汽车车身焊接机器人 - 毕业论文 - 罗玄海 - 图文

毕 业 论 文（设 计） 论文（设计）题目：

汽车车身焊接机器人虚拟样机设计

The Design of The Virtual Prototyping of The Automotive Body Welding Robot 姓 名 罗玄海 学 号 200900162133 学 院 机械工程学院 专 业机械设计制造及其自动化 年 级 2009级 指导教师 王建明 教授 2013年 6月 7日

目录

摘要 ............................................... 错误！未定义书签。 ABSTRACT .......................................... 错误！未定义书签。 第一章 绪论 ...................................... 错误！未定义书签。

1.1 工业机器人的研究背景与意义 ................... 错误！未定义书签。 1.2 工业机器人在国内外的发展与现状 ............... 错误！未定义书签。

1.2.1国内发展与现状 ........................ 错误！未定义书签。 1.2.2国外发展与现状 ........................ 错误！未定义书签。 1.3 焊接机器人在汽车工程技术领域的应用 ........... 错误！未定义书签。 1.4 主要研究对象及研究内容 ....................... 错误！未定义书签。

1.4.1研究对象 .............................. 错误！未定义书签。 1.4.2 研究内容 ............................. 错误！未定义书签。 1.5本章小结 ...................................... 错误！未定义书签。

第二章 汽车车身焊接机器人的结构确定及ADAMS运动仿真错误！未定义书签。

2.1焊接机器人主要结构综述 ........................ 错误！未定义书签。 2.2 汽车车身焊接生产线综述 ....................... 错误！未定义书签。 2.3 基于Solidworks创建简化三维实体模型 .......... 错误！未定义书签。

2.3.1 运动自由度的确定 ..................... 错误！未定义书签。 2.3.2 运动件基本尺寸的初定 ................. 错误！未定义书签。 2.3.3 零件的创建以及装配 ................... 错误！未定义书签。 2.4 对简化模型的ADAMS运动仿真 ................... 错误！未定义书签。

2.4.1将SolidWorks创建的简化三维实体模型导入ADAMS错误！未定义书签。 2.4.2对每一个运动副添加约束和电机 .......... 错误！未定义书签。 2.4.3设计修改Motion的角位移函数 ........... 错误！未定义书签。 2.4.4对各个铰链进行力和扭矩的测量 .......... 错误！未定义书签。 2.4.5各运动件绝对运动量的测定 .............. 错误！未定义书签。 2.5 本章小结 ..................................... 错误！未定义书签。

第三章 汽车车身焊接机器人的传动设计及电机选取 错误！未定义书签。

3.1 机器人各关节常用传动方案简介 ................. 错误！未定义书签。 3.2 汽车车身焊接机器人的传动方案确定 ............. 错误！未定义书签。

3.2.1 腰部回转传动 ......................... 错误！未定义书签。 3.2.2 大臂摆动传动 ......................... 错误！未定义书签。 3.2.3 前臂摆动传动 ......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 转动手腕回转和摆动手腕摆动的传动 ...................... 41 3.3 各关节电机选取 ................................................ 42

3.3.1 机器人常用电机介绍 ................... 错误！未定义书签。 3.3.2 伺服电机的内部结构及工作原理 ......... 错误！未定义书签。 3.3.3 汽车车身焊接机器人各关节驱动电机的确定 错误！未定义书签。 3.4 本章小结 ...................................................... 49

第四章 汽车车身焊接机器人Solidworks实体建模 . 错误！未定义书签。

4.1 汽车车身焊接机器人三维实体建模的要求和标准 ... 错误！未定义书签。

4.1.1 设计要求 ............................. 错误！未定义书签。

4.1.2 设计标准 ............................. 错误！未定义书签。 4.2 由下至上的三维实体建模过程 ................... 错误！未定义书签。

4.2.1 焊接机器人建模思路 ................... 错误！未定义书签。 4.2.2 底座、腰部与大臂的传动部分三维建模 ... 错误！未定义书签。 4.2.3 大臂、大臂与前臂的传动部分三维建模 ... 错误！未定义书签。 4.2.4 前臂、前臂与转动手腕传动部分的三维建模 错误！未定义书签。 4.2.5 转动手腕与摆动手腕的传动部分 ......... 错误！未定义书签。 4.3 完成焊接机器人的总体装配图 ................... 错误！未定义书签。 4.4 本章小结 ..................................... 错误！未定义书签。

第五章 关键零部件的有限元校核及以及主要部件材料 ........................... 57

5.1 主要部件材料确定 .............................................. 57 5.2 腰部的有限元分析 .............................................. 57

5.3大臂的有限元分析 .............................. 错误！未定义书签。 5.4本章小结 ...................................... 错误！未定义书签。

