焊接機械手控制系統(tǒng)設計開題報告

《焊接機械手控制系統(tǒng)設計開題報告》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《焊接機械手控制系統(tǒng)設計開題報告（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、附件B： 畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、課題的目的及意義 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，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。以電焊為例, 高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線(UVR)和紅外線(IFR)對眼及皮膚造成嚴重損傷；電弧焊接時，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的煙塵，長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，在通風不良場所如船艙、鍋爐或密閉容器內(nèi)施焊，長期吸入含錳的煙塵可發(fā)生錳中毒。因此焊接機械手就在這樣誕生了,它代替了工人自動化的完成各種焊接任務，一方面改善了工人勞動條件

2、，另一方面，焊接質量穩(wěn)定、提高勞動生產(chǎn)率提高[8]。本課題的目的和意義就是設計一臺關節(jié)型自動焊接機器人來代替工人進行對人體有害的焊接工作，從而改善工人的勞動條件，同時焊接質量也得到了保證，焊接生產(chǎn)率得到大幅度提高。 2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究背景 2.1 機器人的發(fā)展歷程 自從世界上第一臺工業(yè)機器人UNIMATE 于1959 年在美國誕生以來，機器人的應用和技術發(fā)展經(jīng)歷了三個階段： 第一代是示教再現(xiàn)型機器人。這類機器人操作簡單，不具備外界信息的反饋能力，難以適應工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應用受到很大限制。 圖1 世界第一臺工業(yè)機器人UNIMATE 第二代是具有感

3、知能力的機器人。這類機器人對外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。 第三代是智能型機器人。這類機器人不但具有感覺能力，而且具有獨立判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，能適應外部對象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復雜的動作，還具備故障自我診斷及修復能力。 焊接機器人就是在焊接生產(chǎn)領域代替焊工從事焊接任務的工業(yè)機器人。早期的焊接機器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實際作業(yè)條件預先設置，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術、人工智能技術以及網(wǎng)絡控制技術的發(fā)展，焊接機器人也由單一的單機示教再現(xiàn)

4、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]。 2.2 機器人的研究背景 據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領域，焊接機器人應用中最普遍的主要有兩種形式，即電焊和電弧焊。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產(chǎn)領域代替焊工從事焊接任務的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設計的，而大多數(shù)的焊接機器人其實就是通用工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構成的。 焊接機器人具有焊接質量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業(yè)等行業(yè)。截止2009年，全世界在

5、役工業(yè)機器人約為120.4 萬臺，其中日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了 60萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數(shù)量在迅速增加，僅 2009 年就達 15.2 萬臺。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過 40% ， 焊接機器人的增長率超過了60%，2009年我國新增機器人數(shù)量超過了5000臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6% ，遠小于韓國所占的 15%，更遠小于日本所占的 69% 。這對于我國的經(jīng)濟發(fā)展速度以及經(jīng)濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的

6、自 圖2 自動焊接機器人 圖3 索尼公司生產(chǎn)的愛寶機器狗 動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自 動化水平以及工業(yè)機器人應用程度的提高受到限制[4]。 當前焊接機器人的應用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質量和增強企業(yè)競爭力，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大。 2.3 焊接機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人

7、工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，當前對機器人技術的研究十分活躍。我國有組織有計劃地發(fā)展機器人事業(yè)．應該說是從“七五”期間的科技攻關及實施“863計劃”開始的。經(jīng)過十幾年來的研制、生產(chǎn)、和應用，有了長足的進步。目前在一些方面，如噴涂機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人、裝配機器人、特種機器人(水下、爬壁、管道、遙控等機器人)，已掌握了機器人的設計制造技術，解決了控制、驅動系統(tǒng)的設計和配置、軟件的設計和編制等關鍵技術；還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術。 現(xiàn)在，我國從事機器人研發(fā)的單位有200多家，專業(yè)從事機器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有5

8、0家以上。“九五”期間，國家“863”高技術計劃己將沈陽新松機器人自動化股份有限公司、啥爾濱博實自動化設備有限責任公司、一汽集團涂裝技術開發(fā)中心、北京機械工業(yè)自動化所、上海機電一體工程有限公司、四川綿陽四維焊接自動化設備有限公司等確立為智能機器人主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組臺機床所、上海富安工廠自動化公司、東風汽車公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位，也都憑借自己開發(fā)生產(chǎn)的特色機器人或應用工程項目活躍在當今國內(nèi)工業(yè)機器人市場上。此外，一些科研院所和大學也均在進行機器人技術及應用項日方面的研發(fā)工作。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已突破十億元。

