焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-開(kāi)題報(bào)告

1、<p><b>　　附件B：</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告</p><p>　　1、課題的目的及意義</p><p>　　由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。以電焊為例, 高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線(UVR)和紅外線(IFR)對(duì)眼及皮膚造成嚴(yán)重?fù)p傷；電

2、弧焊接時(shí)，焊條中的焊芯、藥皮和金屬母材在電弧高溫下熔化、蒸發(fā)、氧化、凝集，產(chǎn)生大量金屬氧化物及其他物質(zhì)的煙塵，長(zhǎng)期吸入可引起焊工塵肺；各種焊件和焊條中均含有數(shù)量不等的錳，在通風(fēng)不良場(chǎng)所如船艙、鍋爐或密閉容器內(nèi)施焊，長(zhǎng)期吸入含錳的煙塵可發(fā)生錳中毒。因此焊接機(jī)械手就在這樣誕生了,它代替了工人自動(dòng)化的完成各種焊接任務(wù)，一方面改善了工人勞動(dòng)條件，另一方面，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率提高[8]。本課題的目的和意義就是設(shè)計(jì)一臺(tái)關(guān)節(jié)型自動(dòng)焊接機(jī)器人

3、來(lái)代替工人進(jìn)行對(duì)人體有害的焊接工作，從而改善工人的勞動(dòng)條件，同時(shí)焊接質(zhì)量也得到了保證，焊接生產(chǎn)率得到大幅度提高。</p><p>　　2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究背景 </p><p>　　2.1 機(jī)器人的發(fā)展歷程</p><p>　　自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE 于1959 年在美國(guó)誕生以來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：</p>

4、<p>　　第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人。這類機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，不具備外界信息的反饋能力，難以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到很大限制。 </p><p>　　圖1 世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE</p><p>　　第二代是具有感知能力的機(jī)器人。這類機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等功能，工作時(shí)借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，

5、保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。</p><p>　　第三代是智能型機(jī)器人。這類機(jī)器人不但具有感覺(jué)能力，而且具有獨(dú)立判斷、行動(dòng)、記憶、推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對(duì)象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復(fù)雜的動(dòng)作，還具備故障自我診斷及修復(fù)能力。</p><p>　　焊接機(jī)器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。早期的焊接機(jī)器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)

6、置，工作時(shí)存在明顯的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人也由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展[6]。</p><p>　　2.2 機(jī)器人的研究背景</p><p>　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種形式，即電焊和

7、電弧焊。我們所說(shuō)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專門(mén)設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。</p><p>　　焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。截止2009年，全世界在役工業(yè)機(jī)器人約為120.4 萬(wàn)臺(tái)，其中日

8、本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了 60萬(wàn)臺(tái)以上，成為“機(jī)器人王國(guó)”，其次是美國(guó)和德國(guó)；在亞洲，日本、韓國(guó)和新加坡的制造業(yè)中每萬(wàn)名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增加，僅 2009 年就達(dá) 15.2 萬(wàn)臺(tái)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均年增長(zhǎng)率都超過(guò) 40% ， 焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過(guò)了60%，2009年我國(guó)新增機(jī)器人數(shù)量超過(guò)了5000臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6% ，遠(yuǎn)小于韓國(guó)

9、所占的 15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的 69% 。這對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來(lái)說(shuō)顯然是不匹配的，這說(shuō)明我國(guó)制造業(yè)的自 圖2 自動(dòng)焊接機(jī)器人 圖3 索尼公司生產(chǎn)的愛(ài)寶機(jī)器狗 動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自</p><p>　　動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制[4]。</p><p>

10、;　　當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。</p><p>　　2.3 焊接機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感

11、技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，當(dāng)前對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍。我國(guó)有組織有計(jì)劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)．應(yīng)該說(shuō)是從“七五”期間的科技攻關(guān)及實(shí)施“863計(jì)劃”開(kāi)始的。經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)的研制、生產(chǎn)、和應(yīng)用，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前在一些方面，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人)，已掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置、軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)；

12、還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)。</p><p>　　現(xiàn)在，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)的單位有200多家，專業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的企業(yè)有50家以上?！熬盼濉逼陂g，國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃己將沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司、啥爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團(tuán)涂裝技術(shù)開(kāi)發(fā)中心、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所、上海機(jī)電一體工程有限公司、四川綿陽(yáng)四維焊接自動(dòng)化設(shè)備有限公司等

