2.1　焊接機器人本體結構的基本形式

2.1.1　焊接機器人的組成與分類

焊接機器人按坐標形式可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和關節型4種。

1.直角坐標型機器人

直角坐標機器人是指在工業應用中，能夠實現自動控制、可重復編程、多功能、多自由度運動，且運動自由度之間成空間直角關系的多用途操作機，如圖2-1所示。為了降低直角坐標機器人的成本，縮短產品的研發周期，增加產品的可靠性、提高產品性能，大多數直角坐標機器人已實現模塊化，線性模組則是模塊化的典型產品，如圖2-2所示。線性模組通常由下列部分組成。

①模組底座：軌道的安裝支撐件，不同于一般鋁型材，必須保證足夠精度的直線度、平面度。

②運動軌道：安裝在模組底座上，直接支撐運動的滑塊。一件底座上可以安裝一根運動軌道，也可以安裝多根運動軌道，軌道的特性及數量直接影響線性模組的力學特性。線性模組的運動軌道常用直線滾動導軌和直線圓柱導軌。

③運動滑塊：由負載安裝板、軸承架、滾輪組（滾珠組）、除塵刷、潤滑腔、密封蓋等組成。運動滑塊與軌道通過滾輪或滾珠耦合在一起，實現運動的導向。

④傳動元件：通用的傳動元件有同步帶、齒形帶、滾珠絲杠、精密齒條、直線電動機等。

⑤軸承及軸承座：用于安裝傳動元件及驅動元件。

為實現精確的運動定位，線性模組常用交流/直流伺服電動機驅動系統、步進電動機驅動系統、直線伺服電動機/直線步進電動機驅動系統。在要求高動態，高速運行狀態、大功率驅動等場合多用交流/直流伺服電動機系統；在要求低動態，低速運行狀態、小功率驅動等場合可用步進電動機系統作為驅動；而在要求極高動態，高速運行狀態、高定位精度等場合才會用到直線伺服系統驅動。

2.圓柱坐標型機器人

圓柱坐標型機器人（見圖2-3）有2個移動關節和1個轉動關節，工作范圍為一個帶缺口的圓柱環狀體。具有結構簡單、占地面積小、位置精度高、運動直觀、控制方便、價格低廉等特點，但不能抓取靠近立柱或地面上的物體。

3.球（極）坐標型機器人

球（極）坐標型機器人具有1個移動關節和2個轉動關節，其工作范圍為球缺形狀。如圖2-4所示。

4.關節型機器人

關節型機器人也稱關節手臂機器人或關節機械手臂，是當今工業領域中最常見的工業機器人的形態之一，適用于裝配、噴漆、搬運、焊接等諸多工業領域的機械自動化作業。

按照關節型機器人的工作性質可分為搬運機器人、點焊機器人、弧焊機器人、噴漆機器人和激光切割機器人等等。按照關節型機器人的構造可以分為平面關節機器人（見圖2-5）、托盤關節機器人（見圖2-6）和五、六軸關節機器人。

五、六軸關節機器人常用于機床上下料、噴漆、焊接、裝配、鑄鍛造等行業領域；托盤關節機器人一般有兩個或四個旋轉軸，以及機械抓手的定位鎖緊裝置，常用于裝貨卸貨、包裝、特種搬運和托盤運輸等領域；平面關節機器人有三個互相平行的旋轉軸和一個線性軸，主要用于平面的焊接、包裝、固定、涂層、噴漆、黏結、封裝、特種搬運、裝配等工作。

2.1.2　機械本體的組成及功能

機械本體是工業機器人為完成各種運動的機械部件，由骨骼（桿件）和連接它們的關節（運動副）構成，具有多個自由度，主要包括腕部、臂部、肘部和腰部等部件。如圖2-7所示。

1.腕部結構

工業機器人的腕部是連接手部（末端執行器）和小臂的部件，起安裝和支承焊槍、噴槍、電鉆、螺釘（母）擰緊器等專用工具的作用。焊接機器人一般需要具有六個自由度（六軸）才能使手部（末端執行器）達到目標位置和處于期望的姿態。腕部的三個自由度（J4/J5/J6）主要用于實現所期望的姿態，為使手部能處于空間任意位置，要求腕部能夠實現對空間的三個坐標軸的轉動，即具有翻轉、俯仰和偏轉功能。通常把腕部的翻轉稱為Roll，用R表示；手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示；手腕的偏轉為Yaw，用Y表示，三自由度的工業機器人腕部可以同時實現RPY運動。如圖2-8所示。