参考文献 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 致谢 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 【英文文献】 ............................................................................................................. 67 【中文翻译】 ............................................................................................................. 83

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摘要

机器人焊接装配线是汽车车身焊接装配车间的一个非常重要的组成部分，是一个汽车制造厂车身焊接工艺水平的体现，在一定程度上也是一个国家汽车制造技术的标志。机器人焊装线的应用，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，改善了产品质量，并且大大提高了车身制造水平，是国内汽车行业发展的必然趋势。

本文主要的研究内容和所达到的目标如下：

首先，了解工业机器人的国内外现状和发展前景，明确焊接机器人（尤其是应用于汽车车身的焊接)的设计意义和功能要求，掌握了工业机器人的结构特征与常见传动方案，为设计汽车车身焊接机器人做了相应知识准备和技术储备。

其次，对焊接机器人主要部件进行Solidworks三维实体简化建模，并将其导入虚拟样机设计软件ADAMS中，进行整机的虚拟样机运动仿真，优化并最终确定了焊接机器人的各部件尺寸参数和外形特征，以及获得一些重要的优化参数和工作信息。

再次，根据所确定的焊接机器人的外形特征和尺寸，结合工业机器人常用的传动方案，最终确定本产品的传动方案和动力供给方案，并选取了合适的电机，对组成焊接机器人的所有部件完成了Solidworks三维实体细节建模，最后装配成实体。

最后，应用Autocad软件完成焊接机器人各主要部件和装配体的二维工程图绘制，确定各主要部件的材料以及加工技术要求。基于SolidWorks Simulation，对焊接机器人的关键零件进行形变和应力的有限元分析，校核其刚度和强度，以检验设计的合理性和零件使用的安全性。

关键词：焊接机器人；虚拟样机运动仿真；结构设计；传动设计；三维建模；有限元分析

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ABSTRACT

Robotic welding assembly line is a very important part of vehicle body welding shop,which represents the level of welding technology of vehicle body manufacture. Also, to a certain extent, it is a symbol of national automobile manufacturing technology.The application of robot welding line reduces the labor intensity of workers, improves the labor productivity and the product quality.What's more, it greatly improves the manufacture level of the automobile body. So it is the inevitable trend in the development of domestic automobile industry.

This article's main research content and achieved goal is as follows:

First, studying the present situation and development prospect of industrial robots in domestic and overseas, define welding robot's (especially which used in car body welding) design of the meaning and function requirements, master the structure characteristics of the industrial robot and common transmission scheme, which make the corresponding knowledge preparation and technical reserves to design a car body welding robot.

Second, using the Solidworks to modeling the 3d simplified entity of the welding robot.Then import it into ADAMS virtual prototype design software to run a machine movement simulation.This work ultimately optimize and determine the welding robot’s parts size parameters and shape characteristics , and get the optimization of parameters , obtain some important information about the working condition.

Third, depending on the size and shape characteristics of the welding robot, combined with industrial robot transmission scheme, this product was finally determined the transmission scheme and the power supply scheme, and choose the suitable machine.Then complete the Solidworks 3d entity details modeling of all the parts that make up the welding robot ,and assemble them into entity.

Finally, applying the Autocad software to complete welding robot's major components and assembly of 2d engineering drawing.Then determine materials and processing technology of major parts .Based on the SolidWorks Simulation to carry out

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finite element analysis on welding robot's key parts about the deformation and stress. Checking the stiffness and strength which in order to examine the rationality of the design and parts safety using.

Keywords: Welding robot; The virtual prototype simulation movement;Structure design; Transmission design; 3d modeling；finite element analysis

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第一章 绪论

1.1 工业机器人的研究背景与意义

工.业.机.器人由机身、驱.动.系统和控.制系统三个基本.部分组成，是一.台能够按照编.写的程.序进.行自主动作、多.轴转动.的机.械.设备，是面.向工业..领域的多.关.节机械手或多.自由.度的机.器人。工业.机器人.是自动.执行工.作的机器.装置，是靠.自身动力和控制.能力来实现各.种功.能的一种机.器。它可以接受.人.类指.挥，也可以.按照.预.先编排的程序运行，现代.的工.业机器.人还可以根..据人工智.能.技术制.定的原则纲领行动。

工业.机器人由主体、驱动系.统和控.制系统.三个.基本部分组成。主体..即机座和执行机构，包括.臂部、腕部和.手部，有的机器人还..有行走机构。大多数..工业.机器人有3～6个运.动.自由.度，其中腕.部通常有1～3个运.动自.由度；驱动.系.统包.括动.力装置和.传.动机构，用以使执行.机构.产.生相.应的动作；控制系.统是.按.照输入的程.序对驱动.系统和.执行机.构发出指.令.和信号，并进行.控制。

