焊接机器人的小臂建模

焊接机器人的本体结构系统主要包括底座、平衡缸、臂部、腕部、末端操作器，如图3.1所示。小臂在焊接机器人的的主要作用是执行功能，通过支撑着操作器来改变机器人的空间运动位置。机器人在运动过程中，小臂承受腕部、末端操作器等动、静载荷和力矩，此时小臂会产生产生相应的力或力矩。

所要设计的165 kg焊接机器人是一台典型的六自由度工业机器人，利用SolidWorks所建模型如图3.1。本文中焊接机器人有六个关节组成，其自由度为60主要为了实现所期望的机器人姿态。一般情况下，为了使机器人在空间任意方向运动，要求其能实现x,y,z轴的平移和转动。这六个关节全部为旋转关节，但是其中大臂、小臂、腕关节为旋转机构，其余为俯仰运动。本文中机器人负载为165kg，具体关节为基座、回转腰座、机器人大臂、机器人小臂、腕部关节和末端操作器组成。如果焊接机器人在工作中强度不够的话，会使小臂引起变形，从而引起末端操作器无法准确地进行焊接作业，以致无法工作。因此小臂的材料一定要满足工作要求，即刚性要好，这样才能保证焊接机器人的整体稳定性，从而提高其工作精度。 由材料力学知识可知，空心轴的弯曲刚度和扭转刚度都都比实心轴大得多，工字型截面构建的弯曲刚度一般比圆截面构建的大，所以焊接机器人的臂部采用钢管结构，为了增加强度，可以使用肋板等结构。对机器人进行测量，其基本数据如表3.2。

根据小臂的受力特点和其运动要求来建立小臂的结构，设计时必须考虑到手臂的受力情况，即手臂应具有足够的承载能力和刚度。用solidworks画出焊机机器人三维模型，小臂实体建模如图3.2。

焊接机器人小臂结构比较简单，所以可以简化为薄壁圆筒。小臂一端跟大臂连接，运动方式为转动。根据机器人小臂三维模型，及受力特点画出小臂二位模型。机基于165kg工业机器人，小臂的主参数为最大抓重。由于结构的需要，选取手臂长度L ≥ 400mm，钢管的厚度取为8mm 。
小臂受到自身重力以及负载的重力和重力矩的作用。二者可以看做为一个远程力。小臂受力测量结果如表3.3所示。

材料确定后，小臂密度等基本参数已经确定。质量轻量化是优化设计的一个要求，所以小臂在满足实际参数后，使质量最小化，即质量目标函数为公式(3.1)所示。