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摘 要：五自由度关节型机器人因具有结构紧凑、动作灵活及工作范围大等特点，因而受到设计者的广泛欢迎。本文结合生产实际及未来发展需要，设计出了一种能够切实满足今后需要的新型五自由度简易焊接机械手，分别对其控制系统及传动系统进行了相应分析，望能为此领域设计研究有所借鉴。
关键词：焊接机械手；单片机；谐波减速器；设计
焊接机器人不仅能够提升劳动生产率，而且还能提高焊接焊接质量，改善工人劳动条件等，因而在金属结构、工程机械、汽车及兵器工业中得到广泛应用。据相关数据统计得知，在世界范围内的全部工业机器人当中，约有一半以上的机器人用于多种形式的焊接生产工作中。现阶段，我国所运用的焊接机器人，大部分是进口于世界各知名机器人厂商，多用于汽车制造。而从国外进口的焊接机械手，尽管精度比较高、功能强大，但是在价格上也比较贵，尤其是在一些典型的焊接车间中，焊接机械手仅能反复做一个动作，若采用价格昂贵的焊接机器人，势必会增加成本。对此，本文设计出了一种五自由度焊接机械手，现对此作一探讨。
1.明确焊接机械手传动方案
结合焊接机器人用途及基本特点，总结其如下技术参数：自由度数目5个，坐标形式为垂直关节型，抓取质量为1.5kg，重复定位精度为0.2mm，机器人本体质量约160kg。
依据驱动方式不同，可以将焊接机器人划分为三种，即电器驱动、液压驱动与气压驱动。（1）气压驱动。针对此种驱动方式而言，最大优点即为气源方便，整个驱动系统还有一定的缓冲作用，因而更容易进行保养；此外，在结构上比较简单，成本较低；但不足之处就是定位精度偏低，功率质量比并不高，装置体积比较大。（2）液压驱动。针对此种系统而言，有着比较大的功率质量比，驱动比较平稳，系统响应快、国有效率高；除此之外，在液压驱动调速方面的较简单，能够较大程度、高质量的完成无级调速；但也有其缺点，即容易漏油，这除了会对定位精度以及工作稳定性造成影响之外，还会污染环境；液压系统需配置复杂的管路系统以及压力源，因而会增加成本。（3）电气驱动。所谓电气驱动，实际就是借助于各种电动机，由其产生转矩或力，经减速机构或者直接去驱动负载，从中完成机器人动作。因其具有运动精度高，容易控制，使用方便及成本低廉的优点，因而是当前应用最广的一种驱动方式。
因电气驱动容易控制，且有着比较高的运动精度，本文所设计的焊接机器人的五处回转运动，均运用的是步进电机驱动。机器人的传动特定为：针对机器人腰座，其所选用的是谐波减速器传动方式，另外，还运用了腰座轴承承受倾覆力矩擦混动；而对于其腰座壳体，则选用的是铸铁铸造结构；针对机器人大小臂来讲，所选用的是步进电机与谐波减速器的传动方式，而大臂部件所选用的是薄钢板焊接的基本结构方式，因而能够大幅减少制造成本，缩短加工时间及周期；在腕部，選用的是圆锥齿轮与直齿圆柱齿轮的传动方式，还采用了铸铝合金壳体的结构形式，因而结构可具有更好的加工性，传动精度高，结构紧凑，此外，刚度也大。
2.焊接机械手中谐波减速器的应用
本文所设计的是一种关节型焊接机械手，其内置的减速器连接于关节回转轴，通过步进电机带动减速器来最终实现关节移动。因此，在机械手设计过程中，选择那些先进且质量优的减速器，非常重要且必要。针对谐波减速器来讲，引起体积比较小，且空回小，整个结构紧凑且简单，传动精度高且传动比大，因而其被广泛应用于机器人关节设计当中。现阶段，在所生产的谐波齿轮传动当中，大约有65%倍应用在机器人领域中。针对谐波减速器来讲，其基本原理为：谐波传动实际就是运用柔性元件所具有能够加以控制的弹性变形，来实现动力及运动的传递。从本质上来讲，谐波减速器主要有3个基本构件，分别为刚轮、柔轮与波发生器。在本次设计当中，依据关节结构方面的具体要求，采取了波发生器为主动，刚轮固定不动，以及柔轮为从动的基本减速方案。
3.选择焊接机械手控制方案
之所以要设计焊接机器人控制系统，主要目的在于让焊接机器人能够比较精确、稳定的工作。在实际焊接中，把焊枪安装于输出法兰上，另外，将CCD摄像机安装于机械手相应焊接方向；针对CCD摄像来讲，其能够将所接收到的焊接区图像、信息，实时向计算机传送，并由其进行针对性处理，通过处理图像信息，将焊接熔池相应位置检测出来，把检测所得出的偏差传送至控制器，并由控制器对偏差进行调整，指导将偏差彻底消除。