9、 我國機器人技術主題發(fā)展的戰(zhàn)略目標是：根據(jù)2l世紀初我國國民經(jīng)濟對先進制造及自動化技術的需求，瞄準國際前沿高技術發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機器人技術領域的基礎技術、產(chǎn)品技術和系統(tǒng)技術。未來工業(yè)機器人技術發(fā)展的重點有：第一，危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機器人：第二，醫(yī)用機器人：主要有腦外科手術輔助機器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機器人：主要有移動機器人，網(wǎng)絡遙控操作機器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、離可靠性和易于集成。 我國的機器人研究開發(fā)與應用已經(jīng)取得了一定的成績，但是總的來看，我國的機器人技術及其工程應用的水平和國外的相比還有一定的

10、距離，無論從機器人的數(shù)量上還是技術上，我們都有一定的差距。進入新世紀以后，國際競爭日益激烈，對機器人的需求越來越大，我國的機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，因此我們需要自主發(fā)展機器人高技術，解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術。積極推進我國的機器人產(chǎn)業(yè)化的進程。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規(guī)劃技術、多機器人協(xié)調(diào)控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。 2.4 焊接機器人的發(fā)展趨勢[5] 工業(yè)機器人技術發(fā)展與應用水乳交融。在第一代工業(yè)機器人普及的基礎上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安

11、裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重。以應用為龍頭拉動工業(yè)機器人技術的發(fā)展，其重點發(fā)展領域與技術特點體現(xiàn)在下述方面： 機械結構 以關節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)型機器人約占總量的l／3(目前世界工業(yè)機器人總數(shù)約為750000臺)，90年代初開發(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節(jié)型機器人大量用于焊接和上、下料。 應3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機器人應運而生。 控制技術 大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達27軸，NC技術和離線編程技術大量采用。協(xié)調(diào)控制技術日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調(diào)控制，正

12、逐步實現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。基于PC的開放式結構控制系統(tǒng)由于成本低并具有標準現(xiàn)場網(wǎng)絡功能，己成為一股潮流。 驅動技術 上世紀.80年代發(fā)展起來的AC伺服驅動已成為主流驅動技術用于工業(yè)機器人中。日本23家機器人公司于1998年生產(chǎn)的167種型號機器人產(chǎn)品，其中采用AC伺服驅動的有156種，占93.4％。直接驅動技術則廣泛用于裝配機器人中。 智能化的傳感器多有應用 在上述167種機型中，裝有視覺傳感器的有94種，占56.3％，不少機器人裝有兩種傳感器，有些機器人留下了多種傳感器接口。 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的裝配機器人最大合成速度為16.5m/s;高精度機器人的位置重復性

13、為正負0.01mm.有一種大直角坐標搬運機器人，其最大合成速度達80m/s;而另一種并聯(lián)機構的NC機器人，其位置重復性達l um。90年代末的機器人一般都具有兩、三種功能。 集成化與系統(tǒng)化 1998年ABB公司推出IRbl400系列小機器人，其循環(huán)時間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。 3 總體方案 所謂的機械手系統(tǒng)總體方案，包括：系統(tǒng)運動形式及坐標形式的確定， 伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，控制系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容，應根據(jù)設計任務和要求提出系統(tǒng)的總體方案

14、，對總體方案進行分析論證，并最終確定總體方案 3.1 焊接機械手的主要部件 本次設計的自動焊接機械手由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位置檢測裝置等組成。 執(zhí)行機構由手部、手腕、手臂、底座組成，其中手部部分為焊槍[7]。 圖4 自動焊接機器人系統(tǒng) 3.2 確定焊接機械手的坐標形式和自由度 圖5 直角坐標機器人 圖6 圓柱坐標機器人 圖7 極坐標機器人 圖8 球面坐標機器人 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式

15、大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節(jié)型機機械手[9]。 目前，全球現(xiàn)有的工業(yè)機器人中有22％為直角坐標機器人，13％為SCARA機器人，4％為圓柱型機器人，而超過60％為關節(jié)型機器人，關節(jié)結構已遂漸成為工業(yè)機器人的通用結構． 綜合焊接機器人的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本次設計選用6個轉動自由度關節(jié)型機器人。其中，開鏈連桿式機器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結構的3個自由度腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)全部采用轉動關節(jié)，手腕上也采用3個轉動關節(jié)來確定末端的姿態(tài)。 因為，關節(jié)型機器人模擬動物和人類肢體，甚至是整體