13、確立為智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組臺(tái)機(jī)床所、上海富安工廠自動(dòng)化公司、東風(fēng)汽車(chē)公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位，也都憑借自己開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的特色機(jī)器人或應(yīng)用工程項(xiàng)目活躍在當(dāng)今國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)上。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)日方面的研發(fā)工作。近幾年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已突破十億元。</p><p>　　我國(guó)機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展的戰(zhàn)

14、略目標(biāo)是：根據(jù)2l世紀(jì)初我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)先進(jìn)制造及自動(dòng)化技術(shù)的需求，瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來(lái)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)有：第一，危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境作業(yè)機(jī)器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測(cè)、油汽管道等機(jī)器人：第二，醫(yī)用機(jī)器人：主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機(jī)器人：主要有移動(dòng)機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。其發(fā)展趨勢(shì)是智能化、低成本、離可靠性和

15、易于集成。</p><p>　　我國(guó)的機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是總的來(lái)看，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外的相比還有一定的距離，無(wú)論從機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都有一定的差距。進(jìn)入新世紀(jì)以后，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)機(jī)器人的需求越來(lái)越大，我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來(lái)自國(guó)外的挑戰(zhàn)，因此我們需要自主發(fā)展機(jī)器人高技術(shù)，解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)。積極推進(jìn)我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。從目

16、前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。</p><p>　　2.4 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)[5]</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ)上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器

17、人已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面：</p><p><b>　　機(jī)械結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的l／3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約為750000臺(tái))，90年代初開(kāi)發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大

18、量用于焊接和上、下料。 應(yīng)3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車(chē)、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。</p><p><b>　　控制技術(shù)</b></p><p>　　大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達(dá)27軸，NC技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制?；赑C的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由

19、于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)技術(shù)</b></p><p>　　上世紀(jì).80年代發(fā)展起來(lái)的AC伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。日本23家機(jī)器人公司于1998年生產(chǎn)的167種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采用AC伺服驅(qū)動(dòng)的有156種，占93.4％。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人中。</p><p

20、>　　智能化的傳感器多有應(yīng)用</p><p>　　在上述167種機(jī)型中，裝有視覺(jué)傳感器的有94種，占56.3％，不少機(jī)器人裝有兩種傳感器，有些機(jī)器人留下了多種傳感器接口。</p><p>　　高速、高精度、多功能化</p><p>　　目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16.5m/s;高精度機(jī)器人的位置重復(fù)性為正負(fù)0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，

21、其最大合成速度達(dá)80m/s;而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá)l um。90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能。</p><p><b>　　集成化與系統(tǒng)化</b></p><p>　　1998年ABB公司推出IRbl400系列小機(jī)器人，其循環(huán)時(shí)間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。FANUC公司

22、2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。</p><p><b>　　3 總體方案</b></p><p>　　所謂的機(jī)械手系統(tǒng)總體方案，包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式及坐標(biāo)形式的確定， 伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，控制系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對(duì)總體方案進(jìn)行分析論證，并最終確定總體方案</p><p>

23、;　　3.1 焊接機(jī)械手的主要部件</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位置檢測(cè)裝置等組成。</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部、手腕、手臂、底座組成，其中手部部分為焊槍[7]。</p><p>　　圖4 自動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)</p><p>　　3.2 確定焊接機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度</p

24、><p>　　圖5 直角坐標(biāo)機(jī)器人 圖6 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 圖7 極坐標(biāo)機(jī)器人 圖8 球面坐標(biāo)機(jī)器人 常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)

25、多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手[9]。</p><p>　　目前，全球現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人中有22％為直角坐標(biāo)機(jī)器人，13％為SCARA機(jī)器人，4％為圓柱型機(jī)器人，而超過(guò)60％為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)已遂漸成為工業(yè)機(jī)器人的通用結(jié)構(gòu)．</p><p>　　綜合焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本次設(shè)計(jì)選用6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人。其中，開(kāi)鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結(jié)構(gòu)的3個(gè)自由度腰關(guān)節(jié)

26、、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕上也采用3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)確定末端的姿態(tài)。</p><p>　　因?yàn)?，關(guān)節(jié)型機(jī)器人模擬動(dòng)物和人類肢體，甚至是整體而最具有仿生性，也就具有了優(yōu)于其他類型機(jī)器人的動(dòng)作能力。并且，關(guān)節(jié)型機(jī)器人在相同條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對(duì)空間和絕對(duì)空間。其中，開(kāi)鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)確定末端

