毕业设计（论文）-三自由度焊接机器人设计.docx

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1、毕业设计本科生毕业设计三自由度焊接机器人设计The Design of Three Degree of Freedom Welding Robot学生姓名专业机械设计制造及其自动化学号指导教师分院机电工程分院2018年6月摘 要焊接技术与工业机器人技术已经广泛应用于各行各业，焊接技术是目前应用最广泛的材料连接技术，与机器人技术相结合可运用工业机器人良好的经济型、可靠性、灵活性、智能型、通用性等优良特性来解决焊接技术中存在问题。如工作环境恶劣、焊接过程产生有害气体与弧光对人体造成一定的伤害、焊接过程复杂需要一定的焊接经验、工作强度高、效率低质量差等弊端。所以自动焊接技术取代人工焊接已成为全球工业

2、制造发展的必然趋势。为了应对焊接截面复杂的工件在保证焊接质量的同时保证自动化水平，需要通过两个自由度水平方向的移动来保证焊接速度与机器人的位置。通过绕另一轴方向的转动来保证焊枪与焊缝之间的角度关系；研究一个周期的运动规律将其推广到整个运动过程中的运动规律，进而完成焊接机器人的机构设计、强度校核、最后完成整体设计，使之能顺利完成焊接任务。关键词：机器人设计 机构设计 强度校核运动学ABSTRACTWelding technology and the industrial robot technology has been widely used in all walks of life,the

3、welding technology is cunently the most widely used material connection technology, combinedwith robot technology, industrial robots can be applied to a good economy, reliability, flexibility,excellent features such as intelligence, versatility to solve problems of welding technology. Such as poorwo

4、rking conditions, the harmful gas and arc welding process cause certain harm to human body, the目 录绪 论121.1 工业机器人21.1 .1工业机器人概况21.2 .2工业机器人的分类及系统组成41.3 .3工业机器人的应用51.4 焊接机器人概况发展趋势及意义5121焊接机器人概况5122发展趋势及意义61.5 焊接机器人组成71.6 本课题解决的问题7第二章焊接机器人运动学分析82.1 数学基础其次变换方程82.1.1 其次坐标82.1.2 其次变换82.2 建立变换方程92.2.1 机构运动

5、原理92.2.2 建立运动学模型92.3 运动学分析处理方法112.3.1 替换处理11232衔接处理112.3.3 分析过程112.3.4 函数逆解122.4 求解过程122.4.1 AB 段（过渡段 1） 132.4.2 BC段（波内斜边段）142.4.3 CD 段（过渡段 2） 152.4.4 DE 段（直线段 1） 162.4.5 EF 段（过渡段 3） 162.4.6 FG段（波内斜边段2） 182.4.7 GH 段（过渡段 4） 182.4.8 HI 段（直线段 2） 192.5 本章小结19第三章结构设计213.1 小车行走的结构设计213.1.1 车体结构方案的比较与选择213

6、.1.2 小车驱动电动机功率的确定213.1.3 齿轮、齿条传动的校核233.1.4 结论243.2 摆动关节电机选择24结论25参考文献26致谢27焊接技术在材料连接方面应用广泛，应用于机械制造、航空航天、桥梁建筑、电子产品生产等各个领域，但焊接技术仍然有许多弊端需要解决。焊接环境恶劣、焊接过程产生有害气体和弧光会对焊接工人造成一定的伤害；人工焊接的工艺过程较为复杂、焊接质量不稳定、焊接效率低,而随着焊接技术的发展、焊接要求的提高、高工人成本的提高培养一名焊接工人的成本越来越高。旦在焊接过程中容易出现焊穿、虚焊的情况影响工件的工作性能；人工焊接技术工作强度大，在需要现场作业的大型结构焊接困难

7、，在工人焊接的整个过程中焊工有时需要长时间保证同一姿势进行焊接，明显的增加了焊接工作的工作强度，因此焊接技术急需发展和创新，来改善现有的状况。幸运的是在社会高速发展，经济迅速增长技术的进步，特别是计算机技术和光机电一体化技术等高新技术突飞猛进发展的背景下，促使机器人技术得到了迅猛的发展。为提高人类生活水平与社会生产水平推动了工业机器人技术的发展，让机器人代替人做人难以胜任以及容易对人造成伤害的工作成为可能。工业机器人的发展与应用可以减轻劳动强度、降低人工成本、保证连续生产、改善工作环境，提高了生产效率，提高了产品质量同时保证产品质量的高度一致性等各个方面的改善。由于机器人技术的发展，机器人的生

8、产成本不断降低；各种产品的升级极其迅速对焊接质量的要求也随之增高，传统手工焊接已经难以满足焊接的实际要求；国家发展速度不断提高市场需求不断增长，传统手工焊接难以满足市场需求。因此运用自动化焊接技术来代替人工焊接技术已经是全球工业制造发展的必然趋势。应用工业机器人技术与焊接技术相结合可有效的改善焊接技件软件系统，很好的体现了硬件与软件的相互配合。各种发展方向都有其优势与劣势，适用于不同的发展环境，应针对当时的国情、用户需求以及各方面原因进行综合考虑。进入21世纪之后,由于市场的需求和应用领域不断扩大，机器人产业得到了迅猛的发展。成为了当今世界中发展极快典型重要产业。经权威部门的官方调查统计，现如

