焊接机械手控制系统设计.docx

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1、附件B：毕业设计（论文）开题报告1、课题的目的及意义由于工作的需要，人们常常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。以电焊为例，高温电弧光产生的紫外线（UVR）和红外线（IFR）对眼及皮肤造成严峻损伤；电弧焊接时，焊条中的焊芯、药皮和金属母材在电弧高温下熔化、蒸发、氧化、凝集，产生大量金属氧化物及其他物质的烟尘，长期吸入可引起焊工尘肺；各种焊件和焊条中均含有数量不等的锦，在通风不良场所如船舱、锅炉或密闭容器内施焊，长期吸入含锌的烟尘可发生锌中毒。因此焊接机械手就在这样诞生了，它代替了工人自动化的完成各种焊接任务，一方面改善了工人劳动条件，另一方面，焊接质量稳

2、定、提高劳动生产率提高。本课题的目的和意义就是设计一台关节型自动焊接机器人来代替工人进行对人体有害的焊接工作，从而改善工人的劳动条件，同时焊接质量也得到了保证，焊接生产率得到大幅度提高。2、国内外讨论现状及讨论背景自从世界上第一台工业机器人UNIMATE2.1 机器人的进展历程于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术进展经受了三个阶段：产中的应用受到很大限制。第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简洁，不具备外界信息的反馈力量，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生图1世界第一台工业机器人UNIMATE其次代是具有感知力量的机器人。这类机器人对外界环境有肯定的感知力量，具备如听觉、视觉

3、、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，敏捷调整工作状态，保证在适应环境的状况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉力量，而且具有独立推断、行动、记忆、推理和决策的力量，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加简单的动作，还具备故障自我诊断及修复力量。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须依据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机掌握技术、人工智能技术以及网络掌握技术的进展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向进展。2.2 机器

4、人的讨论背景据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种形式，即电焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式特地设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用工业机器人装上某种焊接工具而构成的。焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。截止2022年，全世界在役工业机器人约为120.4万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了 60万台以上，成为“机器人王国

5、”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年,全球机器人的数量在快速增加，仅2022年就达15.2万台。据不完全统计，近儿年我们我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40% ,焊接机器人的增长率超过了 60%, 2022年我们我国新增机器人数量超过了 5000台，但仅占亚洲新增数量的6% ,远小于韩国所占的15%,更远小于日本所占的69% o这对于我们我国的经济进展速度以及经济总量来说明显是不匹配的，这说明我们我国制造业的自 图2自动焊接机器人图3索尼公司生产的爱宝机器狗动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我们我

6、国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的进展机遇。一方面，随着技术的进展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断提升，我们我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力，这一切预示着机器人应用及进展前景空间巨大。2.3 焊接机器人的国内外讨论现状机器人技术是综合了计算机、掌握论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的讨论非常活跃。我们我国有组织有方案地进展机器人事业.应当说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863方案”开头的。经

7、过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人（水下、爬壁、管道、遥控等机器人），已把握了机器人的设计制造技术，解决了掌握、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术;还把握了自动化喷漆线、弧焊自动线（工作站）及其周边配套设施的全线自动通信、协调掌握技术。现在，我们我国从事机器人研发的单位有200多家，专业从事机器人产业开发的企业有50家以上。“九五”期间，我国“863”高技术方案己将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、啥尔滨博实自动化设施有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、

8、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设施有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组台机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接讨论所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上。此外，一些科研院所和高校也均在进行机器人技术及应用项日方面的研发工作。近几年，我们我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。我们我国机器人技术主题进展的战略目标是：依据21世纪初我们我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术进展方向创新性地讨论和开发工业机器人技术领域的基

9、础技术、产品技术和系统技术。将来工业机器人技术进展的重点有：第一，危急、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人：其次，医用机器人：主要有脑外科手术帮助机器人，遥控操作帮助正骨等；第三，仿生气器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其进展趋势是智能化、低成本、离牢靠性和易于集成。我们我国的机器人讨论开发与应用已经取得了肯定的成果，但是总的来看，我们我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有肯定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有肯定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我们我国的机器人产业将面临新的进展机遇和

10、来自国外的挑战，因此我们需要自主进展机器人高技术，解决产业化前期的关键技术。乐观推动我们我国的机器人产业化的进程。从目前国内外讨论现状来看，焊接机器人技术讨论主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调掌握技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。2.4 焊接机器人的进展趋势工业机器人技术进展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，其次代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有肯定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的进展，其重点进展领域与技术特点体现在下述方面:机械结构以关节型为主流，80年月创造的适用于装

11、配作业的平面关节型机器人约占总量的1 / 3 （目前世界工业机器人总数约为750000台），90年月初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。应3K（炼钢、炼铁、铸锻）行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。掌握技术大多数采纳32位CPU,掌握轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采纳。协调掌握技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调掌握，正逐步实现多智能体的协调掌握。基于PC的开放式结构掌握系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。驱动技术上世纪.80年月进展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工

12、业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采纳AC伺服驱动的有156种，占93.4%。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。智能化的传感器多有应用在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3%,不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。高速、高精度、多功能化目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16. 5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达1 umo 90年月末的机器人一般都具有两、三种功能。集成化与系统化1998年

13、ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0. 4s,掌握器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的掌握器为世界最小。3总体方案所谓的机械手系统总体方案，包括：系统运动形式及坐标形式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，掌握系统的选择等内容，应依据设计任务和要求提出系统的总体方案，对总体方案进行分析论证，并最终确定总体方案3.1焊接机械手的主要部件本次设计的自动焊接机械手由执行机构、驱动系统、掌握系统、位:fl检测装置等组成。执行机构由手部、手腕、手臂、底座组成，其中手部部分为焊枪焊接过程理

14、想设定”比较器控制器I焊接过程检测系统k图4自动焊接机器人系统3.2确定焊接机械手的坐标形式和自由度图7极坐标机器人图8球面坐标机器人常见的工业机械手依据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机械手；（4）多关节型机机械手。目前，全球现有的工业机器人中有22%为直角坐标机器人，13%为SCARA机器人，4%为圆柱型机器人，而超过60%为关节型机器人，关节结构已遂渐成为工业机器人的通用结构.综合焊接机器人的进展趋势和国内外的讨论现状，本次设计选用6个转动自由度关节型机器人。其中，开链连杆式机器人是现在使用最多的一种

15、，其主体结构的3个自由度腰关节、肩关节、肘关节全部采纳转动关节，手腕上也采纳3个转动关节来确定末端的姿势。由于，关节型机器人模拟动物和人类肢体，甚至是整体而最具有仿生性，也就具有了优于其他类型机器人的动作力量。并且，关节型机器人在相同条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和肯定空间。其中，开链连杆式机器人是现在使用最多的一种，其主体结构的三个自由度腰关节、肩关节、肘关节全部采纳转动关节，手腕上也采纳转动关节来确定末端的姿势，具有优点如下：.结构紧凑，工作范围大而安装占地小。.具有很高的可达性。可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标型的机器人就不行。 .由于没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节简洁密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，牢靠性好。 .所需关节驱动力矩小，能量消耗少。3.3驱动方式的选择依据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类