本文所设计的焊接机器人主要能够实现五个自由度，在控制系统方面，选用的是89C51单片机，尤其对5个步进电机相应转向、旋转角度及转速等加以控制的操作方案。控制系统主要包含下位机控制系统设计与上位机控制系统设计。之所以要设计上位控制系统，最终目的就是要实现89C51与PC机之间的实时通信。而设计下位机控制系统的目的就是借助于89C51，控制5台步进电机，实现焊接机器人5个自由度的精确与稳定。由单片机控制系统的基本结构原理可知，在进行设计时，需切实将系统的处理功能及故障自动检测功能考虑在内。当系统处于正常运行状态时，定时自诊断各功能模块，且快速处理外界的异常情况。针对难以及时解决的问题，需要及时切换报警装置，或者是后备装置，以达到警示操作人员的目的。
4.结语
综上，在现代化工业生产中，焊接机械手得到越来越广泛的应用。本文根据实际需要，设计出了一种简易的五自由度焊接机械手，此机械手运用的是结构比较紧凑的谐波减速器，以此来带动步进电机实现驱动。而运用闭环反馈控制系统及单片机控制系统，能够保障焊接机械手运行的整体精确度及稳定性，此简易五自由度焊接机械手相比传统的机器人，成本较低，且今后有着很大的改进与升级空间，有着广阔的发展前景。
参考文献：
[1]张铁异. 基于闭链结构的五自由度关节型电驱动机械手研制[J]. 机械传动， 2014（5）：148-151.
[2]李鹏， 赵新华， 杨玉维，等. 基于动力学研究的5自由度机械手杆长优化设计[J]. 高技术通讯， 2014， 24（12）：1289-1295.
[3]陈立博， 龚媛， 陶柯，等. 五自由度平行四边形机构机械手动力学分析与仿真研究[J]. 机电工程， 2014， 31（10）：1274-1277.
[4]王姣， 张文君. 基于ADAMS的五自由度焊接机械手运动学分析[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版）， 2012， 34（2）：175-177.
作者简介：
张正彬（1996-），男，民族：汉，籍贯（精确到市）：湖北武汉，学历：本科 江汉大学，研究方向：机电一体化。
关键词：焊接机械手；单片机；谐波减速器；设计
焊接机器人不仅能够提升劳动生产率，而且还能提高焊接焊接质量，改善工人劳动条件等，因而在金属结构、工程机械、汽车及兵器工业中得到广泛应用。据相关数据统计得知，在世界范围内的全部工业机器人当中，约有一半以上的机器人用于多种形式的焊接生产工作中。现阶段，我国所运用的焊接机器人，大部分是进口于世界各知名机器人厂商，多用于汽车制造。而从国外进口的焊接机械手，尽管精度比较高、功能强大，但是在价格上也比较贵，尤其是在一些典型的焊接车间中，焊接机械手仅能反复做一个动作，若采用价格昂贵的焊接机器人，势必会增加成本。对此，本文设计出了一种五自由度焊接机械手，现对此作一探讨。
1.明确焊接机械手传动方案
结合焊接机器人用途及基本特点，总结其如下技术参数：自由度数目5个，坐标形式为垂直关节型，抓取质量为1.5kg，重复定位精度为0.2mm，机器人本体质量约160kg。
依据驱动方式不同，可以将焊接机器人划分为三种，即电器驱动、液压驱动与气压驱动。（1）气压驱动。针对此种驱动方式而言，最大优点即为气源方便，整个驱动系统还有一定的缓冲作用，因而更容易进行保养；此外，在结构上比较简单，成本较低；但不足之处就是定位精度偏低，功率质量比并不高，装置体积比较大。（2）液压驱动。针对此种系统而言，有着比较大的功率质量比，驱动比较平稳，系统响应快、国有效率高；除此之外，在液压驱动调速方面的较简单，能够较大程度、高质量的完成无级调速；但也有其缺点，即容易漏油，这除了会对定位精度以及工作稳定性造成影响之外，还会污染环境；液压系统需配置复杂的管路系统以及压力源，因而会增加成本。（3）电气驱动。所谓电气驱动，实际就是借助于各种电动机，由其产生转矩或力，经减速机构或者直接去驱动负载，从中完成机器人动作。因其具有运动精度高，容易控制，使用方便及成本低廉的优点，因而是当前应用最广的一种驱动方式。
