焊接机器人手腕结构设计与电机选型

摘要：随着工业自动化的不断发展，自动焊接机器人在现代制造业中发挥着越来越重要的作用。本研究聚焦于自动焊接机器人的手腕结构设计。首先，对自动焊接机器人的应用背景和需求进行了深入分析，明确了手腕结构在焊接过程中的关键作用。通过对现有焊接机器人手腕结构的调研，总结了其优点与不足。基于此，我们设计出了一种新型的二自由度自动焊接机器人手腕结构设计方案。该方案在智能化，模块化，轻量化等方面进行了优化。该设计使得焊接机器人手腕机身轻巧，在保证各种作业姿态的同时，减少焊枪移动，由此可拓展焊接机器人手腕的应用场景，适用于各种工业用途。

关键词：二自由度；球形手腕；电机选型

引言：在当今高度发达的制造业领域，自动焊接机器人的出现，不仅极大地解放了人力，降低了劳动强度，还显著提高了焊接的精度和稳定性。其中，自动焊接机器人的手腕结构是实现精确焊接的关键部分。一个设计优良的手腕结构能够赋予机器人更加灵活的运动能力，使其能够在不同的焊接位置和角度进行高效作业。

因此，开展自动焊接机器人手腕结构设计研究具有重要的现实意义。本研究旨在通过深入分析自动焊接机器人的工作特点和需求，结合先进的设计理念和技术手段，设计出一种性能更加卓越的手腕结构。通过对该结构的力学分析、运动学模拟以及实际实验验证，不断优化设计方案，以满足现代制造业对高质量焊接的迫切需求。

1.手腕结构的设计研究

自动焊接机器人作为工业机器人的一种，手腕是它的关键部件之一。手腕是连接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。  本设计比较了各种类型的机器人手腕的优缺点，利用最优化处理，设计出一种斜轴式两自由度的机器人手腕。该设计使得焊接机器人手腕机身轻巧，在保证各种作业姿态的同时，减少焊枪移动，由此可拓展焊接机器人手腕的应用场景，适用于各种工业用途。随后会对该设计进行结构计算、动力学仿真，保证设计产品切实可行。

1.1手腕结构的设计要求

在自由度数方面，我们选择采用二自由度。驱动方式采用交流伺服电机驱动，最大持重可达 20kg。其结构形式为近距离驱动，电机位于腕部，而非小臂后部。 第一自由度的活动范围为±180°，第二自由度同样为±180°。该手腕可在 0～50℃的环境温度下正常工作。

这些设计要求旨在确保手腕在特定的工作条件下，能够实现精准、稳定且高效的动作，满足相关应用场景的需求。

1.2手腕结构的设计与迭代

由上面的设计要求可知，所设计的手腕要实现两个自由度的运动，而动力源是交流伺服电机，因而就需要两个伺服电机分别进行驱动，且电机应该固定于腕部，不能随着手腕的运动而运动。显然，手腕的核心便是从电机出发到末端执行器之间的传动机构，它应该具有传动和减速的功能。减速机构可以采用多级齿轮、蜗轮蜗杆、或者谐波减速器等。由这些设计要求我们经过五次迭代，最终设计出了如下方案：

如图1.1所示方案中，两个交流伺服电机固定在手腕最上面的平板上，电机轴竖直向下。手腕的两个自由度的转动轴线之间的夹角是45°。竖直轴线、斜轴线以及“刀具”的“刀尖”相交于一点，这样，手腕的转动和摆动便只会改变“刀尖”的姿态，而不会改变“刀尖”的位置，“刀尖”的位置是通过机器人的大臂、小臂等机构实现的，即手腕只起改变姿态的作用。转动自由度的传动路线：从右边的电机始，经过两个相同的锥齿轮，将动力传递到蜗杆上，通过下面的蜗轮带动手腕的下半部分实现360°的转动，同时实现了减速；摆动自由度的传动路线：从左边的电机始，经过两个完全相同的锥齿轮，将动力传递到上面的蜗轮蜗杆机构，实现减速，竖直轴通过下端的两个完全相同的分度圆锥角为135°的锥齿轮，将动力传递到斜轴上，实现斜轴的360°转动。

经过我们的计算分析，当前方案的传动机构能够在保持末端执行器的位置不变的情况下，产生尽可能多的姿态变化，如此符合我们的设计理念，适用于各种工业用途。

2. 电机选择

2.1 电机功率计算

斜轴转速180°/s;竖直轴转速150°/s;计算驱动下箱体绕竖直轴方向转动的电机的功率：

同理，按上述步骤计算得，斜轴的驱动电机也选择2kW的电机。

2.2 电机选型

因为手腕的传动机构是工业机器人进行各种姿态的核心部件，因此对于传动机构的电机的选择就十分的重要。通过仔细分析应用需求、选择合适的电机类型和参数，并考虑品牌、质量和成本等因素，确保系统的稳定运行和高效性能，选择的电机是松下公司的一种A5伺服电机。

所选用的松下 A5 伺服电机具备多项优良特性，适用于手腕传动机构。其额定功率达 2000W，能输出较大动力，满足手腕高负载工作需求；额定电压 200V，契合常见工业电压环境，额定电流 11.3A（RMS），具备较大电流承载能力，保障稳定运行。速度响应频率高，对控制信号反应迅速，配合 20 位增量式编码器，分辨率高达 1048576，既能实现精确位置控制与快速动态响应，又保证了控制精度，完全符合手腕传动机构要求。瞬间最大峰值转矩 19.1N·m，过载能力强，可应对瞬间高负载冲击；转子转动惯量 3.68×10⁻⁴kg·m²，较小的转动惯量使其加速和减速性能良好，能快速响应控制信号变化。防护等级达 IP67，良好的防尘、防水性能使其可适应各种恶劣工作环境，确保工业机器人正常工作。电机采用连接器接线，方便快捷且连接可靠；在小型化和轻量化方面表现出色，体积小、重量轻，便于安装在手腕狭小空间内，不给手腕结构设计与运动增添过多负担。同时，松下为其配备人性化操作界面，易于调试和使用，能减少开发者和使用者的调试时间与难度，提高工作效率。此外，在同功率等级的伺服电机中，松下 A5 伺服电机性价比高，随着技术发展和市场竞争，其性能提升的同时价格合理，在满足手腕传动机构高性能要求下，成为众多用户的首选。以上便是我们选用这种型号的伺服电机的主要原因。

3.发展趋势

自动焊接机器人手腕结构设计研究是一个充满挑战和机遇的领域。随着技术的不断进步和创新，未来的焊接机器人手腕将具备更高的性能、更低的成本和更广泛的应用前景。未来的焊接机器人手腕将具备更高的智能化水平，能够实现自主学习、自适应控制等功能。

结论：尽管焊接机器人手腕结构设计取得了显著进展，但仍存在一些问题和挑战，如：如何进一步提高手腕的精度和稳定性、如何降低制造成本、适用于各种工业场景等。

综上所述，自动焊接机器人手腕结构设计研究是一个充满挑战和机遇的领域。随着技术的不断进步和创新，未来的焊接机器人手腕将具备更高的性能、更低的成本和更广泛的应用前景。

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项目来源：1.河南省教育厅2024年大学生创新创业训练计划项目（编号：202412746045）；

2.郑州科技学院2024年大学生创新创业训练计划项目（编号：DC202445）。