工业.机器人.按.臂部的运动形.式分为四种。直角.坐标型的臂..部可沿三个.直角坐标移动；圆柱坐.标.型的臂部可.作升降、回转和伸缩动作；球坐标.型的.臂部能.回转、俯仰.和伸缩；关节型.的臂部.有多个.转动关节。

工业机.器人按执.行机构运动的.控制机能，又可分.点位.型和连续.轨迹型。点位型只控.制.执行机构由一点到另..一点的准确定位，适用于.机.床上下料、点.焊和一般搬运、装卸等作业；连续.轨迹型可控制.执行机构按.给定.轨迹运动，适用于连..续焊接和涂装.等作业。

工业机器.人按.程序输.入方式区.分有编程输.入型和.示教输.入型.两类。编.程输入型是.将计算.机上已编好的作业.程序文件，通过.RS232串口或.者.以太网等通.信方式传送.到机.器人控制柜。

示教.输入.型的示教方法.有两种：一种是由.操.作者用手动控.制.器(示教操纵盒)，将指令.信号.传给驱动系统，使执行.机构.按要求的动.作顺序和.运动轨迹.操演一遍；另一.种是由操.作者直接领动.执行机构，按要求的.动作顺序.和运动轨.迹操演一遍。在示教过.程的同时，工作程序的.信息.即自动.存入程序存.储器.中在机.器人.自动工作

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时，控制系.统从程.序存.储器中.检出相应信息，将指.令信号.传给.驱动机构，使执行机构再现..示教的各.种动作。示教输.入程序的.工业机.器人称为示教..再现型工.业机器人。

具有触觉、力觉或.简单的视.觉的工.业机器人，能在较.为复杂.的环境.下工作；如具有识别.功能.或更进一.步增加自.适应、自学习.功能，即成为.智能型..工业机器人。它能按照.人给的“宏指令”自选或自.编.程序去适应环境，并自动.完成更.为复杂的工作。

按臂部的.运动.形式分为4种直.角坐标型的.臂部可沿3个直.角坐标.移动圆.柱坐标型的臂.部可作升降、回转伸缩.动作球坐.标型的臂.部能回转、俯仰和.伸缩关节型的臂.部有多.个转动关节。按执行运.动的控制机能，又可分.点位型.和连续.轨迹型。

当配备.了刀具、工具、夹具就能.执行操作和.加工制.造任务。工业机.器人主要能在工业生.产中代替人做单调、频繁和.长时间的.作业或是恶.劣环境.下的.作业。工业机.器人是.汽车生产中主.要的自动.化设备在整车和.零部.件生产中.的弧焊、点焊、喷涂、搬运等.工艺操作.方面有大.量的应用。

随着我.国国民经.济整体实.力持续增加，许多企业.已有经济.实.力使用高.水平的生产.设备.和机器人。国内企业.使用机器人.主要基于.以下两个.方面原因。第.一是劳动力因素.和成本.的变化。随着我国经济.持续.增强劳动.力由供大于.求.向供求平衡发展工人对.薪资和.工作.条件提出.更高要求，用企业提.高技术.密集度以减.少劳.动力成本和劳动.力风险。第二提高产.品质量.的需求。采用机.器人能进.一步提.高产品.质量从而.提升企.业.的竞争力。

1.2 工业机器人在国内外的发展与现状

1.2.1国内发展与现状

我国工.业机器.人起步.于70年代.初期，经过20多.年的发展，大致经.历了3个阶段：70年.代的萌芽期，80年代.的开发期和.90年代的.适用化期。

进入80.年代后，在高技术浪.潮的冲击下，随着改.革开放的不.断深入，我国机器人技.术的开发与研究得.到了政府的重.视与支持。“七五”期间，国家.投入资金，对工业机器.人及其零部件.进行攻关，完成了示教.再现式工业机器.人成套技术的开

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发，研制.出了喷涂、点焊、弧焊和.搬运机器人。1986年国家.高技术研究发.展计划（863计划）开始.实施，智能机器.人主题跟踪世界机器人.技术的前沿，经过几年的研究，取得.了一大批科研成果，成功地研.制出了一批.特种机器人。

从90年代.初期起，我国的国民.经济进入实现两.个根本转变时期，掀.起了新一轮的经济.体制改革和技术.进步热潮，我国的工业机.器人又在实践中.迈进一大步，先后研制.出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等.各种用途.的工业机器人，并实施了一.批机器人.应用工程，形成了一批.机器人产业化.基地，为我国机器.人产业的腾.飞奠定了基础。

虽然中国.的工业机器人产.业在不断的进步中，但和国际.同行相比，差距.依旧明显。从市场占.有率来说，更无法.相提并论。工业机器人.很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国.机器人产业发展的一.个重要瓶颈。

