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1、基于锡焊机械臂的设计与实现1绪论1.1引言机器人技术是综合了机械学、计算机、控制论、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，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域，机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人(又称关节式机器人，机械手，机械臂等)由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作、自动控制，可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。它对稳定提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着关键的作用。1.2机械臂简介机械臂是一个特殊的机电一体化的设备，从控制观点来分，机器人系统可以分成四部
2、分：机器人、控制器、环境和任务。机器人是由臂(连杆)、关节和末端执行装置(连接工具)构成。控制器是个专用计算机，相当于机器人大脑，它以计算机程序方式来完成给定任务。环境就是指机器人所处的或工作的周围环境，即机器人遇到的一些障碍物及其它们之间的相互关系等。任务是指机器人要完成的操作，它需要用适当的程序语言来描述，并把它们存入到控制计算机中。1.3机械臂描述机械臂是一系列旋转或移动关节相连接的开链式杆件机构，一端通过支柱固定在机座；另一端自由，可实现装配、焊接、搬运等各种操作任务。为了能够描述机械臂的各连杆的空间位姿和它们之间的相对位姿，在机械臂的每一杆件固联上一个坐标系，利用齐次变换，来描述其相
3、对位姿和相对运动。新式的工业机器人都是以关节坐标直接编制程序的，物体在工作空间内的位置以及机器人手臂的位置，都是以某个确定的坐标系来描述的；而工作任务则是以某个中间坐标系来规定的，由笛卡尔坐标系来描述工作任务时，必须把上述这些规定变换为一系列能够由手臂驱动的关节位置，确定手臂位置和姿态的各关节位置的解答，即运动方程的求解。机器人运动学是专门研究物体运动规律，而在研究中不考虑产生运动的力和力矩，它涉及到运动物体的位置、速度、加速度和位置变量对时间的高阶导数。机器人操作臂有两个基本问题：正向运动学和逆向运动学。根据己知的各个关节的角度值来求解机械手末端执行器的坐标位置，称为机械手的正向运动学问题：
4、而根据末端执行器的坐标位置来计算机械手各个关节的角度值，这就是所谓的机械手的逆向运动学问题，它是一个反过程。机器人是主动机械装置。一般情况下，它的每个自由度都是由一个单独的执行机构驱动，从控制观点来看，机器人代表了多变量的非线性的自动控制系统，每个控制任务本身就是一个动力学任务。动力学是研究各关节驱动力(矩)与终端操作装置的位移、速度和加速度之间的关系。动力学也有两个相反问题：正向动力学问题，逆向动力学问题。2工业机器人国内外发展与研究现状2.1工业机器人国外发展与研究现状工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零
5、件、工具和专用装置以执行各种任务。在日本，单轴机器人同样被列入工业机器人的范畴。2.1.1工业机器人主要支撑技术上世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广并普及的过程中，以下三个方面的技术进步对工业机器人的发展起着非常重要的作用。(1)驱动方式的改变 20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式 。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业
6、机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、R V减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。(2)信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性
7、能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。(3)传感器技术的发展机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。2.1.2国外工业机器人发展现状日本是当今的工业机器人王国，既是工业机器人的最大制造国也是最大消费国。但实际上工业机器人的诞生地是美国。美国人英格伯格和德奥
8、尔制造出了世界上第一台工业机器人，他们发现可以让机器人去代替工人一些简单重复的劳动，而且不需要报酬和休息，任劳任怨。接着他们两人合办了世界上第一家机器人制造工厂，生产unimate工业机器人，如图1所示。图1在美国诞生的Unimate工业机器人与此同时，十九世纪七十年代的日本正面临着严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发展的一个主要问题。在美国诞生并已投入生产的工业机器人就给日本带来了福音。1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产unimate机器人。经过短暂的摇篮阶段，日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到其
9、它制造业以及非制造业。1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人，这大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓励政策，这些机器人受到了广大企业的欢迎。美国是工业机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进。现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像Adept Technologe 、American Robot Emersom Industrial Automation 等。德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主
10、流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。世界上的机器人供应商分为日系和欧系。瑞典的ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一。1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，其机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。德国的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。年产量达到一万台左右。所生产的机器
11、人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业，主要用于材料处理、机床装备、包装、堆垛、焊接、表面休整等领域。图2 是KUKA KR 100，用于高速、高精度焊接、切割和测量的机器人。图2意大利COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和MASK系列龙门焊接机器人。广泛应用于汽车制造、铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等领域。意大利COMAU公司研发的 Comau Smart NS1 如图3所示图3 Comau Smart NS12.2 我国工业机器人国内发展与研究现状2.2.1我国工业机器人的发展我
12、国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。一
13、个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业
14、机器人的大力支持。经过20多年的发展，我国机器人技术和集成能力得到了很大提高，推进了工业机器人产品的系列化及工程应用，成功将机器人技术应用于传统产业，增强了企业的市场竞争力；实现了特种机器人，特别是水下机器人和反恐排爆机器人的跨越式发展；仿人机器人等也取得了显著成绩。在工业机器人方面， 经过“ 七五” 攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持，取得了较大进展。(1)工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业化的龙头。在“九五”期间，我国研制出实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动导引车（AGV）等一系列机器人产品，完成了小批量生产及其应用工程，包括一汽集团汽车自动焊接线，嘉陵、金城
15、、三水摩托车焊接线，以及自动码垛、小型电器自动装配线等100多项机器人示范应用工程，为提高我国企业装备水平和工业机器人产业化做出了重要贡献。(2)机器人化机器推动我国工程机械的更新换代。经过多年的探索，我国在智能机器人的发展上确定了利用机器人技术去改造现有的机器，即研制机器人化机器、实现技术辐射的技术路线。同时，根据技术现状和市场情况，我国开始集中精力在工程机器人方面取得突破，徐州工程机械集团公司、江簏机械厂等单位合作完成了无人驾驶的振动式压路机、具有自动推平功能的推土机、可编程挖掘机、自动凿岩机、移动式隧道喷浆机等九种工程机械的机器人化，推动了国工程机械产品升级换代。此外，农业、建筑、冶金等
16、行业的机械机器人化工作也在逐步展开。随着时间推移，这条技术辐射之路越走越宽，为我国传统机械设备的改造做出的贡献也越来越大。机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。国外工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用。我国工业机器人的应用也已经20多年，促进了我国制造业的发展，但大部分产品依赖进口。2.2.2机器人企业发展概况我国机器人企业虽然经过20余年的发展，从无到有，从少到多。但是目前，专业从事机器人开发的企业仅50家左右。与国外机器人企业相比，我国工业机器人生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元规模的非常少，而国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。我国机器人企业的主导产品依然是工业机器人，如沈阳新松机器人自动化股份有限公司的产业化程度相对较高，2007年销售收入为6亿元，公司以工业机器人技术及装备为主导
