心部件等关键技术方面，仍存在一定程度的进口依赖，这影响了中国机器人产业的国际竞争力，也使得外资品牌在国内市场中占有一定的优势。为了提升自主研发能力，中国仍需持续努力，以减少对外国技术的依赖，增强本土产业的竞争力。自 2008 年始，劳动力成本的急剧上升促使工业机器人在国内制造业中逐渐崭露头角，当年新增机器人数量高达 7500 台，相当于此前 24 年销售总量的三分之一。展望未来，机器人将以标配设备的身份普及应用，成为中国工业自动化技术进步与应用实践的重要推动力量。1.2.3 研究课题的发展趋势机器人技术的演进正不断展现出对更高智能水平的追求，其中，传感器技术的发展是实现机器人智能化的基石。为了推动焊接机器人迈向真正的智能化，未来的研发需侧重于机器人结构与多元传感器技术的深度融合，旨在提升其空间分辨率、增强敏感度与加快响应速度，让机器人具备类似人类的“感知”能力，实现功能的多元化，确保机器人能够实时监测焊接环境并做出恰当的反馈与调整，最终促成焊接过程的全自动化与智能化。随着现代加工技术要求的持续提升，对焊接机器人技术的探索和研究正不断深入，旨在满足行业发展的最新需求与挑战5。智能化、模块化设计以及物联网技术的集成应用，正逐步成为该领域的主要发展趋势。焊接机器人技术的前行道路将主要围绕智能传感技术的创新、多机器人协同焊接技术的突破、嵌入式控制系统的技术革新，以及开放式机器人控制系统的构建来展开。从全球视野看，工业机械臂的发展趋势展现出一个共同的动向：各国都在积极致力于技术创新，努力提升机械臂的智能化感知、协作作业能力、控制系统集成度以沈阳工程学院毕业设计（论文）第 1 章 绪论5及平台的开放性，以此在全球智能制造的浪潮中保持竞争优势22：（1）性能持续精进，强调高速运作、高精度表现、高稳定可靠性，以及用户友好、易于维护保养的设计理念。（2）机械结构设计步入模块化与重构化的革新阶段，关节模块内集成伺服电机、减速装置与传感系统，形成一体化单元；机械手臂通过关节与连杆模块的灵活重组来构建，海外市场上已推出模块化组装而成的机械手商品6。（3）控制系统领域正逐步转型至基于 PC 的开放型控制器架构，这一趋势促进了标准化应用与网络互联的便捷性，加之硬件集成度的不断增强9，使得控制柜体态趋向更加精巧轻便。模块化的系统设计不仅显著提升了系统的稳定性和耐用性，同时也大大简化了操作流程与维护工作的便捷性。（4）智能化水平日新月异，操控界面趋于简洁直观，自主决策能力增强，能顺利完成复杂多变的任务指令。（5）柔性化设计增强，提升机械臂动作的灵活性与适应性，以满足生产中的多样化需求和配置灵活性。（6）安全性强化，借助传感技术的最新进展，有效部署安全保障措施，确保人员免受伤害。（7）成本优化，致力于缩减工业机器人的制造、应用与维护成本，通过成本下降促进更广泛的市场接纳与应用普及。（8）技术创新的交叉融合正引领着一场革命，它汇合了通讯、感知技术、数据分析处理、运动控制及操作技术等多个领域的进步与革新，共同促成了机械臂技术在多领域的综合集成与应用边界的拓展7。沈阳工程学院毕业设计（论文）第 2 章 机器人整体方案的确定6第 2 章 机器人整体方案的确定2.1 方案的对比与分析在设计的准备阶段，我深入进行了广泛的文献调研和阅读，特别聚焦于现有机械手结构的相关章节，经过仔细研究，我提炼出了三种潜在的设计方案。接下来，我计划对这三种设计方案进行详尽的分析和对比，以期能从中挑选出最契合当前设计需求，同时也是最为优化的方案。1、方案一如图 2.1 所示，为六自由度焊接机械手方案一的传动简图。图 2.1 六自由度焊接机械手方案一传动简图1-涡轮、2-蜗杆、3-旋转座驱动电机、4-支撑轴承、5-大手臂驱动电机、6-连杆传动轴、7-大手臂、8-连杆、9-小手臂驱动电机、10-小手臂、11-轴端安装座、12-轴端旋转电机2、方案二如图 2.2 所示，为六自由度焊接机械手方案二的传动简图。图 2.2 六自由度焊接机械手方案二传动简图1-从动齿轮、2-旋转电机、3-主动齿轮、4-支撑轴承、5-大手臂驱动电机、6-连杆传动轴、7-大手臂、8-连杆、9-小手臂驱动电机、10-小手臂、11-轴端安装座、12-轴端旋转电机3、方案三如图 2.3 所示，为六自由度焊接机械手方案三的传动简图。沈阳工程学院毕业设计（论文）第 2 章 机器人整体方案的确定7图 2.3 六自由度焊接机械手传动简图三本方案主要采用的是丝杠副和四连杆机构进行传动。