因电气驱动容易控制，且有着比较高的运动精度，本文所设计的焊接机器人的五处回转运动，均运用的是步进电机驱动。机器人的传动特定为：针对机器人腰座，其所选用的是谐波减速器传动方式，另外，还运用了腰座轴承承受倾覆力矩擦混动；而对于其腰座壳体，则选用的是铸铁铸造结构；针对机器人大小臂来讲，所选用的是步进电机与谐波减速器的传动方式，而大臂部件所选用的是薄钢板焊接的基本结构方式，因而能够大幅减少制造成本，缩短加工时间及周期；在腕部，選用的是圆锥齿轮与直齿圆柱齿轮的传动方式，还采用了铸铝合金壳体的结构形式，因而结构可具有更好的加工性，传动精度高，结构紧凑，此外，刚度也大。
2.焊接机械手中谐波减速器的应用
本文所设计的是一种关节型焊接机械手，其内置的减速器连接于关节回转轴，通过步进电机带动减速器来最终实现关节移动。因此，在机械手设计过程中，选择那些先进且质量优的减速器，非常重要且必要。针对谐波减速器来讲，引起体积比较小，且空回小，整个结构紧凑且简单，传动精度高且传动比大，因而其被广泛应用于机器人关节设计当中。现阶段，在所生产的谐波齿轮传动当中，大约有65%倍应用在机器人领域中。针对谐波减速器来讲，其基本原理为：谐波传动实际就是运用柔性元件所具有能够加以控制的弹性变形，来实现动力及运动的传递。从本质上来讲，谐波减速器主要有3个基本构件，分别为刚轮、柔轮与波发生器。在本次设计当中，依据关节结构方面的具体要求，采取了波发生器为主动，刚轮固定不动，以及柔轮为从动的基本减速方案。
3.选择焊接机械手控制方案
之所以要设计焊接机器人控制系统，主要目的在于让焊接机器人能够比较精确、稳定的工作。在实际焊接中，把焊枪安装于输出法兰上，另外，将CCD摄像机安装于机械手相应焊接方向；针对CCD摄像来讲，其能够将所接收到的焊接区图像、信息，实时向计算机传送，并由其进行针对性处理，通过处理图像信息，将焊接熔池相应位置检测出来，把检测所得出的偏差传送至控制器，并由控制器对偏差进行调整，指导将偏差彻底消除。
本文所设计的焊接机器人主要能够实现五个自由度，在控制系统方面，选用的是89C51单片机，尤其对5个步进电机相应转向、旋转角度及转速等加以控制的操作方案。控制系统主要包含下位机控制系统设计与上位机控制系统设计。之所以要设计上位控制系统，最终目的就是要实现89C51与PC机之间的实时通信。而设计下位机控制系统的目的就是借助于89C51，控制5台步进电机，实现焊接机器人5个自由度的精确与稳定。由单片机控制系统的基本结构原理可知，在进行设计时，需切实将系统的处理功能及故障自动检测功能考虑在内。当系统处于正常运行状态时，定时自诊断各功能模块，且快速处理外界的异常情况。针对难以及时解决的问题，需要及时切换报警装置，或者是后备装置，以达到警示操作人员的目的。
4.结语
综上，在现代化工业生产中，焊接机械手得到越来越广泛的应用。本文根据实际需要，设计出了一种简易的五自由度焊接机械手，此机械手运用的是结构比较紧凑的谐波减速器，以此来带动步进电机实现驱动。而运用闭环反馈控制系统及单片机控制系统，能够保障焊接机械手运行的整体精确度及稳定性，此简易五自由度焊接机械手相比传统的机器人，成本较低，且今后有着很大的改进与升级空间，有着广阔的发展前景。
参考文献：
[1]张铁异. 基于闭链结构的五自由度关节型电驱动机械手研制[J]. 机械传动， 2014（5）：148-151.
[2]李鹏， 赵新华， 杨玉维，等. 基于动力学研究的5自由度机械手杆长优化设计[J]. 高技术通讯， 2014， 24（12）：1289-1295.
[3]陈立博， 龚媛， 陶柯，等. 五自由度平行四边形机构机械手动力学分析与仿真研究[J]. 机电工程， 2014， 31（10）：1274-1277.
[4]王姣， 张文君. 基于ADAMS的五自由度焊接机械手运动学分析[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版）， 2012， 34（2）：175-177.
作者简介：
张正彬（1996-），男，民族：汉，籍贯（精确到市）：湖北武汉，学历：本科 江汉大学，研究方向：机电一体化。