工艺机器人设计.doc

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1、工业机器人论文关键词：机器人 工业 焊接 发展 摘要：工业机器人是指在工业环境中应用的机器人，是一种能自动控制的，可重复编程的、多功能的、多自由的、多用途的操作机，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备。引言： 生产力在不断进步，推动着科技的进步与革新，以建立更加合理的生产关系。自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步。时至今天，机电一体化，机械智能化等技术应运而生并已经成为时代的主旋律。人类充分发挥主观能动性，进一步增强对机械的利用效率，使之为我们创造出愈加巨大的生

2、产力，并在一定程度上维护了社会的和谐。工业机器人的出现是人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。一、 工业机器人的历史机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。德沃尔曾于194

3、6年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。1959年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。二、 工业机器人的发展经历1、 工业机器人概念的产生 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有

4、的机器人差不多都采用这种控制方式。工业机器人是指在工业环境中应用的机器人，是一种能自动控制的，可重复编程的、多功能的、多自由的、多用途的操作机，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。2、 第一台工业机器人的问世 进入20世纪以后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可

5、以回答一些问题，但该机器人还不能走动。1959年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，并由此开创了机器人发展的新纪元。3、 工业机器人的快速发展作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。 1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。 1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。 1970年在美国召开了第一

6、届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。 1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。 到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。 随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。 如今，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广泛，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救灾等各种非制造行。（KUKA KR 100，用于高速、高精度焊接、切割和测量的机器人）（美国FANUC Robot

7、ics举重机器人：KR 1000 TITAN售价在22.523万美元之间；M-2000iA/1200）三、 我国的工业机器人1、 我国工业机器人的起步我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。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的产品的年销售额已突破10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家

8、工业机器人企业)行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。2、我国工业机器人的主要应用工业机器人50%以上用在汽车领域。目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器人有超过一半是提供给汽

9、车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。3、焊接机器人的重要地位焊接机器人在汽车制造业中发挥着不可替代的作用。焊接机器人实在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程中都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。到目前为止，焊接工业机器人在一汽、上汽、沈阳中顺、金杯通用、重庆长安、湖南长丰等整车制造企业得到了广泛应用。据统计，每辆汽车身上，大约有30004000个电阻点焊焊点。电阻电焊技术的应用

10、实现了汽车车身制造的量产化与自动化。多年来，我国汽车零部件生产一直是手工焊、专机焊接占据焊接生产的主要地位，劳动强度大，作业环境恶劣，焊接质量不易保证，而且生产的柔性也很差，无法适应现代汽车生产的需要。近年来由于焊接机器人的大量应用，提高了零部件生产的自动化水平及生产效率，焊接质量也得到了保证。近年来，焊接机器人在大连华克、上海华克，上海龙马神、南京新迪、长春佛吉亚、上海汇众等零部件及配件生产企业也有着典型的应用。在汽车零部件的生产中广泛应用了点焊、凸焊、缝焊、对焊及电弧焊等焊接工艺。如：横梁总成托架电焊，传动轴平衡片凸焊，汽车燃油箱缝焊，汽车轮圈连续闪光对焊，汽车转向臂、消声器、净化器壳体的

11、电弧焊等。随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也将为汽车产业的发展带来新的生机。4、我国机器人技术主题发展的战略目标我国这一战略目标是：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、

12、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、高可靠性和易于集成。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况：第一，工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机器人有更多

13、的政策与经济支持，参考国外先进经验，加大技术投入与改造；第二，在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该立足国产，经综合评估，然后作出安排。总之，工业机器人已经在我们的生活中发挥者不可替代的作用。相信，随着科学技术的不断发展和提高，机器人将会越来越广泛的渗入到我们生活的各个方面，而作为机器人的一个重要分支工业机器人，将会更深一步的影响我们的生活。四.工业机器人设计部分：1.简介机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识

14、，涉及到当今许多前沿领域的技术。一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛，参加者多为学生，旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神，同时也普及智能机器人的知识.1开展机器人的制作活动，是培养大学生的创新精神和实践能力的最佳实践活动之一，特别是机电专业学生开展综合知识训练的最佳平台。本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题，基于单片机控制及传感器原理，通过硬件电路制作和软件编程，制作了一个机器人，实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功

