焊接机器人用于圆柱类零件焊接的机械设计.docx

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焊接机器人用于圆柱类零件焊接的机械设计

摘要

随着机器人技术的发展，焊接生产方式也在发生巨大的变化。

逐渐从手工焊接生产方式向自动化生产方式转变。

近年来用机器人实现自动焊接的越来越多。

但是，通用机器人价格昂贵,国内的中小企业难于接受。

为了解决圆柱类零件焊接的自动化问题，国内的设备制造商们开发出一些实用的设别，但是用的新产品很少。

本课题针对圆柱类零件焊接中的问题，研究设计一种立式夹紧进给机械系统：

用液压的方式将焊接位置和准确的焊接速度，达到较高的焊接质量。

设计的主要任务是：

研究设计一种焊立式夹紧进给装置，即单轴直线运动简易机器人系统。

设计一套立式夹紧进给装置图，采用交流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动的系统。

绘制出装配总图，进给部分部件图，夹紧部分部件图。

图纸均用AutoCAD绘出，撰写调研报告以及编制设计说明书。

工业机器人作为制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同。

并正对现代高技术产业各领域以致人们的生活产生了重要影响。

焊接机器人是工业机器人中的望族，相信会有很大的发展潜力。

关键词：

机器人焊接伺服电机滚珠丝杠

ABSTRACT

Withthedevelopmentoftechnologyoftherobot,weldmodeofproductionchangeenormouslyeven,formweldingthemodeofproductiontochangetotheautomaticmodeofproductionbyhandgradually.Therearemoreandmoreonesthatrealizedweldingautomaticallywiththerobotinrecentyears.However,therobotincommonusecostsanarmandaleg,domesticsmallandmedium-sizedenterprisesaredifficulttoaccept.Inordertosolvetheautomaticproblemthatthecylinderpartwelds,domesticequipmentmanufacturersdevelopsomepracticalequipment,therearefewnewproductsthatbutuse.Whethersubjectthispartweldquestionintocylinder,isitdesignoneverticaltoisitstocktothemechanicalsystemtoclamptostudy.Weldwithwayofhydraulicpressureworkpiececlamp,drivetheballguidescrewtostocktothetransmissionwithservoelectricalmachinery,makinghasperfectweldingpositionsandaccuratespeedofweldingtoweldthecourse,reachhigherweldingqualitythemaintaskdesignedis:

Isitdesignoneweldverticaltoisitentergivedevice,namelysingleaxlerectilinearmotionsimpleandeasyrobotsystemtoclamptostudy.Designoneverticaltoisitgivedevicepicturetoentertoclamp,isitexchangeservoelectricalmachineryurgetoadopt,systemofheballguidescrewDrawoutandassemblethegeneraldrawing,entertosomepartpictures,clampsomepartpictures,thedrawingisdrawnwithAutoCAD,writetheresearchreportandwordoutthedesigninstruction.

Theindustrialrobotisregardedasandmadeoneoftheimportantsignsoftechnicaldevelopmentandnewdevelopingtechnicalindustry,havealreadybeenadmittedbycommonpeople.Andtomoderneveryfieldofhigh-techindustrysothatpeople’slifeexertanimportantinfluence.Theweldingrobotisadistinguishedfamilyintheindustrialrobot,believethatthereisverygreatdevelopmentpotentiality.

Keywords:

robotweldingservomotorballscrew

前言

工业机器人是机械技术与电子技术的完美结合，是现代制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，正对现代高技术产业各领域和人们的生活产生重要影响。

焊接制造工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于自动化、机械化的要求极为迫切，实现机器人焊接代替人工操作成为几代焊接人的理想和追求的目标。

焊接机器人是工业机器人大家庭的望族，在各国工业机器人应用比例中大约占总数的25%—50%。

我国焊接机器人的发展起步较晚，80年代以来进展较快，1985年成功研制华宇一型弧焊机器人，1987年又成功研制华宇型点焊机器人，都已初步商品化并可小批量生产，1989年我国国产机器人为主的汽车焊接生产线投入生产。

目前大约有600台左右的点焊、弧焊机器人用于实际生产，标志着我国以机器人为核心的焊接自动化技术已进入实用生产阶段。

自1962年美国退出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，1996年底全世界已有大约68万台工业机器人投入生产应用。

这其中大约有半数是焊接机器人。

随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术已有了长足的发展。

焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式。

刚性自动化设备通常都是专用的，只适用于中、大批量产品自动化生产，因而在中、小批量产品的焊接生产中，手工焊接仍然是主要的焊接方式，而焊接机器人使小批量产品自动化焊接生产成为可能。