随着人口红.利的逐渐下降，企业用工成.本不断上涨，工业机器.人正逐步走进公众.的视野。中国产业洞.察网分析师.李强认为，人口红利的.持续消退，给机器人产业带来.了重大的发展机遇；在国家政策.支持下，产业有望迎来.爆发期。

事实上，中国的制造.业正在迅速进入机器.人时代。如，往年春.季是全球最大的代工厂富.士康科技集团的招工旺季，各厂区排长龙.应聘的场面往往异常火爆。但在今年，富士.康新员工招聘情况却变得非常冷清。业界猜测，这主.要与富士康大规模启用工业机器人有关。

富士康掌.门郭台铭在2011年宣布，未来三.年内将在组装工厂生产.线上累计部署100万台工业.机器人，取代现在简单重复的人力劳动。虽然计划略.显夸张，但也表明在人力成.本上升的大背景下，工业机器人前景诱人。这也预.示着这一现象很快会在.其他制造业领.域出现。

1.2.2国外发展与现状

90 年代末，工业机器人应.用领域由制.造业扩展.到非制造业，同时在原制.造业也在不断.深入渗透，开辟了不.少新用途。国外机.器人专家预测，工业.机器人每5年推出一批新机型，开辟一些新..应用领域。原应.用领域的扩.展深化，如用多台弧焊机器人.焊汽车、机械大部件（15t、5m 以上）、车.身及薄板（0. 7 ~ 1. 2mm），电机壳的多.层焊，窄空间线.圈盒的焊接；电子.基板喷涂.防湿绝.热剂，大型净.化槽喷

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涂、搬.运生产线（15t、5m）；异形.件的内、外.加工，机翼铆.接，软物.料分检等，即向大、异、占11. 7%）。发达国.家汽车.行业机器人.应用占总保有.量百分比为23. 4% ~ 53%，而年产.每万辆.汽车所.拥有的机.器人数为（包括整车和零部件）：日.本88. 0 台，德.国64. 0台，法.国32. 2 台，英.国26. 9 台，美.国33. 8 台，意大.利48. 0 台。在世界.各大汽车整.车生产厂，年产每万.辆汽车所.拥有的.机器.人数为数台至20. 台不等，但许多.厂仍在发展，尤其是1998 - 1999 年几笔大.订货都是几.百台机器人。从总的.发展趋势看，整车厂.欲达到机器.人化生产的.一般水平，起码在10 台机器人/ 年产万辆.汽车以上。加上汽.车零部件和配件，年产万.辆车最少应拥有30 台.以上机器人。对国外100 多个汽车厂家.应用机器人的案例.进行分析、综合统.计出，应用机器.人的工艺.部位有：车.身、车.窗、车.架、底.板、端.板、保.险杠、车轴.组件、驱动.装置、隔..热器、散.热器、车.轮、车.门、座.椅、行.李箱、顶衬、地毯、油.箱、制动.器、电池..组、车灯、挡泥板、保护罩、仪表、踏板组件、变速箱、千斤.顶、总.装等。所用的.机器人.有点焊、弧焊、其它.焊、喷.涂、搬.运、上下料、切割、装配、检测、清理.精整等。随着机器.人应用的深.化和渗透，工业机器.人.在汽车行业.中.还在不断开.辟着新用途。

1.3 焊接机器人在汽车工程技术领域的应用

焊接是.制造业中一项繁重.的且对理人.健康影响.较大的作业之一，是日.前工业机器人应.用最多的行业.工业机器人是典型.的机电一体化.高科技产品，它对.于提高生产自动.化水平、劳动生产率和经济效益、保证产品.质量、改善.劳动条件等力面的作用.日益显着。

工业机器人代替人力.劳动是必然的发.展，工业机器人应.用领域广泛，在.大多数国家，焊接仍是.机器人的.主要应用领域，特别是.主要的汽车.生产国。机器.人能在悲劣.环境下.连续工作，并具有.工作灵活、工作精度.高等特点，足以保证.产品的加理质量、提高生.产效率、减轻操作.人员劳.动强度，因此.焊接机器人被广.泛应用于汽车焊接.生产线，占现装.备机器人总数.的至少50%。

日本早在70年.代就已将点焊机器人.引进生产线，而弧焊.机器人由于其复.杂性，在生产的应用要.比前者晚一些但到.80年代，日本弧焊机.器人的使用.开始有了显着增加随.着我国汽车制.造业的发展，各种工业.机器人在汽车生.产线上.大显神

