2.1　焊接机器人本体结构的基本形式

2.1.1　焊接机器人的组成与分类

焊接机器人按坐标形式可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型4种。

1.直角坐标型机器人

直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制、可重复编程、多功能、多自由度运动，且运动自由度之间成空间直角关系的多用途操作机，如图2-1所示。为了降低直角坐标机器人的成本，缩短产品的研发周期，增加产品的可靠性、提高产品性能，大多数直角坐标机器人已实现模块化，线性模组则是模块化的典型产品，如图2-2所示。线性模组通常由下列部分组成。

①模组底座：轨道的安装支撑件，不同于一般铝型材，必须保证足够精度的直线度、平面度。

②运动轨道：安装在模组底座上，直接支撑运动的滑块。一件底座上可以安装一根运动轨道，也可以安装多根运动轨道，轨道的特性及数量直接影响线性模组的力学特性。线性模组的运动轨道常用直线滚动导轨和直线圆柱导轨。

③运动滑块：由负载安装板、轴承架、滚轮组（滚珠组）、除尘刷、润滑腔、密封盖等组成。运动滑块与轨道通过滚轮或滚珠耦合在一起，实现运动的导向。

④传动元件：通用的传动元件有同步带、齿形带、滚珠丝杠、精密齿条、直线电动机等。

⑤轴承及轴承座：用于安装传动元件及驱动元件。

为实现精确的运动定位，线性模组常用交流/直流伺服电动机驱动系统、步进电动机驱动系统、直线伺服电动机/直线步进电动机驱动系统。在要求高动态，高速运行状态、大功率驱动等场合多用交流/直流伺服电动机系统；在要求低动态，低速运行状态、小功率驱动等场合可用步进电动机系统作为驱动；而在要求极高动态，高速运行状态、高定位精度等场合才会用到直线伺服系统驱动。

2.圆柱坐标型机器人

圆柱坐标型机器人（见图2-3）有2个移动关节和1个转动关节，工作范围为一个带缺口的圆柱环状体。具有结构简单、占地面积小、位置精度高、运动直观、控制方便、价格低廉等特点，但不能抓取靠近立柱或地面上的物体。

3.球（极）坐标型机器人

球（极）坐标型机器人具有1个移动关节和2个转动关节，其工作范围为球缺形状。如图2-4所示。

4.关节型机器人

关节型机器人也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适用于装配、喷漆、搬运、焊接等诸多工业领域的机械自动化作业。

按照关节型机器人的工作性质可分为搬运机器人、点焊机器人、弧焊机器人、喷漆机器人和激光切割机器人等等。按照关节型机器人的构造可以分为平面关节机器人（见图2-5）、托盘关节机器人（见图2-6）和五、六轴关节机器人。

五、六轴关节机器人常用于机床上下料、喷漆、焊接、装配、铸锻造等行业领域；托盘关节机器人一般有两个或四个旋转轴，以及机械抓手的定位锁紧装置，常用于装货卸货、包装、特种搬运和托盘运输等领域；平面关节机器人有三个互相平行的旋转轴和一个线性轴，主要用于平面的焊接、包装、固定、涂层、喷漆、黏结、封装、特种搬运、装配等工作。

2.1.2　机械本体的组成及功能

机械本体是工业机器人为完成各种运动的机械部件，由骨骼（杆件）和连接它们的关节（运动副）构成，具有多个自由度，主要包括腕部、臂部、肘部和腰部等部件。如图2-7所示。

1.腕部结构

工业机器人的腕部是连接手部（末端执行器）和小臂的部件，起安装和支承焊枪、喷枪、电钻、螺钉（母）拧紧器等专用工具的作用。焊接机器人一般需要具有六个自由度（六轴）才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。腕部的三个自由度（J4/J5/J6）主要用于实现所期望的姿态，为使手部能处于空间任意位置，要求腕部能够实现对空间的三个坐标轴的转动，即具有翻转、俯仰和偏转功能。通常把腕部的翻转称为Roll，用R表示；手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示；手腕的偏转为Yaw，用Y表示，三自由度的工业机器人腕部可以同时实现RPY运动。如图2-8所示。

手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单一功能。机器人翻转关节（R关节）的轴线与手臂的纵轴线共线，翻（回）转角度不受结构限制，可以回转360°以上。俯仰关节（P关节）的轴线与小臂和手部（末端执行器）的轴线相互垂直，转动角度由于受到结构的限制，通常小于360°。偏转关节（Y关节）轴线与小臂及手部的轴线在另一个方向上相互垂直，转动角度同样受到结构的限制而小于360°。

腕部按驱动方式可分成直接驱动手腕和远距离传动手腕。直接驱动手腕的驱动源直接安装在手腕上，制造关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻、驱动扭矩大、驱动性能好的驱动装置，常用谐波减速器。为了保证具有足够大的驱动力，而驱动装置又不能做得足够小，同时又要减轻手腕的重量，通常采用RV减速器远距离驱动方式，实现三个自由度的运动。

谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，它依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动，是关节型机器人广泛使用的核心部件。如图2-9所示。

谐波减速器主要由带有内齿圈的刚轮（相当于行星系中的中心轮）、带有外齿圈的柔轮（相当于行星齿轮）和谐波发生器（相当于行星架）三个零件组成。作为减速器使用时，一般采用谐波发生器输入、刚轮固定、柔轮输出的传动形式。谐波发生器装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于谐波发生器的总长。谐波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当谐波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮上的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿和刚轮上的齿完全脱开。圆周上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当谐波发生器沿一个方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入…，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮产生与谐波发生器旋转方向相反的缓慢旋转。

2.肘部结构

机器人肘部是连接小臂和大臂之间的连接和运动部件，主要功能是调整腕部的姿态和方位。如图2-10所示。

机器人肘部通常使用RV减速器（见图2-11），它是在少齿差的行星传动机构——摆线针轮行星齿轮传动基础上发展出来的一种全新的传动方式，具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。RV减速器相比于谐波减速器具有更高的刚度和回转精度，在关节型机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部。

RV减速器比谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且运动精度稳定，不像谐波传动会随着使用时间增长运动精度显著降低。因此，世界上高精度机器人传动多采用RV减速器，在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的趋势。

3.肩部结构

肩部是大臂与基座相连接的转动关节，可以带动大臂、小臂、手腕和工件的上下转动，幅度较大，驱动力矩大，刚度和运动精度的要求高。肩部结构与肘部结构基本相同，其关键传动部件也是采用RV减速器。

有些资料也把肩关节、大臂、肘关节和小臂等统称为臂部，两者的区别在于肩部结构特指动力关节，而臂部则包括了连接件和驱动部件。主要用以承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们移动到程序指定的位置。

4.腰部机座

机器人腰部包括机座和腰关节，机座是承受机器人全部重量的基础件，必须有足够的强度和刚度，一般为铸铁或铸钢制造，如图2-12所示。结构尺寸应保证机器人运行时的稳定，并满足驱动装置及电缆的安装需要。腰关节是负载最大的运动轴，要求结构简单、安装调整方便，可以承受径向力、轴向力和倾翻力矩。