自动焊接机器人手腕结构设计方案

摘要：本文针对自动焊接机器人手腕的设计进行深入研究，提出了一种斜轴式两自由度的新型结构，旨在提升焊接效率、扩展应用场景并满足工业用途需求。研究中综合考虑了焊接速度、关节数量和额定负载等基本参数，设计手腕部能承受的最大质量为20kg，并具备±180°的两自由度活动范围。为驱动系统选用了交流伺服电机，利用其体积小、响应快、效率高、精度高的特点，同时对比分析了不同手腕结构设计和传动方案，以确保最终设计的机器人手腕在性能和适用性上达到最优。

关键词：自动焊接机器人；手腕设计；两自由度；传动方案；性能最优

一、引言

随着现代工业自动化水平的不断提高，焊接机器人的应用越来越广泛，其在提高焊接效率、保证焊接质量、减轻工人劳动强度等方面发挥着重要作用。本文围绕自动焊接机器人手腕结构进行分析和研究，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。

二、自动焊接机器人手腕结构设计

（一）手腕结构设计原则

在设计自动焊接机器人的手腕结构时，必须综合考虑灵活性、稳定性、轻量化、定位精度以及热管理等因素。手腕结构的成功设计依赖于精确的关节设计、合适的材料选择、高效的电气和机械集成、必要的防护措施以及便于维护的构造。通过精细规划和遵循这些设计规则，可以打造出既能适应复杂焊接任务需求，又具备高效率和高可靠性的自动焊接机器人手腕结构。

（二）常见焊接机器人手腕结构

焊接机器人的手腕结构是机器人手臂的关键部分，它直接影响焊接的准确性和灵活性

目前，常见的焊接机器人手腕结构主要有以下几种：

1.两自由度手腕：具备两个运动轴，通常为旋转和倾斜，允许焊接枪在水平面内进行基本的调整，适用于简单的焊接操作，如直缝焊接或小范围曲面焊接，提供有限的灵活性。

2.三自由度手腕：包含三个运动轴，通常为旋转、倾斜和第三轴旋转，允许焊接枪在三维空间内进行更复杂的定位，适用于需要多角度焊接的场合，提供中等水平的灵活性和适应性。

（3）四自由度手腕：拥有三个基本的旋转轴，加上一个额外的俯仰轴，使得焊接枪能够更复杂的空间运动，适合于要求更高精度和更大灵活性的焊接任务，如汽车车身部件的焊接。

（三）结构方案设计要求

腕关节，这个精密而复杂的结构，由桡腕关节、腕骨间关节、下尺桡关节以及腕掌关节共同构成。它的主要功能是让我们的手腕能够进行背伸、屈腕以及前臂的旋转。

在深入剖析人类腕关节的运动特性后，我们发现它拥有三个自由度，这三个自由度对于人类完成各种手工劳动任务至关重要。在这一背景下，我们将目光转向机器人技术，特别是在机器人灵活性这一关键性能指标上。灵活性指的是，机器人的末端参考点——通常为手腕坐标系的原点——在工作空间内某一点时，末端工具所能采取的不同姿态的数量。而在机器人手腕的机械结构中，正是这种结构决定了其灵活度的上限。

然而，传统三自由度手腕的驱动方式往往依赖于三个驱动源的配合，这样的设计使得机构复杂且灵活性受限。为了解决这一问题，我们提出了一系列创新的设计要求：手腕具有两个自由度，驱动源的数量也是两个；额定负载（包括末端执行器）控制在20kg以内；同时，总重量也需控制在150kg以下。

（四）手腕驱动系统的选择

手腕常见的驱动方式有三种，气压型驱动，液压型驱动，电气型驱动，其中电机驱动是最常用的驱动方式。电机驱动以其高效、精确和灵活的特性，成为自动化焊接领域不可或缺的技术。它能够提供稳定的动力输出，确保焊接过程中的精准控制，同时具备快速响应能力，适应复杂的焊接轨迹和程序。所以在本文的设计中选择了交流伺服电机作为驱动器，因为它具有体积小、快速动态响应、高运行效率、高精度控制等优点。

