工藝機器人的設(shè)計

工業(yè)機器人論文核心詞：機器人工業(yè)焊接發(fā)展摘要：工業(yè)機器人是指在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的機器人，是一種能自動控制的，可重復(fù)編程的、多功效的、多自由的、多用途的操作機，是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進金屬于一體的重要當(dāng)代化制造業(yè)自動化妝備。引言：生產(chǎn)力在不停進步，推動著科技的進步與革新，以建立更加合理的生產(chǎn)關(guān)系。自工業(yè)革命以來，人力勞動已經(jīng)逐步被機械所取代，而這種變革為人類社會發(fā)明出巨大的財富，極大地推動了人類社會的進步。時至今天，機電一體化，機械智能化等技術(shù)應(yīng)運而生并已經(jīng)成為時代的主旋律。人類充足發(fā)揮主觀能動性，進一步增強對機械的運用效率，使之為我們發(fā)明出更加巨大的生產(chǎn)力，并在一定程度上維護了社會的和諧。工業(yè)機器人的出現(xiàn)是人類在運用機械進行社會生產(chǎn)史上的一種里程碑。在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化妝備的主流及將來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動公司和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。工業(yè)機器人的歷史機器人的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正開始。德沃爾曾于1946年發(fā)明了一種系統(tǒng)，能夠“重演”所統(tǒng)計的機器的運動。1954年,德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，能夠根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此含有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，由于是用重型機器進行工作，生產(chǎn)過程較為固定。1959年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。工業(yè)機器人的發(fā)展經(jīng)歷工業(yè)機器人概念的產(chǎn)生1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，運用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的統(tǒng)計和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。工業(yè)機器人是指在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的機器人，是一種能自動控制的，可重復(fù)編程的、多功效的、多自由的、多用途的操作機，是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進金屬于一體的重要當(dāng)代化制造業(yè)自動化妝備。工業(yè)機器人已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、工廠自動化(FA)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自開工具。第一臺工業(yè)機器人的問世進入20世紀后來，機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，某些實用化的機器人相繼問世，1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一種機器人“電報箱”，并在紐約舉辦的世界博覽會上展出。它是一種電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，能夠回答某些問題，但該機器人還不能走動。1959年第一臺工業(yè)機器人（可編程、圓坐標）在美國誕生，并由此開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。工業(yè)機器人的快速發(fā)展作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特性迥異，重要由類似人的手和臂構(gòu)成。1965年，MIT的Roborts演示了第一種含有視覺傳感器的、能識別與定位簡樸積木的機器人系統(tǒng)。1967年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機構(gòu)研究會），同年召開了日本首屆機器人學(xué)術(shù)會。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學(xué)術(shù)會議。1970年后來，機器人的研究得到快速廣泛的普及。1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅(qū)動的，能提高的有效負載達45公斤。到了1980年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。隨即，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機器人王國的美稱”。如今，國際上工業(yè)機器人技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用范疇越來越廣泛，現(xiàn)已從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到其它制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦、建筑、農(nóng)業(yè)、災(zāi)難救災(zāi)等多個非制造行。（KUKAKR100，用于高速、高精度焊接、切割和測量的機器人）（美國FANUCRobotics舉重機器人：KR1000TITAN售價在22.5－23萬美元之間；M-iA/1200）我國的工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人的起步我國工業(yè)機器人是從二十世紀八十年代開始起步，通過二十?dāng)?shù)年的努力，已經(jīng)形成了某些含有競爭力的工業(yè)機器人研究機構(gòu)和公司。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線有關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破10億元。現(xiàn)在國內(nèi)市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量盡萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人公司)行業(yè)集中度占30%左右，其它都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進的。國產(chǎn)工業(yè)機器人現(xiàn)在重要以國內(nèi)市場應(yīng)用為主，年出口量為100臺左右，年出口額為0.2億元以上。2、我國工業(yè)機器人的重要應(yīng)用工業(yè)機器人50%以上用在汽車領(lǐng)域。現(xiàn)在，工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域重要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。在我國，工業(yè)機器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機械行業(yè)，重要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。現(xiàn)在，由于機器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還重要應(yīng)用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機器人有超出二分之一是提供應(yīng)汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增加的原動力之一。