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畢業(yè)設(shè)計(jì)工作手冊(cè)
———焊接機(jī)器人
學(xué)校：長(zhǎng)春理工大學(xué)
學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院
班級(jí)學(xué)號(hào)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
《開題報(bào)告》
1. 本課題研究的目的、意義
2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
3. 擬采取的研究路線
4. 進(jìn)度安排
5. 文獻(xiàn)綜述（2000字以上，列出主要參考文獻(xiàn)）
6. 外文文獻(xiàn)翻譯（標(biāo)注出原文出處，譯文4000漢字以上）
1、 本課題研究的目的、意義
眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來越大，而且焊接技術(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。
本次設(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，是本專業(yè)學(xué)生在完成全部課堂教學(xué)之后所進(jìn)行的一項(xiàng)極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。旨在通過具體的工程實(shí)踐進(jìn)一步深入理解掌握和綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)理論知識(shí)，進(jìn)行焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，從而全面實(shí)現(xiàn)本專業(yè)學(xué)生的質(zhì)量管理目標(biāo)。作為個(gè)人，通過本次設(shè)計(jì)能在了解焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，掌握焊接機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)了解機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)，為工業(yè)上焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論參考、設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。在指導(dǎo)老師的幫助下能夠設(shè)計(jì)出具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)的焊接機(jī)器人。
二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計(jì)，2001年全世界有75萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國(guó)家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至少有約100萬。我國(guó)機(jī)器人發(fā)展迅猛，從國(guó)家863計(jì)劃實(shí)施之初到現(xiàn)在一直將機(jī)器人技術(shù)列為重點(diǎn)支持方向。國(guó)家863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)主題重點(diǎn)支持?jǐn)?shù)控、工程機(jī)械、盾構(gòu)、生產(chǎn)線、水下載人潛器、危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和仿人仿生機(jī)器人等。目前光我國(guó)從事機(jī)器人的研發(fā)單位就有200多家，專業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的則達(dá)50家以上。一批企業(yè)逐步發(fā)展壯大。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。 焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了50萬臺(tái)以上，成為“機(jī)器人王國(guó)”，其次是美國(guó)和德國(guó)；在亞洲，日本、韓國(guó)和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增加。 我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)70年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，最近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均每年的增長(zhǎng)率都超過40%,焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過了60%。但這樣的增長(zhǎng)速度相對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。
從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。
焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點(diǎn)焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對(duì)于智能機(jī)器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。特別是焊接機(jī)器人在高質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。隨著我國(guó)加入WTO后國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求會(huì)越來越大，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來自國(guó)外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國(guó)躋身于機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之列而努力奮斗。
新中國(guó)成立后，經(jīng)過50年的艱苦努力，中國(guó)焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過程機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到40%～45%。在機(jī)床、鍋爐、汽車、化工機(jī)械、工程機(jī)械和重型機(jī)械等國(guó)家重點(diǎn)骨干企業(yè)，通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動(dòng)化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機(jī)械化與自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到了國(guó)際90年代初的先進(jìn)水平，進(jìn)入世界先進(jìn)之列。
3、 文獻(xiàn)綜述
焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。
世界各國(guó)生產(chǎn)的焊接用機(jī)器人基本上都屬關(guān)節(jié)式機(jī)器人，絕大部分有6個(gè)軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)，如圖2a、b所示。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是上、下臂的活動(dòng)范圍大，使機(jī)器人的工作空間幾乎能達(dá)一個(gè)球體。因此，這種機(jī)器人可倒掛在機(jī)架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動(dòng)。但是這種側(cè)置式機(jī)器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機(jī)器人的剛度，一般適用于負(fù)載較小的機(jī)器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機(jī)器人其上臂是通過一根拉桿驅(qū)動(dòng)的。拉桿與下臂組成一個(gè)平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機(jī)器人工作空間比較小（局限于機(jī)器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機(jī)器人，已能把工作空間擴(kuò)大到機(jī)器人的頂部、背部及底部，又沒有測(cè)置式機(jī)器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)不僅適合于輕型也適合于重型機(jī)器人。近年來點(diǎn)焊用機(jī)器人（負(fù)載100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人。