（五）结构强度与刚度分析

对手腕结构进行强度与刚度分析，以确保其在工作过程中满足设计要求。

1.手腕结构材料选择

锥齿轮的材料采用45号钢，齿面硬度为250～280HBS。蜗杆材料采用45号钢，表面淬火硬度为45～50HRC，表面粗糙度。

蜗轮材料选用铸造锡青铜（ZCuSn10Pb1），通常，涡轮材料还可以采用铸造铝青铜和铸铁，但是，锡青铜耐磨性最好，价格也最高，一般用于滑动速度的重要传动。为了防止变形，需要对蜗轮进行时效处理，表面硬度为150～220HRC，表面粗糙度。经过计算以上材料的选择能够满足手腕结构强度与钢度要求。

2.弯曲疲劳强度分析

（1）圆柱蜗杆传动的承载能力计算主要包括：蜗轮齿面接触疲劳强度计算，蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算，蜗杆轴的强度计算和刚度计算。

经过计算得出，蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为：

由于蜗轮材料选用铸造锡青铜（ZCuSn10Pb1），且蜗杆螺旋面的硬度大于45HRC，涡轮铸造方法采用金属模铸造，最后经过查表计算得知涡轮的接触疲劳强度是足够的。

（2）蜗轮轮齿的形状复杂，因而要精确计算齿根的弯曲应力是困难的，所以齿根弯曲疲劳强度计算带有很大的条件性。通常是把蜗轮近似当作圆柱斜齿轮，仿照其弯曲强度计算公式，经过变换整理后可得到蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式为：

蜗轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度满足要求，是安全的。

通过以上分析，验证手腕结构设计的合理性和可靠性，为实际生产中的应用奠定基础。

三、焊接机器人手腕结构方案比较和确定

（一）手腕结构方案一

如图3.1所示是方案1，在这个方案中，手腕的两个自由度分别是一个绕手臂的转动和一个摆动。

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。

转动自由度的传动路线：右边的电机通过两个相同的锥齿轮将动力传递到蜗轮蜗杆处，实现减速功能，而蜗轮和手腕的下半部分是固定连接在一起的，因此蜗轮便带动手腕的下半部分进行360°的转动。

摆动自由度的传动路线：左边的电机通过四个相同的锥齿轮将动力传递到竖直轴，竖直轴和蜗轮之间可以相对转动，竖直轴下端的小锥齿轮和一个大锥齿轮啮合，实现一级减速，此时动力传递到水平轴，接着，再通过两个相同的锥齿轮，动力传递到了第二个竖直轴上，第二个竖直轴末端是一对准双曲面齿轮，它可以改变传动路线并实现减速功能，而手腕的摆动体和准双曲面齿轮固定连接在一起，这样，最终实现了手腕摆动的功能。

此方案中用到了准双曲面齿轮，它的特点是：比曲线齿锥齿轮传动更平稳，利用偏置距增大小齿轮直径，因而可以增加小轮刚性，实现两端支撑，沿齿长方向有滑动，传动效率比直齿锥齿轮低，需用准双曲面齿轮油。它的传动比可达50～100。

（二）手腕结构方案二

方案2和方案1类似，但是也有改进之处。

在方案1中，两个自由度的运动之间是耦合的：在手腕进行摆动时，手腕的摆动机构对于手腕的转动机构是没有影响的；但是，在手腕进行转动的时候，手腕的转动便会引起手腕摆动机构的运动，即产生了诱导运动。诱导运动的产生会增加手腕运动控制的难度，因此要尽量避免。

而在方案2中，引入了一个周转轮系和一个制动器，从而避免了诱导运动的产生。如图3.2所示，当手腕进行摆动时，制动器将太阳轮固定，此时的周转轮系是行星轮系，传动和方案1基本相同；当手腕进行转动时，制动器松开太阳轮，此时的周转轮系是差动轮系，即太阳轮和行星轮均是自由的，手腕的转动便不会引起摆动机构的运动。