15、能，并能探测金属，实时显示距离。2机器人要完成的功能选取一块光滑地板或木板，上面铺设白纸，白纸上画任意黑色线条(线条不要交叉)，作为机器人行走的轨迹，引导机器人自主行走。纸下沿黑线轨迹随机埋藏几片薄铁片，铁片厚度为0.51.0mm。机器人沿轨迹行走一周，探测出埋藏在纸下铁片，发出声光报警，并显示铁片距离起点的位置。3硬件设计方案机器人的总体构成图1机器人总体构成如图1所示，以微处理器为核心，接受传感器传来外部信息，进行处理，控制机器人的运行。系统电源供电部分由于机器人电机，传感器及系统CPU等部分均采用+5V供电，考虑电动车功率和车载质量及摩擦阻力问题，电源我们采用电动车自带干电池组，功耗小、

16、体积小和质量轻，安装较为方便。电机驱动及PWM调速部分机器人需控制在一个合适的速度行驶，速度太快，因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间，小车极易偏离轨道。小车的速度是由后轮直流电机转速控制，改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。其中，调压方式原理简单，易与实现。采用由晶体管组成的H型PWM调制电路。通过图2所示PWM调制电路，用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调状态，实现调速。图2电机驱动电路令单片机P1.7口为低电平，P1.6口为高电平，此时Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，电动机正常工作。改变P1.6口高电平周期，即改变PWM调制脉冲占空比，可以实现精确调速。脉冲频率

17、对电机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差;脉冲频率低则反之2。经实验发现，脉冲频率在30Hz以上，电机转动平稳，但小车行驶时，由于摩擦力使电机转速降低很快，甚至停转;脉冲频率在10Hz以下，电机转动有跳跃现象，实验证明脉冲频率在2535Hz效果最佳。我们选取脉冲频率为30Hz。引导线检测模块根据白纸和黑线反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分，转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，保证小车沿引导线行驶。考虑到小车与路面的相对位置，采用反射式光电检测电路。红外光电传感器TCRT1000，它是一种光电子扫描，光电二

18、极管发射，三极管接收并输出的装置.它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单，(如图3所示)。二极管的C端和三极管的E端接地，二极管的A端通过一电阻和电源相接，组成偏置电流电路;三极管的C端也通过一电阻和电源相接，组成输出电路。当检测器检测到白色时，其输出低电平;当检测到黑色时，则输出高电平。为提高检测精度，采用了多传感器信息融合技术。设计中，在车头均匀布置三个光电传感器，其中，中间一个(Q1)安装在小车正中央。Q1的输出经一级比较器和非门，接单片图3光电检测转换电路机的P1.3脚.Q1左右两端分别布置一个传感器，经与图3相同的电路后也连接到单片机P1口。若

19、两侧某一传感器检测到黑线，表明小车正脱离轨道，将3个检测点的结果融合后作为单片机的输入，机器人按照单片机P1口信息进行判断调整，实现路径跟踪和自动纠偏3。金属探测部分图4金属探测电路如图4所示，金属探测器使用一接近开关，探测有效距离约为4mm，将它固定在机器人上，当探测到金属片时，探测器输出端输出低电平，经反向器后接一发光二极管和一蜂鸣器，发出声光指示信号。同时输出反向后接单片机，对探测到的金属片个数进行计数。霍尔元件测距设计霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，根据霍尔效应，金属板发生横向导通4，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲计数进行距离

20、测量。小车后轮每转一圈，霍尔元件产生的脉冲送入单片机的T0口进行计数，单片机完成脉冲数到距离的转换。在后轮安装一个磁极，测量误差是一个车轮的周长，可在软件中给予补偿。LCD显示液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里采用2行16个字的DM-162液晶模块，通过与单片机连接，编程，完成显示功能。4系统软件流程系统软件流程如图5所示。图5系统软件流程图5结论本文基于单片机及传感器原理，以单片机为控制器的核心，小型直流电机作为驱动元件，配置不同类型的传感器，通过软件编程，制作出了一个价格低廉、模块化结构的小型机器人。大量

21、的行走实验证明，该机器人能够顺利路径跟踪和自动纠偏自主行走，并完成探测、显示等功能。6.参考文献1韩建海，赵书尚，张国跃等。基于PIC单片机的六足机器人制作。机器人技术与应用，2003,062姜长涨，于万元，王冬蕾。基于AVR单片机的直流电动机的PWM调速系统设计。仪器仪表用户，2006,023薛艳茹，郑冰，郝兴贞，等。基于模糊控制信息融合方法的机器人导航系统。微计算机信息，2005年第11-2期4张寿安。霍尔效应在位置控制中的应用。长沙铁道学院学报(社会科学版)，2005,02 5谢存禧 张铁 机器人技术及其应用 机械工业出版社 2006。6王启平 机械制造工艺学 哈尔滨工业大学出版社 1988。7周伯英 工业机器人设计 机械工业出版社 1995。