由于机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需要人给它做一次示教即可。

因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若干种焊件。

本课题针对圆柱类零件焊接中的问题，研究设计一种立式夹紧进给机械系统：

用液压的方式将被焊工件夹紧，用伺服电机带动滚珠丝杠来解决进给问题，用液压来控制夹紧问题。

焊接作为机械制造业中仅次于装配加工和切削加工的第三大加工作业，对其进行机器人柔性加工技术及其相关的控制器PC化、网络化和智能化的应用研究已成为焊接自动化发展的必然趋势。

第一章概述

1.1机器人的基本情况

1.1.1技术概述

工业机器人由操作机（机械本体）控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动生产设备。

特别适合于多品种、大批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、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薪技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反映和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.1.2现状及国内外发展趋势

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

（1）工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

（2）机械结构向模块、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问世。

（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外。

装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多件传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制：

多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚拟现实技术在机器人中的应用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“所接纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

（7）机器人化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人：

其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用。

弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：

可靠性低于国外产品：

机器人应用工程起步较晚。

应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距：

在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

1.1.3“十五”目标及主要研究内容

1．目标

根据国内机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展职能机器人。

机器人化机械及其相关技术的开发与应用：

开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。

重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产生化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷漆、焊接、装配等机器人的产业化。

2．主要研究内容

（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究

①关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。

②柔性仿形喷彩机器人开发：

柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴迹轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。

③焊接机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。

④弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：

激光发射器的选用，CCD成像系统，视觉图像处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。

⑤焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。

⑥电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。

⑦批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。

（2）智能机器人开发研究

①遥控加局部自主系统构成和控制策略研究

包括建模—遥控机器人模块，人行为模块，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感建模;以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术：

双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。

②智能移动机器人的导航和定位技术研究

包括导航和定位系统的系统结构；结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。

③面向遥控机器人的虚拟现实系统

包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控及其人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。

④人机交互环境建模系统

包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。

⑤基于计算机屏幕的多机器人遥控技术

包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人建模的控制；人机接口；网络通讯。

（3）机器人化机械研究开发

①开联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究

包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化形式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬件软件系统；并联机构运动学及动力学理论等。

1.2机器人的发展过程与展望

1.2.1机器人诞生的基础

1769年瓦特发明蒸汽机。

后来又设计出离心式调速器在蒸汽机上。

1785年卡特赖发明了机械式织布机，尔后惠特尼又发明了扎花机，这些就使自动化成为久研究的课题。

1800年莫兹利发明切削螺纹车床，1818年惠特尼发明铣床，使工件大批量生产成为现实。

1805年杰克夸德为自己的织布机制造了一种穿孔卡片的控制机，被认为是存储程序计算机的前驱，是工业机器人发展的基础。

20世纪30年代出现喷漆机器，其动作信号记录在磁性存储器中，以后可以随时调用这些信号来控制喷漆动作，这可以说是现在喷漆机器人的先驱。

本世界20年代出现的电动假肢、40年代出现的遥控机械手，对工业机器人诞生都有重大的影响。

但是，对工业机器人问世影响最大的是电脑的出现以及自动生产线生产的发展。

1913年，美国的福特汽车公司为提高生产率，建立了由专业机床组成的刚性流水生产线，所装配的零件由传送带源源不断传送来，传送带边上设置机床或者由人完成某些专业操作，当皮带上传送的各零件装配好，也正好传递到终端。

由这种流水线装配的一个汽车底盘仅用1小时33分钟，比原来节省10小时55分钟。

由于提高了效率，降低了成本，使福特汽车公司在短短12年间，汽车售价降到原价的9%，促进了汽车业的发展。

当时，福特汽车公司为解决机床上下料问题研制出代替人手臂的早期机械手，它可以给自动机床或流水线完成上料下料。

当机床加工好一个工件后，机床一停，机械手就把铁手臂伸出去抓住工件，再把手臂转过去，将工件放到工件架子上，同时又把另一件毛培放到机床的夹具里，机床就可以自动地工作起来。

机械手也可以把加工好的工件送到传送带上，以便继续装配。

1946年莫奇利和埃克特等人，在宾夕法尼亚大学制成第一台实用的电子计算机。

1948年美国贝尔实验室巴丁等人发明了晶体管，微电子技术随之发展起来，使电子计算机体积变小、功能提高。

这使许多科学家技术人员想把计算机的计算、记忆的功能与机器的机械能力结合起来。

这些事工业机器人问世的重要条件。

1.2.2第一代机器人

第一代是示教再现型机器人：

“尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。

它由人操纵机械手做一便应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在运动过程中机器人会自动将这一时过程存入记忆装置。

当机器人工作时，能再现人交给它的动作，并能自动重复的执行。

这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。

英格博格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。

图1-1第一代机器人

1.2.3第二代机器人

第二代是有感觉的机器人：

它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。

机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。

如：

有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。

图1-2第二代机器人

1.2.4第三代机器人

第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。

中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。

智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界—对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。

从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机器人的“主一从操纵”，而是以一种“认知—适应”的方式自律地进行操作。