16、而最具有仿生性，也就具有了優(yōu)于其他類型機器人的動作能力。并且，關節(jié)型機器人在相同條件下比非關節(jié)型機器人具有大得多的相對空間和絕對空間。其中，開鏈連桿式機器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結構的三個自由度腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)全部采用轉動關節(jié)，手腕上也采用轉動關節(jié)來確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點如下： .結構緊湊，工作范圍大而安裝占地小。 .具有很高的可達性?？梢允蛊涫植窟M入像汽車車身這樣一個封閉的空間內(nèi) 進行作業(yè)，而直角坐標型的機器人就不行。 .因為沒有移動關節(jié)，所以不需要導軌。轉動關節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標準件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。 .所需關節(jié)驅動力矩小，能量消耗少[1

17、0]。 3.3 驅動方式的選擇 根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類[2]。 . 液壓機器人:輸出力大，傳動平穩(wěn)。 .氣壓機器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結構簡單，成本低。 但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。 .電動式機器人:電力驅動是目前機器人使用的最多的一種驅動方式，其特點 是電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測，傳遞，處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅動電機一般采用交流伺服電機，直流伺服電機，步進電機。由于電機速度高，通常還須采用減速機構(如諧波減速器、輪系減速機構、滾珠絲杠和多桿機構)。目前也有一些用特制電機直

18、接進行驅動，以簡化機構，提高控制精度。 .機械式機器人:工作可靠，動作頻率高，結構簡單，成本低。但動作固定不 可變。 關節(jié)型球坐標機器人的驅動方式分為直接驅動方式和平行連桿驅動方式。其中，液壓，氣動等方式會造成機構本體機構龐大，占地面積大燈缺點，因此本次設計的自動焊接機械手采用電動直接驅動方式，選用目前主流的交流伺服電動機，使用方便，易于控制。 3.4 控制系統(tǒng)的選擇 本次設計的自動焊接機械手為第一代機器人，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； 3.5 位置檢測裝置 本次設計的自動焊接機械手需具備完整的內(nèi)部傳感器，用于檢測各關節(jié)的位置

19、、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制提供反饋信息。本次轉動機構采用常用的光電碼盤（既可以用于角度檢測又可以用于速度檢測）做為內(nèi)部傳感器。 圖9 光電編碼盤 圖10 光電編碼器工作原理 3.6 整體方案三位模型圖（圖11） 4、課題任務、重點研究內(nèi)容、實現(xiàn)途徑 4、1 課題任務: 1、根據(jù)焊接機械手的要求，查找國內(nèi)外機械手研究現(xiàn)狀和資料，并完成總體方案的設計； 2、根據(jù)機構運動要求，完成焊接機械手轉動機構傳動系統(tǒng)設計，包括傳動方案及傳動系統(tǒng)原理圖； 3、利用繪圖軟件完成控制系統(tǒng)原理圖設計與繪制，并編制PLC控制程序；

20、 圖11 整體方案三維模型 4、熟悉Altium Designer等電路設計軟件，利用相關軟件完成焊接機械手轉動機構控制系統(tǒng)電路圖和接線圖設計； 5、研究國內(nèi)外機器人編程技術，掌握機器人示教系統(tǒng)組成、示教內(nèi)容、示教方法及程序分析； 6、以發(fā)那科機器人操作系統(tǒng)為案例，掌握其指令的使用方法,做出其直線、圓弧、擺動作業(yè)程序，并完成典型零件焊接操作程序編制。 7、用UG5.0建立全自動機械手中“臂”機構三維模型，并進行運動仿真。 8、根據(jù)仿真后的結果，進行具體實驗，測試并校核真實情況下的強度和運動能否達到要求。 4.2重點研究內(nèi)容： 重點完成焊接機械手轉動機構控制系統(tǒng)設計以

21、及傳動系統(tǒng)的設計。 根據(jù)焊接機器人的工作對象、焊接任務及性能要求，參考國內(nèi)外焊接機器人的先進機型，手腕傳動系統(tǒng)的傳動方案有多種，常用的傳動方案如圖2．5所示。 方案一：如圖2．5(a)所示，手腕偏擺(θ4)、俯仰(θ5)和翻滾(θ6)軸采用分離 傳動，手腕偏擺(θ4)和俯仰(θ5)軸是采用交流伺服電機經(jīng)同步帶減速后，又經(jīng)諧波減速器減速來驅動實現(xiàn)的，手腕翻滾(θ6)軸是經(jīng)諧波減速器減速后，由交流伺服電機直接驅動實現(xiàn)的。 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，三個驅動軸內(nèi)外互相嵌套在同一轉動軸線上，最外面的轉動軸套直接

