焊接机械手控制系统设计开题报告

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，人们经常受到高温、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)对眼及皮肤造成严重损伤；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锰，在通风不良场所如船舱、锅炉或密闭容器内施焊，长期吸入含锰的烟尘可发生锰中毒。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，焊接质量稳定、提高劳动生产率提高8。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、国内外研究现状及研究背景 2.1 机器人的发展历程自从世界上第一台工业机器人UNIMATE 于1959 年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。 图1 世界第一台工业机器人UNIMATE第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力。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根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，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）方向发展6。2.2 机器人的研究背景据不完全统计，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专门设计的，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2009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”，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，仅 2009 年就达 15.2 万台。据不完全统计，近几年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%，2009年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% 。这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 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4。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，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。2.3 焊接机器人的国内外研究现状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新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。我国有组织有计划地发展机器人事业应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。经过十几年来的研制、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)，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。现在，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，国家“863”高技术计划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备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备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、哈尔滨焊接研究所、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，一些科研院所和大学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。我国机器人技术主题发展的战略目标是：根据2l世纪初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发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、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：第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、离可靠性和易于集成。我国的机器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，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一定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。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，我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解决产业化前期的关键技术。积极推进我国的机器人产业化的进程。从目前国内外研究现状来看，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。2.4 焊接机器人的发展趋势5工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发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年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的l3(目前世界工业机器人总数约为750000台)，90年代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。控制技术大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。基于PC的开放式结构控制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年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用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l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。集成化与系统化1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s，控制器包括软件、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月宣称它的控制器为世界最小。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，控制系统的选择等内容，应根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、控制系统、位置检测装置等组成。执行机构由手部、手腕、手臂、底座组成，其中手部部分为焊枪7。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5 直角坐标机器人 图6 圆柱坐标机器人 图7 极坐标机器人 图8 球面坐标机器人 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,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9。