上述兩種機(jī)器人各個(gè)軸都是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故采用伺取電機(jī)通過擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅(qū)動(dòng)。在80年代中期以前，對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人都是用直流伺服電機(jī)，而80年代后期以來，各國(guó)先后改用交流伺服電機(jī)。由于交流電機(jī)沒有碳刷，動(dòng)特性好，使新型機(jī)器人不僅事故率低，而且免維修時(shí)間大為增長(zhǎng)，加（減）速度也快。一些負(fù)載16kg以下的新的輕型機(jī)器人其工具中心點(diǎn)（TCP）的最高運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)3m/s以上，定位準(zhǔn)確，振動(dòng)小。同時(shí)，機(jī)器人的控制柜也改用32位的微機(jī)和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運(yùn)行軌跡更加貼近示教的軌跡
中國(guó)在60年代初期開始發(fā)展焊接生產(chǎn)線，例如哈爾濱鍋爐廠、沈陽變壓器廠等相繼建立了鍋爐蛇形管、變壓器散熱器管焊接件的自動(dòng)生產(chǎn)線，取得了顯著的成績(jī)。70年代焊接生產(chǎn)線機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展較快，到70年代末，相當(dāng)多的批量較大的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，都程度不等地發(fā)展應(yīng)用了各種類型的焊接生產(chǎn)線技術(shù)。
由于自動(dòng)控制系統(tǒng)、可編程序控制器、微處理機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用，80年代以后，中國(guó)發(fā)展了采用焊接方法的自動(dòng)控制、焊接過程的自動(dòng)控制，用自動(dòng)傳送裝置、專用焊接設(shè)備及電控部分等組成的焊接中心和焊接生產(chǎn)自動(dòng)線，較廣泛地應(yīng)用在汽車、船舶、核能、電站、鍋爐、礦山機(jī)械等行業(yè)中，不斷提高焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化程度?！ ?0年代中期以后，汽車、摩托車等行業(yè)發(fā)展焊接生產(chǎn)線上應(yīng)用機(jī)器人焊接技術(shù)突出，在中國(guó)現(xiàn)代的工廠里可以看到那一排排焊接機(jī)器人正在揮舞著鋼鐵的臂膀認(rèn)真操作的場(chǎng)景。
進(jìn)入90年代后，中國(guó)焊接界把實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化作為戰(zhàn)略目標(biāo)，已在各行業(yè)的科技發(fā)展規(guī)劃中付諸實(shí)施。大力發(fā)展焊接生產(chǎn)自動(dòng)化和過程控制智能化技術(shù)，發(fā)展焊接生產(chǎn)線和柔性制造技術(shù)，發(fā)展應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等。
我國(guó)制造業(yè)中焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要是在20世紀(jì)90年代以后(個(gè)別企業(yè)在80年代中期)，經(jīng)歷了摸索階段，近5年來焊接機(jī)器人的數(shù)量增加很快，特別是在汽車制造業(yè)。根據(jù)到2001年的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類焊接機(jī)器人1040臺(tái)，其中弧焊機(jī)器人多于點(diǎn)焊機(jī)器人，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76％，是我國(guó)焊接機(jī)器人最主要的用戶。汽車制造廠的點(diǎn)焊機(jī)器人多，弧焊機(jī)器人較少；而零部件廠弧焊機(jī)器人多，點(diǎn)焊機(jī)器人較少。該行業(yè)中點(diǎn)焊與弧焊總的比例約為3：2。其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主，主要分布在工程機(jī)械(10％)、摩托車(6％)、鐵路車輛(4％)、鍋爐(1％)等行業(yè)。焊接機(jī)器人分布在全國(guó)各個(gè)經(jīng)濟(jì)地區(qū)，但主要集中在東部沿海和東北地區(qū)。東部的上海和東北的長(zhǎng)春這兩個(gè)汽車城是我國(guó)擁有焊接機(jī)器人最多的城市。我國(guó)焊接機(jī)器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。今后應(yīng)重點(diǎn)放在擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，使更多行業(yè)用上焊接機(jī)器人。
當(dāng)前世界各國(guó)在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)方面有三條不同的道路：
(1)機(jī)器人制造廠商以開發(fā)新型機(jī)器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，而各行業(yè)需要的機(jī)器人成套系統(tǒng)，一般由其子公司或社會(huì)上的工程公司來設(shè)計(jì)制造，并完成交鑰匙工程(暫稱為“日本模式”）；
(2)機(jī)器人制造廠商自己既生產(chǎn)機(jī)器人又設(shè)計(jì)制造用戶所需要的系統(tǒng)，完成交鑰匙工程(暫稱為“歐洲模式”）；
(3)本國(guó)基本不生產(chǎn)一般工業(yè)機(jī)器人，企業(yè)需要的機(jī)器人系統(tǒng)由工程公司用進(jìn)口的機(jī)器人自行設(shè)計(jì)制造外圍設(shè)備并成套，完成交鑰匙工程(暫稱為“美國(guó)模式”)。
目前我國(guó)需要研究我們的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)走什么道路的問題。我們認(rèn)為應(yīng)從“美國(guó)模式”著手，在條件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是，我國(guó)已經(jīng)形成一批焊接自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程公司，可以完成焊接機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)、設(shè)備集成與技術(shù)咨詢工作?，F(xiàn)在我國(guó)使用的焊接機(jī)器人工作站有近20％是在國(guó)內(nèi)由中國(guó)的工程師采用進(jìn)口的機(jī)器人，配合自行設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備而集成的。但是比較復(fù)雜的焊接機(jī)器人生產(chǎn)線或焊接FMS大多還需要全套從國(guó)外進(jìn)口。今后，應(yīng)促使這些工程公司做大做強(qiáng)，政府應(yīng)以政策鼓勵(lì)企業(yè)采用我國(guó)自行成套的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，而我國(guó)的工程師應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)和國(guó)外的機(jī)器人廠家和集成公司的合作與技術(shù)交流，使國(guó)內(nèi)應(yīng)用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)中自行成套的焊接機(jī)器人工作站迅速增多，促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)。
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【9】張西庚.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展.第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.第1冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997
【10】吳林等.我國(guó)焊接行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.第1冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997
【11】濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2009
【12】殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
【13】郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2008
四、擬采取的研究路線
1. 在圖書館、閱覽室查閱相關(guān)圖書和文獻(xiàn)資料。
2. 去一汽大眾調(diào)研，寫出可行性論證報(bào)告。
3. 進(jìn)行設(shè)計(jì)所用的方案論證。
4. 利用所選方案進(jìn)行焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5. 進(jìn)行各零件的強(qiáng)度分析。
五、進(jìn)度安排
序號(hào)
周 數(shù)
工 作 內(nèi) 容
1
第1周
撰寫開題報(bào)告
2
第2~3周
調(diào)研及翻譯
3
第4~5周
方案論證
4
第6~7周
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5
第8~12周
繪制零件圖及裝配圖
6
第13周
可行性檢查
7
第14周
整理畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
8
第15周
打印上交所有材料
9
第 16周
準(zhǔn)備答辯
六、外文文獻(xiàn)翻譯（標(biāo)注出原文出處，譯文4000漢字以上）
7