3、焊接機器人的重要地位焊接機器人在汽車制造業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。焊接機器人實在工業(yè)機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進焊接設(shè)備，是從事焊接（涉及切割與噴涂）的工業(yè)機器人，重要用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，其廣泛應(yīng)用于汽車及零部件制造、摩托車、工程機械等行業(yè)，在汽車生產(chǎn)的沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大生產(chǎn)工藝過程中都有廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用最多的以弧焊、點焊為主。到現(xiàn)在為止，焊接工業(yè)機器人在一汽、上汽、沈陽中順、金杯通用、重慶長安、湖南長豐等整車制造公司得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，每輛汽車身上，大概有3000～4000個電阻點焊焊點。電阻電焊技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了汽車車身制造的量產(chǎn)化與自動化。數(shù)年來，我國汽車零部件生產(chǎn)始終是手工焊、專機焊接占據(jù)焊接生產(chǎn)的重要地位，勞動強度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，焊接質(zhì)量不易確保，并且生產(chǎn)的柔性也很差，無法適應(yīng)當(dāng)代汽車生產(chǎn)的需要。近年來由于焊接機器人的大量應(yīng)用，提高了零部件生產(chǎn)的自動化水平及生產(chǎn)效率，焊接質(zhì)量也得到了確保。近年來，焊接機器人在大連華克、上海華克，上海龍馬神、南京新迪、長春佛吉亞、上海匯眾等零部件及配件生產(chǎn)公司也有著典型的應(yīng)用。在汽車零部件的生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用了點焊、凸焊、縫焊、對焊及電弧焊等焊接工藝。如：橫梁總成托架電焊，傳動軸平衡片凸焊，汽車燃油箱縫焊，汽車輪圈持續(xù)閃光對焊，汽車轉(zhuǎn)向臂、消聲器、凈化器殼體的電弧焊等。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和對自動化水平規(guī)定的不停提高，將為焊接機器人市場的快速增加提供了一種良好的機會。預(yù)計國內(nèi)公司對焊接機器人的需求量將以30%以上的速度增加。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機器人不停向智能化方向發(fā)展，完全實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機器人的群體協(xié)調(diào)和集成控制，從而達成更高的可靠性和安全性。而采用焊接機器人的汽車生產(chǎn)公司在高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本條件下必將獲得高速發(fā)展，也將為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的生機。4、我國機器人技術(shù)主題發(fā)展的戰(zhàn)略目的我國這一戰(zhàn)略目的是：根據(jù)2l世紀初我國國民經(jīng)濟對先進制造及自動化技術(shù)的需求，瞄準國際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。將來工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展的重點有：第一，危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機器人：重要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機器人；第二，醫(yī)用機器人：重要有腦外科手術(shù)輔助機器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機器人：重要有移動機器人，網(wǎng)絡(luò)遙控操作機器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參加國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加緊工業(yè)機器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個歷史機遇的重要途徑。因此我國工業(yè)機器人行業(yè)要認識到下列幾點狀況：第一，工業(yè)機器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的重要手段和途徑，政府要對國產(chǎn)工業(yè)機器人有更多的政策與經(jīng)濟支持，參考國外先進經(jīng)驗，加大技術(shù)投入與改造；第二，在國家的科技發(fā)展計劃中，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)對智能機器人研究開發(fā)與應(yīng)用予以大力支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同時協(xié)調(diào)的新局面；第三，部分國產(chǎn)工業(yè)機器人已經(jīng)與國外相稱，公司采購工業(yè)機器人時不要盲目進口，應(yīng)當(dāng)立足國產(chǎn)，經(jīng)綜合評定，然后作出安排?？傊?，工業(yè)機器人已經(jīng)在我們的生活中發(fā)揮者不可替代的作用。相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不停發(fā)展和提高，機器人將會越來越廣泛的滲入到我們生活的各個方面，而作為機器人的一種重要分支——工業(yè)機器人，將會更深一步的影響我們的生活。四.工業(yè)機器人設(shè)計部分：1.介紹機器人技術(shù)是融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等許多學(xué)科的知識，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。某些發(fā)達國家已把機器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都要舉辦諸如“NHK杯大學(xué)生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等多個類型的機器人制作比賽，參加者多為學(xué)生，旨在通過大賽全方面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、發(fā)明能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識.[1]開展機器人的制作活動，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的最佳實踐活動之一，特別是機電專業(yè)學(xué)生開展綜合知識訓(xùn)練的最佳平臺。本文針對含有引導(dǎo)線環(huán)境下的途徑跟蹤這一熱點問題，基于單片機控制及傳感器原理，通過硬件電路制作和軟件編程，制作了一種機器人，實現(xiàn)了機器人的途徑跟蹤和自動糾偏的功效，并能探測金屬，實時顯示距離。2機器人要完畢的功效選用一塊光滑地板或木板，上面鋪設(shè)白紙，白紙上畫任意黑色線條(線條不要交叉)，作為機器人行走的軌跡，引導(dǎo)機器人自主行走。紙下沿黑線軌跡隨機埋藏幾片薄鐵片，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機器人沿軌跡行走一周，探測出埋藏在紙下鐵片，發(fā)出聲光報警，并顯示鐵片距離起點的位置。3硬件設(shè)計方案機器人的總體構(gòu)成