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发展趋势和国内外的研究现状，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，其主体结构的3个自由度腰关节、肩关节、肘关节全部采用转动关节，手腕上也采用3个转动关节来确定末端的姿态。因为，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能力。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绝对空间。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、肘关节全部采用转动关节，手腕上也采用转动关节来确定末端的姿态，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。.因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。.所需关节驱动力矩小，能量消耗少10。3.3 驱动方式的选择根据动力源的不同, 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2。. 液压机器人:输出力大，传动平稳。.气压机器人:气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不太平稳，冲击大。.电动式机器人:电力驱动是目前机器人使用的最多的一种驱动方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机，直流伺服电机，步进电机。由于电机速度高，通常还须采用减速机构(如谐波减速器、轮系减速机构、滚珠丝杠和多杆机构)。目前也有一些用特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。.机械式机器人:工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。关节型球坐标机器人的驱动方式分为直接驱动方式和平行连杆驱动方式。其中，液压，气动等方式会造成机构本体机构庞大，占地面积大灯缺点，因此本次设计的自动焊接机械手采用电动直接驱动方式，选用目前主流的交流伺服电动机，使用方便，易于控制。3.4 控制系统的选择本次设计的自动焊接机械手为第一代机器人，主要以“示教再现”工作方式，控制方式选用可编程逻辑控制器PLC控制；3.5 位置检测装置本次设计的自动焊接机械手需具备完整的内部传感器，用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制提供反馈信息。本次转动机构采用常用的光电码盘（既可以用于角度检测又可以用于速度检测）做为内部传感器。 图9 光电编码盘 图10 光电编码器工作原理3.6 整体方案三位模型图（图11）4、课题任务、重点研究内容、实现途径4、1 课题任务:1、根据焊接机械手的要求，查找国内外机械手研究现状和资料，并完成总体方案的设计；2、根据机构运动要求，完成焊接机械手转动机构传动系统设计，包括传动方案及传动系统原理图；3、利用绘图软件完成控制系统原理图设计与绘制，并编制PLC控制程序； 图11 整体方案三维模型4、熟悉Altium Designer等电路设计软件，利用相关软件完成焊接机械手转动机构控制系统电路图和接线图设计；5、研究国内外机器人编程技术，掌握机器人示教系统组成、示教内容、示教方法及程序分析；6、以发那科机器人操作系统为案例，掌握其指令的使用方法,做出其直线、圆弧、摆动作业程序，并完成典型零件焊接操作程序编制。7、用UG5.0建立全自动机械手中“臂”机构三维模型，并进行运动仿真。8、根据仿真后的结果，进行具体实验，测试并校核真实情况下的强度和运动能否达到要求。4.2重点研究内容：重点完成焊接机械手转动机构控制系统设计以及传动系统的设计。根据焊接机器人的工作对象、焊接任务及性能要求，参考国内外焊接机器人的先进机型，手腕传动系统的传动方案有多种，常用的传动方案如图25所示。方案一：如图25(a)所示，手腕偏摆(4)、俯仰(5)和翻滚(6)轴采用分离传动，手腕偏摆(4)和俯仰(5)轴是采用交流伺服电机经同步带减速后，又经谐波减速器减速来驱动实现的，手腕翻滚(6)轴是经谐波减速器减速后，由交流伺服电机直接驱动实现的。方案二：如图25(b)所示，手腕偏摆(4)、俯仰(5)和翻滚(6)轴采用同轴线布置的套筒及锥齿轮传动，三个驱动轴内外互相嵌套在同一转动轴线上，最外面的转动轴套直接驱动整个手腕的偏摆，中间的轴套驱动手腕俯仰，中心轴驱动手腕的第三个关节翻滚。在实现手腕关节旋转运动方式上，两种方案都是可行的。方案一的主要特点是结构简单，没有关节运动诱导现象，密封元件在手腕的轴向布置，易于实现防爆密封设计。方案二的主要特点是可把尺寸、重量都较大的伺服驱动系统放在远离手腕处，有利于减轻手腕的整体质量以及改善整机的平衡，但手腕旋转关节传动链长，传动系统设计复杂，刚度低，关节运动之间存在诱导运动。因此，综合考虑这两种手腕传动方案后，该焊接机器人的手腕传动方案选择图25(a)所示的传动方案1。减速装置采用谐波减速器,谐波减速器有以下优点3:1承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 2传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70500。 3体积小、重量轻。 4传动效率高、寿命长。 5传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。4.3 实现途径：一、在学校图书馆查阅相关资料通过书籍和资料查阅的焊接机械手的最新动向，在参考原来结构和参数的基础上，加入自己的创新进去；通过参考大量的文献，掌握课题研究的背景，调研国内外有关课题研究方面的现状、发展和应用情况，发现全自动机械手中“臂”机构设计中的问题，明确课题研究的目的、意义、任务及内容。二、通过老师的指导到黄忠全导师实验室，接受老师的手把手的指导。三、通过浏览因特网上的相关资料网上有很多焊接机械手设计的指导资料，学习和掌握全自动机械手实现手术的相关方法和技术，并结合课题实际分析各种相关方法和技术的优缺点，以便确定方案和设计内容。四、亲自参观企业在役的机器人黄忠全导师4月13日带领课题组参观重庆江津长风机械厂在役的6自由度焊接机器人。通过到企业间参观学习，观察全自动机械手的外形结构，了解全自动机械手的工作原理，并进行分析各运动之间的关系；了解全自动机械手的实际应用情况，以便绘制详细的机械臂的原理图和装配图。5、进度计划序号起止周次工 作 内 容15周至6 周调研，资料收集及整理；27周至8 周根据机构运动要求，完成焊接机械手转动机构控制系统设计，包括控制方案及选型；39周至10周利用绘图软件完成控制系统原理图设计与绘制，并编制PLC控制程序411周至14 周研究国内外机器人编程技术，完成焊接机械手典型操作程序编制；515周至16周分析整理, 拟写毕业设计论文；617周至 17 周修改毕业设计论文, 准备答辩, 答辩学生签名： 年 月 日6、指导教师意见指导教师签名： 年 月 日说明：1、开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计（论文）开始后两周内完成。2、本页不够，请加页。主要参考文献1 刘辛军,汪劲松,高峰.并联六自由度微动机器人机构的设计方法J.清华大学学报(自然科学版), 2001,41.(8):16-20.2 徐卫平,张玉茹,六自由度微动机构的运动分析J.机器人ROBOT,1995,17.(5):298-302.3 潘沛霖,杨宏,高波,吴微光.四自由度折叠式机械手的结构设计与分析J.哈尔滨工业大学学报,1994,26.(4):90-95.4 殷际英,何广平.关节型机器人M.北京:化学工业出版社, 2003.5 马香峰.工业机器人的操作设计和分析M .北京：冶金工业出版社, 1996.6 费仁元,张慧慧.机器人机械设计和分析M .北京：北京工业大学出版社,19987 周伯英.工业机器人设计M .北京：机械工业出版社, 19958 蔡自兴.机器人学M北京：清华大学出版社，20009 孙迪生,王炎.机器人控制技术M .北京：机械工业出版社，199810Tetsuya Taira. Design and Implementation of Reconfigurable Modular Humanoid Robot Architecture. Intelligent Robots and Systems, 2005. (IROS 2005). 2005.B11