在对比三种设计方案时，方案一和方案二通过伺服电机和减速机的组合，确保了机械臂的全方位运动能力。方案三虽结构简洁，但工作范围受限。其中，方案一采用的涡轮蜗杆传动虽精度高但复杂且成本高；而方案二的齿轮传动方式，不仅结构简单，而且成本效益高，传动精度也满足需求。因此，我们最终选择了图 2.2 展示的方案二。2.2 六自由度焊接机械手整体结构的设计1、该六自由度焊接机器人系统的构造包含以下几个部分：基座、立柱（腰部）、臂部（分为大臂与小臂）、手腕部分以及末端执行器（手部），并配备有相应的驱动系统。此机器人具备四个运动自由度，具体为：腰部的旋转、大臂的上下摆动、小臂的上下摆动以及手腕的旋转10。1）手部:为适配不同型号焊枪的安装，鉴于焊枪多样化的外形特征、材料属性、硬度级别及载荷能力，手部与焊枪的对接方式采取了差异化策略，通常采纳夹持式或卡扣式连接方案26。夹持式接合方式构建于手爪组件与传动系统之上。手爪作为直接与焊枪界面接触的元件，其动作模式涵盖了旋转式与平移式，旨在确保对焊枪的牢固把持。另一方面，卡扣式接口设计融合了固定卡扣元件与动力传动单元。此设计依托于特制的卡扣结构来实现在保持焊枪稳定的同时便于装卸，利用传动机制来促进卡扣的高效开合操作，提升了焊枪更换的灵活性与效率。2）手腕:用于衔接手部与手臂部分的机构，旨在调节焊枪的作业姿态与焊接角度。3）手臂:该机构的核心功能在于提供稳定的支撑平台，用以承载被操作对象、手部组件及手腕装置，并且规划实施手臂的运动路径，驱使手部与手腕协同作业，以精准执行既定任务。在工业机械手中，手臂结构通常包含了驱动部件如液压缸、气压缸、齿轮齿条装置、连杆系统、螺旋机构及凸轮机构等与动力源（例如液压、气压驱动或电动机驱动）的有机结合，确保手臂能够完成多样化、精确的运动操作。4）立柱:用来支承手臂的部件。沈阳工程学院毕业设计（论文）第 3 章 机械手主要机构和零部件的设计和计算9第 3 章 机械手主要机构和零部件的设计和计算3.1 腕关节旋转电机的计算为满足设计规格，末端负载定为 5kg，连接管采用轻质碳纤维管，质量忽略不计。计算表明，末端执行器至腕关节中心距离约 0.675m，腕关节设计速度范围为 0rad/s。lMmg1 （3.1）根据上述计算及公式（3.1）计算得中心回转力矩约为 M1=33.1NM。1fMM （3.2）已知摩擦系数=0.1，根据公式（3.2）计算得摩擦力矩为 Mf=4.75NM。21MMM （3.3）根据公式（3.3）计算得力矩 M=37.85NM。wMp （3.4）公式中：电机工作效率，取值为：93.0为转速，腕关节的旋转速度最大值为=4rad/s。将参数带入到公式（3.4）计算得腕关节电机功率约为 P=162.8W。3.2 大小臂的设计和计算3.2.1 机械臂的应力分析针对机械臂的大臂与小臂部分，我们独立进行了受力及扭矩的详细评估。尽管第三旋转关节允许的最大向下倾斜角度为-20 度，这并不能促使大臂以上的结构维持水平对齐状态，但值得注意的是，在这一极限位置下，大臂承受的静态载荷达到最大值。如图 3-1 所示，F2U和 F2D分别表示大手臂所受到的其他两杆对于大手臂的上作用力和下作用力，M2U和 M2D分别表示上下作用扭矩，G3456表示肘关节、小臂、腕关节、手爪的重力之和、G456表示小臂、腕关节、手爪的重力之和，G 表示最大负载的重量，G2表示大臂的重量，L0、L1、L2、L3逐一标示出如下关键尺寸：重物的重心到大臂上端的垂直距离，小臂、腕关节及手爪重心相对于大臂上段的各自间距，上部施力点至大臂下端的直线距离，以及大臂自身重心至其下端的长度22。沈阳工程学院毕业设计（论文）第 3 章 机械手主要机构和零部件的设计和计算10图 3.1 大手臂静力分析图经单独对大手臂及其上部结构的受力情况分析，我们计算得出结论：大手臂顶部所受之力为 990 牛顿，底部承受力为 1490 牛顿；同时，上部的扭矩测量为 262Nm，下部的扭矩则为 1065Nm。F2U=G3456+G=830N+160N=990N;（3.5）F2D=F2U+G2=990N+500N=1490N;（3.6）M2U=G456 L1+G L0 （3.7）=8300.2+1600.6=262NmM2D=M2U+F2U L2+G2 L3 （3.8）=262+