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威，它们使.现代的汽车.工业实现.了自动化。

焊接机器.人在汽车制造中.的应用明.显增加，汽车.生产中，已.普遍采用了.弧焊焊.接机器人、点焊.机器人和机器人.自动生产线。利用.焊接机器人生产.线对汽车驾驶室的自动.焊接已在世.界多家汽车.制造厂得到应.用并取.得显着效益。一汽.建成了包括21台焊接.机器人及其.工作站周边.设备在内.的三条机器.人焊装线，经.改造后的汽车焊装.线生产能力.提高50%大大提高了.一汽集团焊装.工艺的装.备水平，提高了生.产质量和产量，减轻.了劳动强度。上海通.用汽车有限公司(SGM)的车身.总拼火具系统配备.的七台自动.焊接机器人承担了多达180多个焊点的焊接.任务。东风汽车系列驾驶.室及车身中也都选用.了点焊机器人，提高了.产品的市场.竞争力。松辽汽车.股份有限公.司载年产5万辆中型面包.车的底板及车体焊.接中分别采用了4台和2台.焊接点焊机器人夏.利汽车、金.杯公司通用汽车厂、金杯.客.车有限公司等工程中点焊机.器人都得到了小同.程度的应用。哈尔滨轻型.汽车厂项日.中采用了弧焊机器人。天津一.汽丰田汽车有限公司.第一理厂中有补.焊用焊接机.器人16台。吉利路桥.生产基地中ABB焊接机.器人应用了8台。芜湖奇瑞汽车.有限公.司三理厂、天津一汽.丰田汽车有限公司第.二理厂中分别大量使.用了焊接机器人。数量多达60多台。此外，焊接机器.人还应用于汽配行业.上海汇众汽车制.造公司为桑塔纳.和别克轿车转台和.减震器配置了12台.弧焊机器人。长春塔奥.金环汽车制品.有限公司配置了弧.焊机器人工作站.一台焊接奥迪c5v6车后轴焊接.总成还有沈.阳金杯汽车座椅厂、上海交运股份.有限公司升降座.椅焊接生产线等。

焊接机器人的主要优点如下：

1) 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性； 2) 提高生产率，一天可 24h 连续生产；

3) 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作： 4) 降低对工人操作技术难度的要求；

5) 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 6) 可实现小批量产品焊接自动化； 7) 为焊接柔性生产线提供技术基础。

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1.4 主要研究对象及研究内容

1.4.1研究对象

在汽车车身焊装工艺中，点焊机器人处主导、CO2弧焊机器人处辅助地位，而焊接机器人的应用则加速实现了车身制造的柔性化（Flexibility）、产量化与自动化的进程。车身制造厂要达20万辆以上的年产量，几乎都须采用机器人焊装线。这不仅是车身整车及零部件生产率要求，更源于机器人焊装生产线具有柔性，适应了市场对轿车车身改型生产的需求，同时，焊接质量得到保证。

故在本文的研究对象汽车车身焊接机器人的焊接方式选取为点焊。欲达到的目标是：实现由初始位置到达工作位——焊点的运动仿真。在设计上，由于执行件为C型电焊钳，重量适中，强度要求并不是很高，故设计中主要考虑的是焊接机器人的外形尺寸、工作空间和安装位置。

1.4.2 研究内容

一、软件的深入学习和熟练使用。如ADAMS、SolidWorks、AutoCAD等软件。 运用ADAMS进行虚拟样机分析与仿真；运用SolidWorks进行三维实体设计；运用AutoCAD进行二维工程图绘制；运用SolidWorks Simulation进行有限元分析。

二、焊接机器人的外观、外形尺寸、传动方案、电机型号选取、工作空间、安装位置、技术指标。

1.5本章小结

本章主要介绍了工业机器人的背景、意义及国内外对工业机器人研究的现状，然后介绍了焊接机器人在汽车工程技术领域的应用，最后介绍了本文的研究对象和研究内容。

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第二章 汽车车身焊接机器人的结构确定及ADAMS运动

仿真

2.1焊接机器人主要结构综述

设计之初，结构问题是首先要解决的问题。在设计流程上，其关系到实体建模这一环节；在实际应用上，外形结构尺寸与机器人的工作空间及运动参量密切相关。 现今，点焊机器人的结构主要由其运动的自由度数量和种类决定。主要结构有如下三种：

1) 机床式 这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的3个运动 (x，y，z)是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，如图 2-1 所示，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。

图2-1 机床式机械手

图2-2 正置式全关节机械手

2) 全关节式 这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，图 2-2为正置式全关节机械手，图 2-3 为偏置式全关节机械手。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。

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图2-3 偏置式全关节机械手

图2-4 平面关节机械手

3) 平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用，又称为 SCARA 型机械手，如图2-4所示。

综上所述，结合汽车车身焊接生产线的特点，选用全关节式焊接机器人，以满足机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大等特点，能够有效地进行焊接生产线的组装。