27、的姿態(tài)，具有優(yōu)點(diǎn)如下：</p><p>　　.結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。</p><p>　　.具有很高的可達(dá)性?？梢允蛊涫植窟M(jìn)入像汽車(chē)車(chē)身這樣一個(gè)封閉的空間內(nèi)</p><p>　　進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機(jī)器人就不行。</p><p>　　.因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，

28、慣量小，可靠性好。</p><p>　　.所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗少[10]。</p><p>　　3.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇</p><p>　　根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類[2]。</p><p>　　. 液壓機(jī)器人:輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。</p><p>　　

29、.氣壓機(jī)器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。</p><p>　　但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。</p><p>　　.電動(dòng)式機(jī)器人:電力驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)</p><p>　　是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)，傳遞，處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。由

30、于電機(jī)速度高，通常還須采用減速機(jī)構(gòu)(如諧波減速器、輪系減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機(jī)構(gòu))。目前也有一些用特制電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高控制精度。</p><p>　　.機(jī)械式機(jī)器人:工作可靠，動(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但動(dòng)作固定不</p><p><b>　　可變。</b></p><p>　　關(guān)節(jié)型球坐標(biāo)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分為直接驅(qū)動(dòng)方

31、式和平行連桿驅(qū)動(dòng)方式。其中，液壓，氣動(dòng)等方式會(huì)造成機(jī)構(gòu)本體機(jī)構(gòu)龐大，占地面積大燈缺點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接機(jī)械手采用電動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)方式，選用目前主流的交流伺服電動(dòng)機(jī)，使用方便，易于控制。</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)的選擇</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接機(jī)械手為第一代機(jī)器人，主要以“示教—再現(xiàn)”工作方式，控制方式選用可編程邏輯控制器PLC控制；</p>&

32、lt;p>　　3.5 位置檢測(cè)裝置</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接機(jī)械手需具備完整的內(nèi)部傳感器，用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制提供反饋信息。本次轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用常用的光電碼盤(pán)（既可以用于角度檢測(cè)又可以用于速度檢測(cè)）做為內(nèi)部傳感器。 </p><p>　　圖9 光電編碼盤(pán) 圖10 光電編碼器工作原理</p><p>　　3

33、.6 整體方案三位模型圖（圖11）</p><p>　　4、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑</p><p>　　4、1 課題任務(wù):</p><p>　　1、根據(jù)焊接機(jī)械手的要求，查找國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀和資料，并完成總體方案的設(shè)計(jì)；</p><p>　　2、根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求，完成焊接機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳動(dòng)方案及傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

34、；</p><p>　　3、利用繪圖軟件完成控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)與繪制，并編制PLC控制程序； 圖11 整體方案三維模型</p><p>　　4、熟悉Altium Designer等電路設(shè)計(jì)軟件，利用相關(guān)軟件完成焊接機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)電路圖和接線圖設(shè)計(jì)；</p><p>　　5、研究國(guó)內(nèi)外機(jī)器人編程技術(shù)，掌握機(jī)器人

35、示教系統(tǒng)組成、示教內(nèi)容、示教方法及程序分析；</p><p>　　6、以發(fā)那科機(jī)器人操作系統(tǒng)為案例，掌握其指令的使用方法,做出其直線、圓弧、擺動(dòng)作業(yè)程序，并完成典型零件焊接操作程序編制。</p><p>　　7、用UG5.0建立全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)三維模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。</p><p>　　8、根據(jù)仿真后的結(jié)果，進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，測(cè)試并校核真實(shí)情況下的強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)

36、能否達(dá)到要求。</p><p>　　4.2重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容：</p><p>　　重點(diǎn)完成焊接機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　根據(jù)焊接機(jī)器人的工作對(duì)象、焊接任務(wù)及性能要求，參考國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人的先進(jìn)機(jī)型，手腕傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方案有多種，常用的傳動(dòng)方案如圖2．5所示。</p><p>　　方案一：如圖2．5(a)所

