机械设计制造及自动化毕业论文1焊接机器人设计.docx
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机械设计制造及自动化毕业论文1焊接机器人设计
毕业设计
———焊接机器人
学校：
学院：
班级学号：
学生姓名：
1111
指导教师：
《开题报告》
1.本课题研究的目的、意义
2.国内外研究现状
3.拟采取的研究路线
4.进度安排
5.文献综述（2000字以上，列出主要参考文献）
6.外文文献翻译（标注出原文出处，译文4000汉字以上）
一、本课题研究的目的、意义
众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。
随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。
工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。
本次设计为焊接机器人设计，是本专业学生在完成全部课堂教学之后所进行的一项极为重要的实践性教学环节。
旨在通过具体的工程实践进一步深入理解掌握和综合运用所学的专业理论知识，进行焊接机器人的设计基本技能的训练，培养分析问题和解决问题的能力，从而全面实现本专业学生的质量管理目标。
作为个人，通过本次设计能在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，掌握焊接机器人内部结构和工作原理，同时了解机器人机械系统运动学，为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。
在指导老师的帮助下能够设计出具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点的焊接机器人。
二、国内外研究现状
从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。
到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。
工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。
在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。
在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。
减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。
虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。
因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。
而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。
因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。
根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。
至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。
我国机器人发展迅猛，从国家863计划实施之初到现在一直将机器人技术列为重点支持方向。
国家863计划机器人技术主题重点支持数控、工程机械、盾构、生产线、水下载人潜器、危险作业机器人、医疗机器人和仿人仿生机器人等。
目前光我国从事机器人的研发单位就有200多家，专业从事机器人产业开发的则达50家以上。
一批企业逐步发展壮大。
据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近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。
日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，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迅速增加。
我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。
据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%。
但这样的增长速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我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发展机遇。
一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国经济的发展，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发展前景空间巨大。
从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、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。
焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。
机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。
而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。
对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。
工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。
特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。
随着我国加入WTO后国际竞争更加激烈，对工业机器人的需求会越来越大，我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，我们要把握这一机遇，迎接挑战，为我国跻身于机器人强国之列而努力奋斗。
新中国成立后，经过50年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到20%。
在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%～45%。
在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。
三、文献综述
焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。
根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。
为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。
焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。
世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节式机器人，绝大部分有6个轴。
其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。
焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：
一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如图2a、b所示。
侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。
因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。
但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。
平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。
拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。
故而得名。
早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。
但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人，已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。
这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。
近年来点焊用机器人（负载100～150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。
上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺取电机通过摆线针轮（RV）减速器（1～3轴）及谐波减速器（1～6轴）驱动。
在80年代中期以前，对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而80年代后期以来，各国先后改用交流伺服电机。
由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。
一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点（TCP）的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。
同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹
中国在60年代初期开始发展焊接生产线，例如哈尔滨锅炉厂、沈阳变压器厂等相继建立了锅炉蛇形管、变压器散热器管焊接件的自动生产线，取得了显著的成绩。
70年代焊接生产线机械化自动化技术发展较快，到70年代末，相当多的批量较大的焊接结构生产，都程度不等地发展应用了各种类型的焊接生产线技术。
由于自动控制系统、可编程序控制器、微处理机和计算机技术等在焊接生产中的应用，80年代以后，中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制，用自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接生产自动线，较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中，不断提高焊接生产的自动化程度。
80年代中期以后，汽车、摩托车等行业发展焊接生产线上应用机器人焊接技术突出，在中国现代的工厂里可以看到那一排排焊接机器人正在挥舞着钢铁的臂膀认真操作的场景。
进入90年代后，中国焊接界把实现焊接生产机械化、自动化作为战略目标，已在各行业的科技发展规划中付诸实施。
大力发展焊接生产自动化和过程控制智能化技术，发展焊接生产线和柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等。
我国制造业中焊接机器人的应用主要是在20世纪90年代以后（个别企业在80年代中期），经历了摸索阶段，近5年来焊接机器人的数量增加很快，特别是在汽车制造业。
根据到2001年的统计，全国共有各类焊接机器人1040台，其中弧焊机器人多于点焊机器人，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76％，是我国焊接机器人最主要的用户。
汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人较少；而零部件厂弧焊机器人多，点焊机器人较少。
该行业中点焊与弧焊总的比例约为3：
2。
其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（10％）、摩托车（6％）、铁路车辆（4％）、锅炉（1％）等行业。
焊接机器人分布在全国各个经济地区，但主要集中在东部沿海和东北地区。
东部的上海和东北的长春这两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。
我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。
今后应重点放在扩大应用领域，使更多行业用上焊接机器人。
当前世界各国在发展工业机器人产业方面有三条不同的道路：
（1）机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，而各行业需要的机器人成套系统，一般由其子公司或社会上的工程公司来设计制造，并完成交钥匙工程（暂称为“日本模式”）；