在焊接机器人的实体外形方面，图2-5展示了一些已投入生产使用的产品。

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图2-5 焊接机器人外形结构汇总

2.2 汽车车身焊接生产线综述

汽车车身焊接生产线是指通过焊装工艺完成完整产品的综合生产线，通常包括辅助设备、传输设备、焊接设备等。具体包括以下部分：

一、车身焊装夹具

焊装夹具主要对焊接薄板冲压件进行可靠定位与夹紧，保证车身各部分有正确的相互位置及几何形状、保证车身装配焊接工艺的正常进行。汽车车身焊装夹具是随汽车的大规模生产而发展起来的，是汽车焊装的必须装备。随着汽车性能和生产自动化水平的提高，对汽车车身焊装夹具的要求也越来越高。车身焊装夹具根据自动化程度和使用的要求，主要有手动夹具和气动夹具两种，根据控制方式的不同，气动夹具又可分为气控、电控两种形式。一般情况下，焊装夹具由定位元件、夹紧元件及支撑机构等部分组成。 二、传输装置

传输装置在车身生产线中负责各组合部件的对接，是实现大规模生产的必不可少的设备。传输装置的种类很多，根据车间情况可以采取不同的方式。大致可以分为：空中运输式如连续式悬挂链、用于间歇生产的自行葫芦悬挂线等；地面运输式如地面链、板式链等；机器手等。由于传输装置在生产中的重要作用，它

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的工作效率直接影响着整个生产线。因此，传输装置自动化程度将直接代表着整个焊装线的自动化程度。 三、焊接设备

焊接设备主要负责对整个车身覆盖件进行分块连接的作用。目前，汽车生产过程中所使用的焊接设备主要包括点焊焊枪，凸焊设备，缝焊设备等。就整个汽车车身焊装线而言，它大体包括车身侧围总成线、车身门盖总成线、底板总成线、车身焊装主线等。其中每部分又有相应的主线、子线、左右对称线和独立岛。根据生产节拍、自动化程度及生产方式等的不同，每条线又分为若干个工位；各工位间通过传输装置连为一体，每工位负责完成一部分工作。

其中，电阻焊是国内车身焊接所采用的主要的焊接方式。电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法。在车身焊接生产中大量采用了电阻点焊，焊点数多达数千个。

图2-6为车间中汽车车身焊接生产线实景。

图2-6 汽车车身焊接生产线实景

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2.3 基于Solidworks创建简化三维实体模型

2.3.1 运动自由度的确定

本产品为5自由度全关节式焊接机器人，其5个自由度分别为： 1、腰部的周转运动 2、大臂的摆动 3、前臂的摆动 4、转动手腕的周转运动 5、摆动手腕的摆动

2.3.2 运动件基本尺寸的初定

结合汽车车身的外形尺寸以及焊接生产线的安装要求，初定焊接机器人的底座、腰部、大臂、前臂、转动手腕、摆动手腕、C型焊钳的基本外形尺寸和几何特征。尺寸确定的关键是比例协调，结构稳定；几何特征则是在满足基本尺寸要求的前提下，尽量有整体感和细节感，使焊接机器人的外观进一步美化。

2.3.3 零件的创建以及装配

根据上节所述原则和要求，开始SolidWorks三维建模。由于建模是为了之后的ADAMS运动仿真做准备，故在零件细节方面，可以忽略不参与构成自由度的部件的建模，如轴、轴承、电机、传动机构等。因此，关于零件的建模，需要建立如下几个主要构件的模型：底座、大臂、前臂、转动手腕、摆动手腕、C型焊钳、汽车车壳。

完成零件的建模后，对零件进行装配。整个建模过程如图2-7展示。

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图2-7 简化模型的三维建模及其装配

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2.4 对简化模型的ADAMS运动仿真

图2-8 ADAMS/View的开始界面

利用SOLIDWORKS三维建模软件对汽车车身焊接机器人进行三维实体建模，将模型导入ADAMS/View 环境下，实现了焊接机器人在ADAMS/View 环境下的机械臂工作位仿真，通过仿真分析，主要达到了如下所述目标：

1、验证设计方案的可行性。 2、确定主要机械臂的合理尺寸。 3、电机型号选取。

4、汽车车身焊接生产线动画展示。 5、各机械臂链接处受力情况曲线。 6、各机械臂质心运动参数变化曲线。

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2.4.1将SolidWorks创建的简化三维实体模型导入ADAMS

实施步骤如下所述：

1、另存为Parasolid格式，名称及路径都需为非中文。

图2-9 Solidworks中另存为Parasolid格式，后缀为.x_t

2、打开adams/view，选import a file，接下来在弹出的对话框里在file type处选择Parasolid开头的一项，在file to read里双击，选择第一步输出的文件，在model name里右键，依次选择MODEL，create，点击ok。