37、示，手腕偏擺(θ4)、俯仰(θ5)和翻滾(θ6)軸采用分離</p><p>　　傳動(dòng)，手腕偏擺(θ4)和俯仰(θ5)軸是采用交流伺服電機(jī)經(jīng)同步帶減速后，又經(jīng)諧波減速器減速來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，手腕翻滾(θ6)軸是經(jīng)諧波減速器減速后，由交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　方案二：如圖2．5(b)所示，手腕偏擺(θ4)、俯仰(θ5)和翻滾(θ6)軸采用同軸線布置的套筒及錐齒輪傳動(dòng)，三個(gè)驅(qū)

38、動(dòng)軸內(nèi)外互相嵌套在同一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上，最外面的轉(zhuǎn)動(dòng)軸套直接驅(qū)動(dòng)整個(gè)手腕的偏擺，中間的軸套驅(qū)動(dòng)手腕俯仰，中心軸驅(qū)動(dòng)手腕的第三個(gè)關(guān)節(jié)翻滾。</p><p>　　在實(shí)現(xiàn)手腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式上，兩種方案都是可行的。方案一的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)現(xiàn)象，密封元件在手腕的軸向布置，易于實(shí)現(xiàn)防爆密封設(shè)計(jì)。方案二的主要特點(diǎn)是可把尺寸、重量都較大的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)放在遠(yuǎn)離手腕處，有利于減輕手腕的整體質(zhì)量以及改善整機(jī)的平衡，但手

39、腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，剛度低，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)之間存在誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。因此，綜合考慮這兩種手腕傳動(dòng)方案后，該焊接機(jī)器人的手腕傳動(dòng)方案選擇圖2．5(a)所示的傳動(dòng)方案[1]。</p><p>　　減速裝置采用諧波減速器,諧波減速器有以下優(yōu)點(diǎn)[3]:</p><p>　　1．承載能力高 諧波傳動(dòng)中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳

40、動(dòng)形式高。 </p><p>　　2．傳動(dòng)比大 單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，可達(dá) i=70～500。 </p><p>　　3．體積小、重量輕。 </p><p>　　4．傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)。 </p><p>　　5．傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，無(wú)噪音，運(yùn)動(dòng)精度高。</p><p>　　4.3 實(shí)現(xiàn)途徑：</p>

41、<p>　　一、在學(xué)校圖書(shū)館查閱相關(guān)資料</p><p>　　通過(guò)書(shū)籍和資料查閱的焊接機(jī)械手的最新動(dòng)向，在參考原來(lái)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的基礎(chǔ)上，加入自己的創(chuàng)新進(jìn)去；通過(guò)參考大量的文獻(xiàn)，掌握課題研究的背景，調(diào)研國(guó)內(nèi)外有關(guān)課題研究方面的現(xiàn)狀、發(fā)展和應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，明確課題研究的目的、意義、任務(wù)及內(nèi)容。</p><p><b>　　二、通過(guò)老師的指

42、導(dǎo)</b></p><p>　　到黃忠全導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室，接受老師的手把手的指導(dǎo)。</p><p>　　三、通過(guò)瀏覽因特網(wǎng)上的相關(guān)資料</p><p>　　網(wǎng)上有很多焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)的指導(dǎo)資料，學(xué)習(xí)和掌握全自動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)手術(shù)的相關(guān)方法和技術(shù)，并結(jié)合課題實(shí)際分析各種相關(guān)方法和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便確定方案和設(shè)計(jì)內(nèi)容。</p><p>　　四、親

43、自參觀企業(yè)在役的機(jī)器人</p><p>　　黃忠全導(dǎo)師4月13日帶領(lǐng)課題組參觀重慶江津長(zhǎng)風(fēng)機(jī)械廠在役的6自由度焊接機(jī)器人。通過(guò)到企業(yè)間參觀學(xué)習(xí)，觀察全自動(dòng)機(jī)械手的外形結(jié)構(gòu)，了解全自動(dòng)機(jī)械手的工作原理，并進(jìn)行分析各運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系；了解全自動(dòng)機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用情況，以便繪制詳細(xì)的機(jī)械臂的原理圖和裝配圖。</p><p><b>　　學(xué)生簽名：</b></p>

44、<p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　6、指導(dǎo)教師意見(jiàn)</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽名： </b></p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　說(shuō)明：</b>&l

45、t;/p><p>　　1、開(kāi)題報(bào)告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)，在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立撰寫(xiě)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)始后兩周內(nèi)完成。</p><p>　　2、本頁(yè)不夠，請(qǐng)加頁(yè)。</p><p><b>　　主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法[J

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