智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。

今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了，除工农业生产外，机器人应用到各行业，机器人已具备了人类的特点。

机器人向着智能化，拟人化方向发展的道路，是没有止境的。

图1-3第三代机器人

1.2.5未来的展望

机器人的未来：

在已经过去的20世纪，机器人的家族逐渐发展、壮大。

在科学技术高度发展的今天，你能预测下一世纪的机器人会是什么样子呢？

对于现有机器人的功能，这个人丁兴旺的大家族又会对人类的文明和社会的进步产生怎样的影响呢？

1.机器人会越来越小

目前各国的研究现状而言,表明微型机器人大多还处于实验室或原型开发阶段,但可以预见,将来微型机器人将广泛出现.

由德国工程师莱纳尔·格茨恩发明的微型机器人,可直接由针头注射进入人体血管、尿道、胆囊或肾脏。

它依靠微型磁铁驱动器前进，由医生通过遥控器指挥，既可用于疾病诊断，也可用于如动脉硬化、胆结石等管腔堵塞类疾病治疗。

还能听从医生指挥，将药物直接送达到需要医治的患病器官，以取得更好的治疗效果。

当这种微型机器人工作完成后，医生便可以像抽血那样用针头将它抽出来。

未来，将会有可以进入人体血液循环系统的功能齐全的医用微型机器人，能进入工业上的小管道甚或裂缝，进行检测与维护的工业用微型机器人，以及各种微型传感器、微型机电产品，如掌上电视等。

在军事上，将有小如飞虫的飞行器，用于侦探敌情：

装有自动驾驶系统，能在海底航行数年的微型潜艇…….

2.机器人会越来越聪明

现在的智能机器人，它的智力最高也只相当于两三岁幼儿的智力水平。

在将来，高智能的机器人将越来越多，其智力水平也一定会不断提高，慢慢地达到七八岁、十几岁少年甚至青年人的智力水平。

20世纪90年代后期，为促进智能机器人的发展，日本、韩国等国家相继发起举行机器人足球世界杯赛，并成立了相应的协会。

机器人足球赛涉及多机器人的动作协调、系统控制等前沿的课题。

可以说，每一场机器人足球赛实际上都是世界各国机器人发展水平的一场较量。

也许在将来的某一天，就如同1996年世界国际象棋冠军卡斯帕罗夫输给了计算机“深蓝”一样，我们会看到世界顶尖的球员组成的“超级联队”也对付不了的机器人球队，你相信吗？

未来的机器人：

在21世纪，在人的控制下，在改造自然、发展生产的事业和家庭生活中，将会出现更多更好的机器人。

会有灭火的机器人，它身形敏捷，不仅在熊熊烈火之中来去自如，而且不管哪里冒烟、起火、它都能及时发现，赶到现场，将火灾隐患消失。

会有检修汽车的机器人，只要把车摆上检修台，它用眼一扫，耳朵一听，立即就会查出毛病的部位和原因，进行修理，只需几分钟。

会有边防机器人，24小时连续值勤，万无一失。

不管白天、黑夜、风雨、冰雪天气，一有敌情，它就能马上采取措施，封锁边界线。

同时通知空中、地面报警系统，监视敌人行动，使任何人也不能越境一步。

还会有海洋开发机器人，它们能潜入海中勘察、取样、化验，很快制定出开发方案，有条不紊地下海作业，把海底的宝藏献给人类。

有科学家预言：

生物机器人将在20年后问世：

而智能机器人的发展使机器人具有自我学习的功能，它会自己做出判断，发出指令……

1.3机器人的分类

关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按应用领域分。

一般的分类方式如下表所示：

分类名称

简要说明

操作型机器人

能自动控制可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统

程控型机器人

按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作

示教再现型

机器人

通过手把手引导或其他方式，教会机器人动作，输入工作程序，让其自动重复进行工作

数控型

机器人

不必使机器人动作，通过数值、语言等对其进行示教，让其根据示教后的信息进行工作

感觉控制型

机器人

利用传感器获取的信息控制机器人的动作

适应控制型

机器人

机器人能适应环境的变化，控制其自身的行为

学习控制型

机器人

机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中

智能机器人

以人工智能决定其行动的机器人

这里我们按照应用领域对机器人进行分类。

1.4机器人三原则：

美国科幻小说阿西莫夫总结出了著名的“机器人三定律”或称“机器人三原则”。

第一：

机器人不可伤害人，或眼看着人将遇害而袖手旁观。

第二：

机器人必须服从人给它的命令，当该命令与第一条抵触时，不予服从。

第三：

机器人必须在不违反第一、第二项原则的情况下保护自己。

即机器人是一种可编程的，能执行某些操作或移动动作的自我控制机械。

1.5焊接技术

世界现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征。

在国内，无论是从目前焊接设备和材