2.4.2对每一个运动副添加约束和电机

一、对运动副添加JOINT约束。仿真示例中有两个工作位，共有10个旋转自由度，故需要添加10个JOINT约束。如图2-11所示。

图2-10 导入ADAMS中的三维模型，添加约束和驱动

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图2-11 添加的约束及构成约束的各构件

二、在每个JOINT约束上添加MOTION转动电机。共需添加10个MOTION如图2-12所示。

图2-12 添加的10个MOTION

三、在ADAMS中添加约束和电机结束后，运行模型检查工具，如图2-13，2-14。

图2-13 对模型进行检查确认

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图2-14 模型及其约束方程统计

可知模型中存在15个运动部件，10个旋转运动副，5个固定副，10个电机，并且没有冗余约束方程存在，建模成功。

2.4.3设计修改Motion的角位移函数

一、分别对MOTION1~MOTION10设计编写驱动函数，以达到预期的工作位运动要求。如图2-15所示。

图2-15 对Motion1进行角位移驱动函数的编辑

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图2-16 Motion的驱动函数编辑器窗口

二、进行多次测试和修改，最终确定10个电机的角位移驱动函数，如下所示：

① ADAMS中Motion1的角位移驱动函数: 20*2*PI/360*SIN( 2*PI/5*time ) 对应函数：

??20?2??sin(0.4??t) 360 （2-1）

（1-1）其实现的函数意义为：电机轴的角位移以函数规律进行运动。其周期为5s，幅值为20°，整个函数表示在Motion1的角位移在5s内进行以正弦规律变化。函数图形可以通过对Motion1进行角位移的测量而得到。

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图2-17 Motion1的角位移驱动函数 ② ADAMS中Motion2的角位移驱动函数: if(MOD(time,10):0,0,

if(MOD(time,10)-2:30*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),29*2*PI/360, if(MOD(time,10)-3:-8*2*PI/360*sin(PI*MOD(time,10)-2*PI)+29*2*PI/360, 29*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-5:30*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),0,0))))

2????t) ; t?(0,2s)?30?360?sin(0.2?2?2?????-8??sin(??t-2?)?29?;t?(2s,3s)360360对应函数： （2-2） ?2??30??sin(0.2??t);t?(2s,3s)?360? 18

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③ ADAMS中Motion3的角位移驱动函数: if(MOD(time,10):0,0,

if(MOD(time,10)-1:-200*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),-117*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-2:-117*2*PI/360,-117*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-3:-8*2*PI/360*sin(PI*MOD(time,10)-2*PI)-117*2*PI/360,-117*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-4:-117*2*PI/360,-117*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-5:-200*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),0,0))))))

图2-18 Motion2的角位移驱动函数

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2??-200??sin(0.2??t) ; t?(0,1s)?360??-117?2?; t?(1s,2s)?360?2?2?????-8??sin(??t-2?)?117?;t?(2s,3s)对应函数： 360360?2??-117?;t?(3s,4s)?360??-200?2??sin(0.2??t) ; ?360? （2-3）

图2-19 Motion3的角位移驱动函数

④ ADAMS中Motion4的角位移驱动函数: -30*2*PI/360*SIN( 2*PI/5*time )

2????30??sin(0.4??t) 对应函数：（2-4）

360 20

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图2-20 Motion4的角位移驱动函数

⑤ ADAMS中Motion5的角位移驱动函数: if(MOD(time,10):0,0,

if(MOD(time,10)-2:-35*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),-33*2*PI/360, if(MOD(time,10)-3:20*2*PI/360*sin(PI*MOD(time,10)-2*PI)-33*2*PI/360,-33*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-5:-29*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),0,0))))

2????t) ; t?(0,2s)?-35?360?sin(0.2?2?2?????20??sin(??t-2?)?33?;t?(2s,3s)360360对应函数： （2-5） ?2????t) ;t?(3s,5s) ?-29?360?sin(0.2? 21

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图2-21 Motion5的角位移驱动函数

⑥ ADAMS中Motion6的角位移驱动函数: 20*2*PI/360*SIN( 2*PI/10*time )

2??sin(0.2??t) 对应函数：??20?360

（2-6）

图2-22 Motion6的角位移驱动函数

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⑦ ADAMS中Motion7的角位移驱动函数: if(MOD(time,10):0,0,

if(MOD(time,10)-1:-209*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),-123*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-2:-123*2*PI/360,-123*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-3:-5*2*PI/360*sin(PI*MOD(time,10)-2*PI)-123*2*PI/360,-123*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-4:-123*2*PI/360,-123*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-5:-209*2*PI/360*sin(0.2*PI*MOD(time,10)),0,0))))))

2??-209??sin(0.2??t) ; t?(0,1s)?360??-123?2?; t?(1s,2s)?360?2?2?????-5??sin(??t-2?)?123?;t?(2s,3s)360360?对应函数： （2-7） 2???-123?360;t?(3s,4s)??-209?2??sin(0.2??t) ; ?360?