（三）手腕结构方案三

方案三提出了一种相对少见的传动方式。电机依然是固定在手腕的上板上的，但是，手腕的连个自由度的转动轴线之间的夹角是45°。在方案3中，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。

这种传动方案的优点是，当手腕在只进行绕竖直轴的转动，而斜轴不转动时，此时如果末端执行器的末端正好位于竖直轴线上，那么竖直轴的转动便只会改变末端的姿态，而不会改变末端的位置，这在某些场合下，是具有很大优势的。

（四）手腕结构方案四

方案4和方案3的唯一区别就是将末端的轴改成了竖直形式的，这是因为在方案3中，无法让末端的轴处于竖直姿态。

（五）手腕结构方案五

如图3.2所示方案5中，上箱体部分和方案3、方案4是相同的，下半部分做了改动。在方案5中，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。

四、手腕结构方案的确定

以上提出了5种手腕的传动方案，方案1和方案2是垂直轴传动方案，方案3、方案4和方案5是斜轴传动方案。本设计所要达到的效果是，在末端执行器的位置变化较小的情况下，使其姿态变化尽量多。显然，方案1和方案2的传动机构相对简单，运动范围大，但是末端执行器的位置变化太大，不符合要求；而方案3、方案4和方案5，只有方案5能够保证末端执行器的位置不变，只是姿态发生改变。

因此，本文设计的手腕结构设计采用的是方案5。

五、结论

本文深入研究了自动焊接机器人手腕结构的设计，旨在提升焊接效率和扩展应用场景。通过分析不同手腕结构方案的优缺点，本文提出并优化了一种斜轴式两自由度的机器人手腕设计方案。该设计综合考虑了灵活性、稳定性、轻量化、定位精度和热管理等因素，采用了交流伺服电机驱动，以确保高效、精确和灵活的焊接操作。经过强度和刚度分析，证明了手腕结构的合理性和。在比较了五种不同的手腕结构方案后，本文确定方案5为最佳选择，因为它能够在保持末端执行器位置不变的同时，实现姿态的多样化变化，满足复杂焊接任务的需求。这一设计对于推动工业生产自动化和智能化具有重要意义，有望成为工业焊接领域的主流解决方案。

参考文献：

[1] 张华，李强，王继伟. 工业机器人手臂结构设计[J]. 机器人技术与应用，2019，6（2）：1-10.

[2] 陈立，刘洪涛，蔡敏，等. 基于PLC的钢筋笼自动焊接机器人研制[J]. 铁道建筑技术，2023（8）：45-50.[3] 刘伟，张鑫，赵宇，等. 基于路径规划的自动焊接机器人手腕结构设计与仿真[J]. 机械设计与制造，2018，4（1）：20-24.

[4] 孙景华，李晓波，陈晨，等. 工业机器人手腕结构设计与性能分析[J]. 机械设计与研究，2017，34（2）：72-76.

[5] 周涛，李志刚，刘军，等. 自动焊接机器人手腕传动系统设计[J]. 机械设计与制造，2019，10（1）：27-30.

[6] 王刚，张强，陈辉，等. 基于精密滚珠丝杠传动的自动焊接机器人手腕设计[J]. 机电工程，2016，33（2）：48-51.

[7] 伊唯特科技有限公司. 焊接机器人 不锈钢散热器焊接专机 自动焊接机械手说明书[M]. 伊唯特科技有限公司，2021.

[8] 谭敏，赵文博，周立新，等. 自动焊接机器人手腕结构设计及传动方案研究[J]. 机器人技术与应用，2020，7（1）：21-28.

[9] 陈春晖，王文强，李立，等. 基于PLC控制系统的自动焊接机器人手腕设计与实现[J]. 自动化与仪表，2019，35（2）：60-63.

[10] 赵志刚，刘建国，张辉，等. 自动焊接机器人手腕结构设计及性能优化[J]. 机械设计与制造，2018，12（1）：17-20.

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）。