9、今全球工业机器人的年均销售增长率以每年9%的速度进行高速增长。如今我国工业机器人发展处于积极进取勇于创新的发展阶段，在精度、效率、质量以及核心技术等方面还有着急需突破的瓶颈，我国工业机器人发展的主要问题还有许多；我国低端的技术水平有待改善，其中控制系统减速机的核心技术仍然不足，不能达到自主掌控的程度；机器人制造主要集中在民营私营企也，缺乏国企的规范化管理导致产业链过于松散从而无法实现集群式发展。经过近年突飞猛进的发展。近几年来由于“中国制造2025”和“工业4.0”的相关政策的提出，极大的推动了工业的发展势头。焊接技术和工业机器人均在工业生产中起到极为重要的作用,在相关政策概念以及市场需求的推

10、动下，焊接机器人技术得到了长足的发展，正向智能化、柔性化、模块化、信息化、高精度高质量的方向发展。中国提出在2020年之前建一个比较完善的工业机器人生产制造的完整体系，现在已经成为工业机器人相关行业发展最快增长最迅速的国家。研究本课题旨在解决焊接截面为折线的波纹板构件进行自动焊接的焊接质量差、焊接过程中焊枪不能随焊缝变化而改变角度的问题，通过运动学知识以及机械结构设计强度校核等相关知识使波纹板焊接实现自动化，已达到改善工作环境，减轻工作强度，提高焊接质量与自动化焊接的目的。第一章焊接机器人1.1 工业机器人焊接机器人是在构件连接中的应用最广泛的机器人，是工业机器人中十分重要的组成部分，在工业生

11、产中有着举足轻重的地位。工业机器人的发展大力的推动了自动焊接技术的发展。1.1.1 工业机器人概况工业机器人的发展大致要经过三个很重要的阶段。分别为第一阶段的示教再现机器人，第二阶段的可利用传感器和离线编程进行使用的机器人，现在这种机器人已经处于应用研究的重要阶段。第三阶段的工业机器人仍然处于研发的过程中，按照设计标准第三代机器人需要拥有更多的传感器来获取外界信息与实际要求相结合进行自动编程，甚至具有学习能力具有很高的智能性和环境适应能力。在国外，西方发达国家美国以及日本在工业机器人研究起步早，198()年机器人的设计制造技术逐渐发展已经趋于成熟，各方面配套产业的迅速发展也进一步推进了机器人技

12、术的成熟，机器人技术正向智能化、精准化、通用化、标准化和系列化等方向发展。世界上第一台工业机器人是在1959年在美国诞生的恩格尔伯格先生手中诞生的，该机器人由Unimation公司生产制造的以示教再现为操作基础的机器人。从此机器人在工业领域的应用犹如井喷不断增长扩张，相关技术也极为迅速的得到完善。工业机器人以它的灵活性、可靠性以及其带来的巨大的经济效益促使人们更加深入的对工业机器人进行研究。同时Unimation公司还把机器人技术思想传到日本和英国,在英国和日本建立了自己的企业，因此英国和日本的工业发展得到了极大的促进作用使其迅猛发展。I960年后，直流伺服驱动与控制技术逐渐成熟，这种技术很快

13、就被普遍应用于机器人，同时随着计算机技术、机械设计制造技术的不断发展，工业机器人逐渐普及。在机器人技术的推动下于1969年在斯坦福大学由维克多沙因曼发明了 6轴的多关节的机械手臂，这条机械手臂可以完成一些比较第杂的工作，比如组装和焊接工作；1973年德国库卡公司自主研发出一台命名为FAMULUS的工业机器人；同年瑞士另一家公司ABB推出了世界第一台全电动微型处理器控制的机器人。在1978年，美国的Unimation公司推出创新性的推出一款机器人，该机器人采用了专用的编程语言并且配备多种不同用途的感器来感知收集外界信息，以便对各种实际情况做出最准确的反应还采用了多个关节利用多CPU分级控制的高自

14、动化工业机器人。该机器人被命名为了命名为PUMA,它标志着工业机器人技术的完全成熟，如图1.1所示为PUMA工业机器人。之后日本山梨大学的教授和学生共同研制出一种应用于垂直方向自动装配的高性能的多关节机器人。之后由于相关行业的发展出现了无刷电机降低了工业机器人维护成本，以及当时各方面原因导致工业机器人的价格下降但是性能却不断提高，也推进了新一代工业机器人的诞生。图1. 1 PUMA工业机器人近年以来工业机器人经过专家、学者、工人等各个方面的共同努力，国际厂商之间的相互合作，各个专业知识的相互结合相互联系取长补短，以及支撑技术的进步，边缘技术的发展共同推毕业设计图1.2库卡TITAN机械臂在国内

15、工业机器人的发展起步比较晚，在核心技术与核心零件的生产和制造上有极大的差距，主要体现在零件加工制造精度不足，关键零件仍需要进口了，这大大增加了工业机器人的研发成本，增加了研发难度。特别是在减速器方面国内至今还没有解决国内制造减速器的容易磨损且精度不高的实际情况。但经过近40年的发展在减速器、伺服系统、控制系统也取得了许多巨大的突破和长足的进步，如今已经可以生产出与国际水平相差不多的精密减速器与伺服系统，控制系统也取得了一定的国际地位。在工业机器人的不断发展的背景下可以一定程度的推动自动焊接技术的进步和发展。也可以更好的解决当前社会生产等各个行业所存在的问题和弊端。1.1.2 工业机器人的分类及系统组成一、分类(1)按工业机器人