手腕在空間可具有三個自由度，也可以具備以下單一功能。機器人翻轉關節（R關節）的軸線與手臂的縱軸線共線，翻（回）轉角度不受結構限制，可以回轉360°以上。俯仰關節（P關節）的軸線與小臂和手部（末端執行器）的軸線相互垂直，轉動角度由于受到結構的限制，通常小于360°。偏轉關節（Y關節）軸線與小臂及手部的軸線在另一個方向上相互垂直，轉動角度同樣受到結構的限制而小于360°。

腕部按驅動方式可分成直接驅動手腕和遠距離傳動手腕。直接驅動手腕的驅動源直接安裝在手腕上，制造關鍵是能否設計和加工出尺寸小、重量輕、驅動扭矩大、驅動性能好的驅動裝置，常用諧波減速器。為了保證具有足夠大的驅動力，而驅動裝置又不能做得足夠小，同時又要減輕手腕的重量，通常采用RV減速器遠距離驅動方式，實現三個自由度的運動。

諧波減速器是利用行星齒輪傳動原理發展起來的一種新型減速器，它依靠柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動，是關節型機器人廣泛使用的核心部件。如圖2-9所示。

諧波減速器主要由帶有內齒圈的剛輪（相當于行星系中的中心輪）、帶有外齒圈的柔輪（相當于行星齒輪）和諧波發生器（相當于行星架）三個零件組成。作為減速器使用時，一般采用諧波發生器輸入、剛輪固定、柔輪輸出的傳動形式。諧波發生器裝有滾動軸承構成滾輪，與柔輪內壁相互壓緊。柔輪為可產生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內孔直徑略小于諧波發生器的總長。諧波發生器是使柔輪產生可控彈性變形的構件。當諧波發生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪上的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒和剛輪上的齒完全脫開。圓周上其他區段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態。當諧波發生器沿一個方向連續轉動時，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入…，周而復始地進行，從而實現柔輪相對剛輪產生與諧波發生器旋轉方向相反的緩慢旋轉。

2.肘部結構

機器人肘部是連接小臂和大臂之間的連接和運動部件，主要功能是調整腕部的姿態和方位。如圖2-10所示。

機器人肘部通常使用RV減速器（見圖2-11），它是在少齒差的行星傳動機構——擺線針輪行星齒輪傳動基礎上發展出來的一種全新的傳動方式，具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一系列優點。RV減速器相比于諧波減速器具有更高的剛度和回轉精度，在關節型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。

RV減速器比諧波傳動具有高得多的疲勞強度、剛度和壽命，而且運動精度穩定，不像諧波傳動會隨著使用時間增長運動精度顯著降低。因此，世界上高精度機器人傳動多采用RV減速器，在先進機器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的趨勢。

3.肩部結構

肩部是大臂與基座相連接的轉動關節，可以帶動大臂、小臂、手腕和工件的上下轉動，幅度較大，驅動力矩大，剛度和運動精度的要求高。肩部結構與肘部結構基本相同，其關鍵傳動部件也是采用RV減速器。

有些資料也把肩關節、大臂、肘關節和小臂等統稱為臂部，兩者的區別在于肩部結構特指動力關節，而臂部則包括了連接件和驅動部件。主要用以承受工件或工具的負荷，改變工件或工具的空間位置，并將它們移動到程序指定的位置。

4.腰部機座

機器人腰部包括機座和腰關節，機座是承受機器人全部重量的基礎件，必須有足夠的強度和剛度，一般為鑄鐵或鑄鋼制造，如圖2-12所示。結構尺寸應保證機器人運行時的穩定，并滿足驅動裝置及電纜的安裝需要。腰關節是負載最大的運動軸，要求結構簡單、安裝調整方便，可以承受徑向力、軸向力和傾翻力矩。