22、驅動整個手腕的偏擺，中間的軸套驅動手腕俯仰，中心軸驅動手腕的第三個關節(jié)翻滾。 在實現(xiàn)手腕關節(jié)旋轉運動方式上，兩種方案都是可行的。方案一的主要特點是結構簡單，沒有關節(jié)運動誘導現(xiàn)象，密封元件在手腕的軸向布置，易于實現(xiàn)防爆密封設計。方案二的主要特點是可把尺寸、重量都較大的伺服驅動系統(tǒng)放在遠離手腕處，有利于減輕手腕的整體質量以及改善整機的平衡，但手腕旋轉關節(jié)傳動鏈長，傳動系統(tǒng)設計復雜，剛度低，關節(jié)運動之間存在誘導運動。因此，綜合考慮這兩種手腕傳動方案后，該焊接機器人的手腕傳動方案選擇圖2．5(a)所示的傳動方案[1]。 減速裝置采用諧波減速器,諧波減速器有以下優(yōu)點[3]: 　1．承載能力高 諧波

23、傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 　2．傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=70～500。 　3．體積小、重量輕。 　4．傳動效率高、壽命長。 　5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。 4.3 實現(xiàn)途徑： 一、在學校圖書館查閱相關資料 通過書籍和資料查閱的焊接機械手的最新動向，在參考原來結構和參數(shù)的基礎上，加入自己的創(chuàng)新進去；通過參考大量的文獻，掌握課題研究的背景，調(diào)研國內(nèi)外有關課題研究方面的現(xiàn)狀、發(fā)展和應用情況，發(fā)現(xiàn)全自動機械手中“臂”機構設計中的問題，明確課題研究的目的

24、、意義、任務及內(nèi)容。 二、通過老師的指導 到黃忠全導師實驗室，接受老師的手把手的指導。 三、通過瀏覽因特網(wǎng)上的相關資料 網(wǎng)上有很多焊接機械手設計的指導資料，學習和掌握全自動機械手實現(xiàn)手術的相關方法和技術，并結合課題實際分析各種相關方法和技術的優(yōu)缺點，以便確定方案和設計內(nèi)容。 四、親自參觀企業(yè)在役的機器人 黃忠全導師4月13日帶領課題組參觀重慶江津長風機械廠在役的6自由度焊接機器人。通過到企業(yè)間參觀學習，觀察全自動機械手的外形結構，了解全自動機械手的工作原理，并進行分析各運動之間的關系；了解全自動機械手的實際應用情況，以便繪制詳細的機械臂的原理圖和裝配圖。 5、進度計劃 序號

25、 起止周次 工 作 內(nèi) 容 1 5周至6 周 調(diào)研，資料收集及整理； 2 7周至8 周 根據(jù)機構運動要求，完成焊接機械手轉動機構控制系統(tǒng)設計，包括控制方案及選型； 3 9周至10周 利用繪圖軟件完成控制系統(tǒng)原理圖設計與繪制，并編制PLC控制程序 4 11周至14 周 研究國內(nèi)外機器人編程技術，完成焊接機械手典型操作程序編制； 5 15周至16周 分析整理, 擬寫畢業(yè)設計論文； 6 17周至 17 周 修改畢業(yè)設計論文, 準備答辯, 答辯 學生簽名： 年

26、月 日 6、指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 說明： 1、開題報告應根據(jù)教師下發(fā)的畢業(yè)設計（論文）任務書，在教師的指導下由學生獨立撰寫，在畢業(yè)設計（論文）開始后兩周內(nèi)完成。 2、本頁不夠，請加頁。 主要參考文獻 [1] 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動機器人機構的設計方法[J].清華大學學報(自然科學版), 2001,41.(8):16-20. [2] 徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由

27、度微動機構的運動分析[J].機器人ROBOT,1995,17.(5):298-302. [3] 潘沛霖,楊宏,高波,吳微光.四自由度折疊式機械手的結構設計與分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,1994,26.(4):90-95. [4] 殷際英,何廣平.關節(jié)型機器人[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2003. [5] 馬香峰.工業(yè)機器人的操作設計和分析[M] .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996. [6] 費仁元,張慧慧.機器人機械設計和分析[M] .北京：北京工業(yè)大學出版社,1998． [7] 周伯英.工業(yè)機器人設計[M] .北京：機械工業(yè)出版社, 1995． [8] 蔡自興.機器人學[M]．北京：清華大學出版社，2000． [9] 孫迪生,王炎.機器人控制技術[M] .北京：機械工業(yè)出版社，1998． [10]Tetsuya Taira. Design and Implementation of Reconfigurable Modular Humanoid Robot Architecture. Intelligent Robots and Systems, 2005. (IROS 2005). 2005. B11