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芯片自动焊接机器人机械系统的设计（Pro/E）（ANSYS软件）

主要任务与目标

工业机器人在制造业中得到广泛应用。本课题拟设计一套多自由度的芯片自动焊接工业机器人系统，主要设计其机械系统。

本课题的主要工作为：通过对芯片焊接工业机器人工作原理的了解，设计一套多自由度工业机器人机械系统。具体包括各零部件的设计及计算，并能够使用二维、三维制图软件完成图形的绘制，以及零部件的生成、装配。为了进一步完善方案，还利用三维制图软件做出了对其进行运动仿真、力学分析，从而清晰明朗的了解运动过程及各个零件之间的运动关系，了解结构强度。

该同学在本课题中主要任务是：

1）理解多自由度焊接工业机器人工作原理；

2）焊接机器人设计的方法、内容；

3）设计一套多自由度焊接工业机器人系统，并进行相关的力学分析、运动学分析。

目标：

提出的设计方案可行，结构设计合理，完成的设计图纸满足生产要求。

 

主要设计内容有：

1）机器人的结构设计；

2）机器人的运动学分析；

3）机器人的力学分析。

基本要求：

按照课题内容，完成总体方案设计，完成零件图、装配图设计，总计不少于2张A0图纸。

完成毕业设计要求的各种文档，包括文献综述、开题报告、外文翻译及毕业设计论文等。

严格按照进度安排，保质保量完成所承担的任务；遵守实验室规定。

 

摘要

焊接机器人是一种自动化的焊接设备。采用机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志已被国内很多企业所接受，并且越来越多的企业首选焊接机器人作为技术改造的方案。焊接机器人的提出给芯片焊接研究带来了新的活力。

以芯片自动焊接机器人为研究对象。对机器人机械系统进行了结构设计的基础研究、运动仿真与受力分析，深入研究了工业机器人工作原理。

本文共由五章组成，各章的主要内容如下:第一章阐述了焊接机器人的应用现状和发展趋势，重点介绍了焊接机器人系统的组成。第二章分析了芯片焊接工艺方案，对各种坐标形式的机器人进行了比较，采取了以直角坐标的形式设计机器人，确定了机器人总体的传动方案。第三章中以X轴与Y轴方向传动装置的设计为重点，采用计算查表等方法对电机、滚珠丝杠进行了选择与校核计算，又对联轴器与导轨进行了选择并且确定了滚珠丝杠的支承方式。在自动焊接机器人的结构设计中，对X-Y工作台基座结构及Z轴方向的升降机构装置进行了设计。第四章运用Pro/Engineer软件，对X-Y工作台、回转式工作台及末端执行结构建立了三维模型。对各个部件进行了装配，检测了是否存在干涉现象。然后导出了二维CAD工程图纸；在Pro/E机构运动仿真模块中，实现了焊接机器人在X、Y、Z轴及Z轴旋转方向的运动仿真，考察了机器人各组件的运动情况，得到了各种有效的仿真数据结果，进一步说明了对机器人运动学分析研究系列结论的正确性；运用ANSYS软件对焊接机器人关键部件进行了受力分析，主要包括手臂的静力学分析和优化设计，以及对滚珠丝杠进行了瞬时动态力学分析。 第五章对全文工作进行了总结，对下一步的研究工作进行了展望。

关键词：芯片焊接；焊接机器人；三维建模；传动方案

 

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外焊接机器人的研究现状和发展趋势 1

1.2.1  国内外焊接机器人研究现状 1

1.2.2  国内外工业机器人研究趋势 3

1.2.3  焊接机器人技术存在的主要问题 5

1.2.4  芯片焊接机器人研究的意义 5

1.3 焊接机器人焊接系统简介 6

1.4 研究内容 6

第2章 机器人机械系统总体方案设计 8

2.1 芯片焊接工艺方案分析 8

2.2 机器人模型创建坐标形式的确定 11

2.2.1  机器人坐标形式比较 11

2.2.2  机器人设计方案与论证 12

2.3 机器人总体方案设计 13

2.3.1  传动系统方案设计 13

2.3.2  机器人工作原理介绍 14

第3章  自动焊接机器人结构设计 16

3.1 X轴与Y轴方向传动装置设计 16

3.1.1  电机的选择 16

3.1.2  滚珠丝杠的选择与校核 24

3.1.3  联轴器的选用 27

3.1.4  丝杠支承方式的确定 28

3.1.5  导轨的选用 29

3.2  X-Y工作台基座结构设计 32

3.2.1  X轴方向的底座设计 32

3.2.2  Y轴方向的支承箱体设计 33

3.2.3  工作台的支承板设计 34

3.3  Z轴升降机构装置设计 34

3.3.1  导轨的选用 34

第4章 三维建模仿真及受力分析 36

4.1 机器人机身的结构设计 36

4.1.1  X-Y工作台三维建模 37

4.1.2  工作台三维建模 40

4.1.3  末端执行结构设计 41

4.1.4  焊接机器人总装配图 42

4.2 芯片自动焊接机器人三维运动仿真 43

4.2.1  创建运动模型 44

4.2.2  运动分析 48

4.3 机器人受力分析 49

4.3.1  手臂的静力学分析 49

4.3.2  滚珠丝杠的动力学瞬态分析 53

第5章 总结与展望 58

参考文献 59

致  谢 60

附  录

 

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

机器人技术是融合了电子技术、机械技术等多种新兴技术的一种高新技术。工业机器人先后经历了从第一代示教再现机器人，第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志[1]。

随着半导体集成电路技术的发展，大量的功能模块被集成在单个或者多个的芯片上，再通过焊接技术组合到合适的基板上组成所需要的电路系统，这样的技术随着通讯技术和计算机技术突飞猛进的发展已经广泛应用在各个领域[1]。由于芯片集成技术的提高，故个体大小在几毫米、焊接点在几十微米的芯片的焊接必须借助高度精确的焊接方式才能实现。要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制，研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机，在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件[2]。

故芯片自动焊接机器人为了适应这一需要而提出的。本课题的主要目的是采用芯片焊接工业机器人工作原理，设计出一套多自由度工业机器人机械系统。

 

本次毕业设计中主要完成的内容包括：

1.多自由度焊接工业机器人工作原理分析与设计

分析多自由度焊接工业机器人的工作原理，多自由度焊接工业机器人采用建立直角坐标模型及运动分析，进行原理性多自由度焊接工业机器人方案设计。

2.多自由度焊接工业机器人的三维CAD建模、装配

多自由度焊接工业机器人的具体结构设计，利用Pro/Engineer软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进结构设计。

3.多自由度焊接工业机器人初步的动力学仿真

通过Pro/Engineer软件建立的三维模型，进行运动轨迹的仿真并且结合ANSYS软件对机器人手臂和滚珠丝杠进行受力分析，对尺寸结构等参数进行调整设计。

 

参考文献

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