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學(xué) 院
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
開 題 報 告
題 目 基于運動學(xué)方程的弧焊機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真
學(xué) 院 機械與汽車工程學(xué)院
專 業(yè) 材料成型及控制工程
班 級
學(xué) 號 104012002
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
開題日期 年 3 月 3 日
一、 選題的背景與意義：
1.1 設(shè)計對象簡介
本次畢業(yè)設(shè)計對象為如圖1所示的一個機器人，是一個六軸弧焊機器人，該機器人能夠滿足現(xiàn)階段汽車零部件行業(yè)中，弧焊站機器人臂長不足的需求，在增加了臂長之后，仍然能夠達到轉(zhuǎn)動慣量要求。
圖1 鼠標(biāo)上蓋的三維示意圖
機器人的設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下表：
關(guān)節(jié)數(shù)量
6
動作范圍
2000m
負(fù)載
8
重復(fù)定位精度
0.08mm
安裝形式
底座法蘭安裝
功率
5KW
電源
220v
自身重量
150kg
1.2 本課題的目的
通過對本課題的理論研究、設(shè)計與實踐，深入學(xué)習(xí)，熟練掌握工業(yè)機器人的運動學(xué)方程，工作原理以及模擬仿真。采用三維建模軟件設(shè)計一個負(fù)載 8Kg ，工作范圍在2000mm的六軸弧焊機器人,結(jié)合三維建模軟件和機器人動力學(xué)仿真軟件TECNOMATIX進行機構(gòu)優(yōu)化與仿真研究。
由于本課題涉及到產(chǎn)品的設(shè)計和模擬仿真，因此需要的綜合知識很多，從理論到實際生產(chǎn)過程都牽涉到了。通過這些培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力和創(chuàng)新能力與實踐能力的訓(xùn)練。
1.3 本課題的研究意義
目前，F(xiàn)ANUC、ABB, KUKA等機器人公司占據(jù)著弧焊機器人的主要市場份額，其中，F(xiàn)UNAC的產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。ABB, KUKA的均是關(guān)節(jié)機器人，價格比較貴，每臺達100萬以上，即便是FANUC的機器人每臺售價也在60萬元人民幣。鑒于弧焊機器人的市場現(xiàn)狀，我們開發(fā)一種適用于汽車零部件弧焊機器人，以期能夠提高國產(chǎn)弧焊機器人的市場競爭力，打破目前的弧焊機器人市場依賴進口的格局。
隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的迅速發(fā)展、計算機技術(shù)的應(yīng)用，六軸工業(yè)機器人這樣一個復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，從模型設(shè)計和運動控制到自動化生產(chǎn)的應(yīng)用是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。對其結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計流程進行分析研究，簡化并建立系統(tǒng)化的設(shè)計流程，可為實現(xiàn)其產(chǎn)品化以及批量化生產(chǎn)建立基礎(chǔ)。分析建立一般的六軸工業(yè)機器人的運動模型，建立有效的軌跡規(guī)劃方法，可以提高工業(yè)機器人性能的利用率和工作效率，對于工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有廣泛的實際意義。
二、 本課題的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
機器人焊接是機器人技術(shù)研究和應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，在世界上當(dāng)前服役的工業(yè)機器人中，焊接機器人占了很大比例，日本是世界上擁有機器人最多的國家，其中焊接機器人所占的比例約為35%。自從20世紀(jì)60年代第一臺商用機器人問世以來，機器人技術(shù)無論在研究還是在應(yīng)用方面都達到了相當(dāng)?shù)乃健Ｗ鳛闄C器人的種類之一的焊接機器人，其發(fā)展已經(jīng)歷了三個階段:即示教再現(xiàn)型焊接機器人、感覺型焊接機器人和智能型焊接機器人，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，使焊接機器人由單一的示教再現(xiàn)型向多傳感、智能化方向發(fā)展將成為科研人員的追求目標(biāo)。