图2-23 Motion7的角位移驱动函数

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⑧ ADAMS中Motion8的角位移驱动函数: if(MOD(time,10):0,0, if(MOD(time,10)-0.5:0,0,

if(MOD(time,10)-2:-110*2*PI/360*sin(2*PI/6*MOD(time,10)-PI/6),-110*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-3:-8*2*PI/360*sin(PI*MOD(time,10)-2*PI)-110*2*PI/360,-110*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-4.5:-110*2*PI/360*cos(2*PI/6*MOD(time,10)-PI),0, if(MOD(time,10)-5:0,0,0))))))

?0 ; t?(0,0.5s)??-110?2??sin(2??t-?); t?(1.5s,2s)36066??2?2?????-8??sin(??t-2?)?110?;t?(2s,3s)360360?对应函数： （2-8） 2?2???-110?360?cos(6?t-?);t?(3s,4.5s)???0 ;t?(4.5s,5s)

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图2-24 Motion8的角位移驱动函数

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⑨ ADAMS中Motion9的角位移驱动函数:

if(MOD(time,10):0,0, if(MOD(time,10)-2.2:0,0,

if(MOD(time,10)-2.5:180*2*PI/360*sin(2*PI/1.2*MOD(time,10)-4.4*PI/1.2),180*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-4:180*2*PI/360,180*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-5:180*2*PI/360*cos(0.5*PI*MOD(time,10)-2*PI),0,0)))))

?0 ; t?(0,2.2s)??180?2??sin(2??t-4.4?); t?(2.2s,2.5s)3601.21.2?????2?对应函数： （2-9） ?180?360;t?(2.5s,4s)??180?2??cos(0.5??t-2?) ;t?(4s,5s) ?360?

图2-25 Motion9的角位移驱动函数

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⑩ ADAMS中Motion10的角位移驱动函数: if(MOD(time,10):0,0, if(MOD(time,10)-1:0,0,

if(MOD(time,10)-1.5:45*2*PI/360*sin(PI*MOD(time,10)-PI),45*2*PI/360, if(MOD(time,10)-2:45*2*PI/360,45*2*PI/360,

if(MOD(time,10)-2.5:45*2*PI/360*cos(PI*MOD(time,10)-2*PI),0, if(MOD(time,10)-2.8:0,0,

if(MOD(time,10)-4:75*2*PI/360*sin(2*PI/2.4*MOD(time,10)-5.6*PI/2.4),0, if(MOD(time,10)-5:0,0,0))))))))

?0 ; t?(0,1s)??180?2??sin(2??t-4.4?); t?(1s,1.5s)3601.21.2??2?;t?(1.5s,2s)?45??360????45?2??cos(??t-2?); t?(2s,2.5s)?360?0;t?(2.8s,4s)对应函数： ?2?2??t5.6??75??sin(-) ;t?(4s,5s) ?3602.42.4?（2-10）

图2-26 Motion10的角位移驱动函数

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2.4.4对各个铰链进行力和扭矩的测量

对各个铰链Joint3~Joint7进行受力和扭矩的测量。由于各部件为简化模型，整个模型中不存在轴、键、齿轮等传动构件，故针对Joint铰链的力和扭矩的测量曲线只能反映此模型中力和扭矩的大致变化趋势，而不能作为实际受力情况。尽管如此，测量还是很有意义的，它可以反映各主要运动件之间的受力变化趋势，为模型的优化和选材以及控制编程具有积极的指导意义。 1、链接底座和腰部的Joint3的受力和扭矩变化曲线如下所示：

图2-27 链接底座和腰部的Joint3的受力和扭矩变化曲线 2、链接腰部和大臂的Joint4的受力和扭矩变化曲线如下所示：

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图2-28 链接腰部和大臂的Joint4的受力和扭矩变化曲线

3、链接大臂和前臂的Joint5的受力和扭矩变化曲线如下所示：

图2-29 链接大臂和前臂的Joint5的受力和扭矩变化曲线

4、链接前臂和转动手腕的Joint6的受力和扭矩变化曲线如下所示：

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图2-30 链接前臂和转动手腕的Joint6的受力和扭矩变化曲线

5、链接转动手腕和摆动手腕的Joint7的受力和扭矩变化曲线如下所示：

图

2-31 链接转动手腕和摆动手腕的Joint7的受力和扭矩变化曲线

2.4.5各运动件绝对运动量的测定

进入ADAMS的Plotting功能（图2-32）

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图2-32 绘制曲线功能按钮

可以对已进行的仿真的各构件的运动量进行图形曲线绘制。以下分别为示例点焊机器人1的各运动件的质心运动参数变化曲线。【注：这些测量都是相对于绝对坐标系（大地）进行的】 ? 腰部Ab1：

① 位移和角位移：

图2-33 腰部的位移和角位移

② 速度和角速度：

图2-34 腰部的速度和角速度 ③ 加速度和角加速度：

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