圖1機器人總體構(gòu)成如圖1所示，以微解決器為核心，接受傳感器傳來外部信息，進行解決，控制機器人的運行。系統(tǒng)電源供電部分由于機器人電機，傳感器及系統(tǒng)CPU等部分均采用+5V供電，考慮電動車功率和車載質(zhì)量及摩擦阻力問題，電源我們采用電動車自帶干電池組，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。電機驅(qū)動及PWM調(diào)速部分機器人需控制在一種適宜的速度行駛，速度太快，因單片機對各傳感器傳來的信號有一種響應(yīng)、解決時間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪直流電機轉(zhuǎn)速控制，變化直流電機轉(zhuǎn)速普通采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡樸，易與實現(xiàn)。采用由晶體管構(gòu)成的H型PWM調(diào)制電路。通過圖2所示PWM調(diào)制電路，用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)速。

圖2電機驅(qū)動電路令單片機P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動機正常工作。變化P1.6口高電平周期，即變化PWM調(diào)制脈沖占空比，能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高持續(xù)性好，但帶負載能力差;脈沖頻率低則反之[2]。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在30Hz以上，電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但小車行駛時，由于摩擦力使電機轉(zhuǎn)速減少很快，甚至停轉(zhuǎn);脈沖頻率在10Hz下列，電機轉(zhuǎn)動有跳躍現(xiàn)象，實驗證明脈沖頻率在25～35Hz效果最佳。我們選用脈沖頻率為30Hz。引導(dǎo)線檢測模塊根據(jù)白紙和黑線反射系數(shù)不同，通過以光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進行分辨，轉(zhuǎn)化為不同電平信號，將此電平信號送單片機，由單片機控制轉(zhuǎn)向電機作對應(yīng)的轉(zhuǎn)向，確保小車沿引導(dǎo)線行駛?？紤]到小車與路面的相對位置，采用反射式光電檢測電路。紅外光電傳感器TCRT1000，它是一種光電子掃描，光電二極管發(fā)射，三極管接受并輸出的裝置.它的特點是尺寸小、使用方便、信號高輸出、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡樸，(如圖3所示)。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過一電阻和電源相接，構(gòu)成偏置電流電路;三極管的C端也通過一電阻和電源相接，構(gòu)成輸出電路。當(dāng)檢測器檢測到白色時，其輸出低電平;當(dāng)檢測到黑色時，則輸出高電平。為提高檢測精度，采用了多傳感器信息融合技術(shù)。設(shè)計中，在車頭均勻布置三個光電傳感器，其中，中間一種(Q1)安裝在小車正中央。Q1的輸出經(jīng)一級比較器和非門，接單片

圖3光電檢測轉(zhuǎn)換電路機的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一種傳感器，經(jīng)與圖3相似的電路后也連接到單片機P1口。若兩側(cè)某一傳感器檢測到黑線，表明小車正脫離軌道，將3個檢測點的成果融合后作為單片機的輸入，機器人按照單片機P1口信息進行判斷調(diào)節(jié)，實現(xiàn)途徑跟蹤和自動糾偏[3]。

金屬探測部分圖4金屬探測電路如圖4所示，金屬探測器使用一靠近開關(guān)，探測有效距離約為4mm，將它固定在機器人上，當(dāng)探測到金屬片時，探測器輸出端輸出低電平，經(jīng)反向器后接一發(fā)光二極管和一蜂鳴器，發(fā)出聲光批示信號。同時輸出反向后接單片機，對探測到的金屬片個數(shù)進行計數(shù)?；魻栐y距設(shè)計霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板構(gòu)成，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)╗4]，因此能夠在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖計數(shù)進行距離測量。小車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