（2）机器人制造厂商自己既生产机器人又设计制造用户所需要的系统，完成交钥匙工程（暂称为“欧洲模式”）；
（3）本国基本不生产一般工业机器人，企业需要的机器人系统由工程公司用进口的机器人自行设计制造外围设备并成套，完成交钥匙工程（暂称为“美国模式”）。
目前我国需要研究我们的机器人产业应走什么道路的问题。
我们认为应从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。
可喜的是，我国已经形成一批焊接自动化系统集成工程公司，可以完成焊接机器人工作站的设计、设备集成与技术咨询工作。
现在我国使用的焊接机器人工作站有近20％是在国内由中国的工程师采用进口的机器人，配合自行设计的外围设备而集成的。
但是比较复杂的焊接机器人生产线或焊接FMS大多还需要全套从国外进口。
今后，应促使这些工程公司做大做强，政府应以政策鼓励企业采用我国自行成套的焊接机器人系统，而我国的工程师应进一步加强和国外的机器人厂家和集成公司的合作与技术交流，使国内应用的焊接机器人系统中自行成套的焊接机器人工作站迅速增多，促进我国机器人产业的成长。
参考文献
【1】成大先.机械设计手册（第五版）（第1卷）.北京：
化学工业出版社，2008
【2】蔡自兴.机器人学基础.北京：
机械工业出版社，2009
【3】李晓辉，汪苏，刘小辉，朱小波.焊接机器人智能化的发展[J].电焊机,2005
【4】唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势㈠[J].电焊机,2006
【5】孟广喆.国内外焊接技术发展情况和对我国今后焊接技术发展的设想.第一届全国焊接会议论文集.北京：
中国工业出版社，1964
【6】国家自然科学基金委员会.机械制造学（热加工）.北京：
科学出版社，1995
【7】潘际銮.弧焊过程控制.第八次全国焊接会议论文集.第1册.北京：
机械工业出版社，1997【8】林尚扬.我国机械制造业中焊接机器人的应用现状及发展趋势.第八次全国焊接会议论文集.第1册.北京：
机械工业出版社，1997
【9】张西庚.焊接结构设计和制造技术的现状和发展.第八次全国焊接会议论文集.第1册.北京：
机械工业出版社，1997
【10】吴林等.我国焊接行业的现状与发展趋势.第八次全国焊接会议论文集.第1册.北京：
机械工业出版社，1997
【11】濮良贵，纪明刚.机械设计.北京：
高等教育出版社，2009
【12】殷际英，何广平.关节型机器人.北京：
化学工业出版社，2003
【13】郭洪红.工业机器人运用技术.北京：
科学出版社，2008
四、拟采取的研究路线
1.在图书馆、阅览室查阅相关图书和文献资料。
2.去一汽大众调研，写出可行性论证报告。
3.进行设计所用的方案论证。
4.利用所选方案进行焊接机器人的结构设计。
5.进行各零件的强度分析。
五、进度安排
序号
周数
工作内容
1
第1周
撰写开题报告
2
第2~3周
调研及翻译
3
第4~5周
方案论证
4
第6~7周
结构设计
5
第8~12周
绘制零件图及装配图
6
第13周
可行性检查
7
第14周
整理毕业设计说明书
8
第15周
打印上交所有材料
9
第16周
准备答辩
六、外文文献翻译（标注出原文出处，译文4000汉字以上）
摘要
随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。
国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。
因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。
本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。
本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计。
合理布置了液压缸。
同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。
为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。
该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。
关键字：
焊接机器人液压系统机械机构设计
Abstract
Withthedevelopmentoftechnologyandtheincreaseinindustrialdemand,weldinginindustrialproductionoccupiedmoreandmoreweight,andexcellentweldingtechnologydirectlyaffectsthedegreeofthequalityofpartsorproducts.Althoughthedomesticapplicationofweldingrobotwithacertainscale,butfallsfarshortoftheoveralldemandforwelding.Therefore,greateffortstostudyandpromotetheweldingrobottechnologyisimperative.
Thefocusofthisdesignistheuseofmechanicaltheoryanddesignofmachineryandequipmentdesignandmethodsofpracticeweldingrobot.Thedesignoftheweldingrobotinunderstandingthebasisofthestatusquoathomeandabroad,andthengrasptheweldingrobotandworkingprincipleoftheinternalstructure,andstructuraldesignofthearmandwrist.Rationalarrangementofthehydrauliccylinder.Atthesametimeunderstandtherobotmechanicalsystemkinematicsandmotioncontrolstudy.Forthedesignofindustrialweldingrobotstoprovideatheoreticalreference,referenceanddatareferencedesignforindustrialdesignersanddesignpractice,designtheoryreference.Therobothasagoodrigidity,highprecisionlocation,stablecharacteristics.
Keyword:
Weldingrobot；hydraulicsystem；mechanicalstructuredesign
第1章引言
焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。
根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。
为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。
焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。
焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。
从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。
到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。
工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。
在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。
在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。
减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。
虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。
因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。
而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。
因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。
据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近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。
我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。
从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、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。
新中国成立后，经过50年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到20%。
在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%～45%。
在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。
第2章焊接机器人的总体方案
该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。
2.1总体设计的思路
设计机器人大体上可分为两个阶段：
（1）系统分析阶段
1）根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；
2）分析机器人所在系统的工作环境；
3）根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。
如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。
（2）技术设计阶段
1）根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；
2）拟订机器人的运动路线和空间作业图；
3）确定驱动系统的类型；
4）选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；
5）绘制机器人的零件图，并确定尺寸。
2.2自由度和坐标系的选择
机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。
各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。
机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。
而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。
本次设计的焊接机器人为4自由度即：
腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩。
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:
（1）直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1（a）所示。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。
但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。
因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。
直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。
直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构[3]。
（2）圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1（b）。
这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。
其工作空间是一个圆柱状的空间
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