目前在世界各主要工業(yè)國，包括焊接機器人在內(nèi)的工業(yè)機器人的應(yīng)用己經(jīng)很普遍。據(jù)IFR(International Federation of Robotics)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2003年日本工業(yè)機器人裝備數(shù)為34.9萬臺，美國11.2萬臺，德國11.3萬臺，韓國4.7萬臺，世界總的裝備數(shù)為80.1萬臺。據(jù)2002不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有機器人僅1800余臺，且我國的焊接機器人94%以上是從國外進口的}s}。對于中國這樣一個13億人口的大國來說，差距是很明顯的。盡管形成這一現(xiàn)實有許多方面的歷史的和現(xiàn)實的原因，但逐步改變這種現(xiàn)狀是我們不容回避的歷史責(zé)任。
我國的焊接機器人學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用推廣工作開展大約已有20多年的歷史了，同其他行業(yè)引進先進技術(shù)的過程一樣，我國的焊接機器人也走過了一條從引進、消化到自行研制的過程，目前我國在焊接機器人研究和應(yīng)用方面雖然具有一定的規(guī)模，在某些方面甚至達到了國際先進水平，但仍然存在明顯不足。特別是國產(chǎn)化程度極低，尤其在弧焊機器人方面，目前應(yīng)用的焊接機器人中大部分是點焊機器人。其次，許多引進的機器人國內(nèi)還沒有相應(yīng)的部配件生產(chǎn)，且缺乏足夠的售前、售后服務(wù)和技術(shù)支持，造成使用成本加大，效率降低。第三，許多國外系統(tǒng)不適合中國企業(yè)的工藝現(xiàn)狀，主要表現(xiàn)在由于焊接前零件的質(zhì)量較低，而導(dǎo)致機器人的使用效率降低，適用范圍受限，焊接機器人不能滿足生產(chǎn)要求，以至造成大量昂貴的設(shè)備處于半閑置的不利狀態(tài)。
三、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題：
1) 了解課題背景，查閱資料，掌握機器人運動的原理和特點，并學(xué)習(xí)機器人運動學(xué)計算方法、機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方法等基本知識；
2) 制定課題的技術(shù)路線和主要內(nèi)容；完成本課題的開題報告；
3) 初步設(shè)計弧焊機器人結(jié)構(gòu)，進行分析和改善，研究模具制造的工藝路線、分析工藝的合理性，從而改善結(jié)構(gòu)，完成總體設(shè)計；
4) 完成弧焊機器人零部件的三維CAD；
5) 完成機器人的總體設(shè)計和各零件的設(shè)計；
6) 對機器人的各零件的進行強度校核，對機器人運動進行模擬仿真；
7) 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，整理圖紙等。
四、研究的方法與技術(shù)路線：
本次畢業(yè)設(shè)計的具體技術(shù)路線如下：
確定機器人工作范圍和負(fù)載
各軸電機型號和減速機選擇
仿真模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化
連接軸設(shè)計和強度校核
機器人各節(jié)手臂設(shè)計和法蘭設(shè)計
機器人運動學(xué)算法
圖2 研究技術(shù)路線
五、研究的總體安排與進度：
1. 18.01.12～18.03.10 明確設(shè)計任務(wù)，查閱資料，學(xué)習(xí)注射成型CAE軟件的基本分析流程，確定技術(shù)路線，完成開題報告；
2. 18.03.11～18.03.31 初步設(shè)計弧焊機器人結(jié)構(gòu)，進行分析和改善，研究模具制造的工藝路線、分析工藝的合理性，從而改善結(jié)構(gòu)，完成總體設(shè)計；
3. 18.04.01～18.04.20 完成弧焊機器人零部件的三維CAD；
4. 18.04.21～18.05.04 完成機器人的總體設(shè)計和各零件的設(shè)計；
5. 18.05.05～18.05.18 對機器人的各零件的進行強度校核，對機器人運動進行模擬仿真；
6. 18.05.19～18.05.25 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，整理圖紙等；
7．18.05.25～18.06.01 整理文檔，準(zhǔn)備答辯。
六、主要參考文獻：
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[2]陳善本，林濤.智能化焊接機器人技術(shù).機械工業(yè)出版社，2006(1):4-7
[3]焊接機器人概述.中國機械網(wǎng).2005(3)
[4]林尚揚，陳善本等.焊接機器人機器應(yīng)用.機械工業(yè)出版社.000(1):4-20
[5〕王耀南.機器人智能控制工程.科學(xué)出版社.33-45
[6]霍偉.機器人動力學(xué)與控制.高等教育出版社，2005(1)50-70
[7〕趙錫芳.機器人動力學(xué).上海交通大學(xué)出版社，1992(1)
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[9]蔡自興.機器人學(xué).清華大學(xué)出版社，2006(8)89-130
[ 10]續(xù)彥芳，崔俊杰，蘇鐵雄.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS中的應(yīng)用.機械管 理開發(fā)，第82期，2005,71-73
[11]沈紅芳.弧焊機器人虛擬樣機研究.華東理工大學(xué)碩士論文，2002.6
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