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芯片自动焊接机器人机械系统的设计

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。

1.2 国内外焊接机器人的研究现状和发展趋势

1.2.1 国内外焊接机器人研究现状

随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志[3]。

1.国外焊接机器人研究现状

从20世纪60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标[3]。国外焊接机器人的研究始于20世纪60年代,其中具有代表性的早期焊接机器人有：如图1-1所示，已有30多年的研发历史的安川公司自1977年研制出第一台全电动工业机器[4]。

 

图1-1  第一台全电动机器人

自从第一台工业机器人问世以来，焊接机器人就显示出了极强的生命力。经过近50年的飞速发展，在工业发达国家，焊接机器人已经广泛应用于汽车工业、航天、船舶、机械加工行业、电子电气行业、食品工业及其他相关制造业等诸多领域中，并作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志之一[5]。目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa，德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的Adept Technology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业。

2.国内焊接机器人研究现状

我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接 [6]。1985年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台HY-1型焊接机器人。

 

图1-2  HY-1型焊接机器人

1989年北京机床研究所和华南理工大学联合为天津自行车二厂研制出了焊接自行车前三脚架的TJR.GI型弧焊机器人，为“二汽”研制出用于焊接东风牌汽车系列驾驶室及车身的点焊机器人。上海交通大学研制的“上海1号”、“上海2号”示教型机器人也都具有弧焊和点焊的功能[7]。

经过三十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。1997年首都钢铁公司和日本安川式会社共同建立了首钢莫托曼机器人公司，并于当年年底推出了第一批国内生产的机器人，其中主要产品是焊接机器人。1999年7月15日，国家863计划智能机器人主题专家验收通过了由“一汽”集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的HT-100A型点焊机器人[8]。由此可见，我们国内的焊接机器人已开始逐步走向实用化阶段。

1.2.2 国内外工业机器人研究趋势

从近几年世界上推出的机器人产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展。其发展趋势为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化，以及系统的网络化和智能化等方面[9]。下面具体说明国内外工业机器人技术发展趋势。

机器人性能提高。高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元左右。

机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问世。

机器人本体结构更新加快。随着技术的进步，机器人本体结构近10年来发展变化很快。以安川MOTOMAN机器人产品为例，L系列机器人持续10年，K系列持续5年时间，SK系列持续3年时间，1998年底川公司推出了最新的UP系列。其突出的特点是：大臂采用新的非平行四边形的单连杆机构，工作空间有所增加，本体自重进一步减少，变得更加轻巧。

机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧。安川公司的UP系列机器人采用了新开发的控制器YASNACXRC，主要特点是具有网络通信功能。目前，比较引人注目还有DENSO公司的“NetwoRC”(New Technology Open Robot Controller)控制器，其特点是：采用板式PC我，约为台式PC大小；有3个ISA总线扩展槽，可安装Ethernet卡、Device Net卡和图像处理卡；NetwoRC是开放式机器人控制技术发展的典型代表。机器人控制网络化已成为发展趋势。

机器人中传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

虚拟现实技术在机器人中的作用已仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远程作业环境中的感觉来操纵机器人。

当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳Sojanor”机器人就是成功应用的最著名的实例。

机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究[10]。

1.2.3 焊接机器人技术存在的主要问题

目前，焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代的任务示教再现型，功能较为单一，工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节的运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录[11]。

由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出下述明显缺点：不具备适应焊接对象和任务变化的能力；对复杂形状的焊缝编程效率低，占用大量生产时间；不能对焊接动态过程实时检测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求[13]。

无论是现代制造技术发展趋势的推动，还是焊接产品制造的生产实际需求，都对焊接机器人技术性能提出了智能化水平的期望和要求。

1.2.4 芯片焊接机器人研究的意义

芯片焊接机器人在生产芯片中具有广泛的使用价值。因为在制造行业应用机器人的主要目的在于削减生产人员编制、提高劳动生产率、降低劳动强度及提高产品质量。特别是，在芯片焊接的过程，焊接精度和速度等指标提出非常高的要求，一般工人很难胜任这一工作。此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害。在过去的几十年，在造船过程中已经出现了大量的自动化焊接的尝试。然而，在双层船体还有许多非自动化焊接操作，尽管对于工人来说，这是一个极其危险的环境[14]。因此，在芯片焊接过程中，应用焊接机器人，可以实现完全的自动化。

芯片焊接机器人与传统的机器或人工焊接相比具有以下优点：容易实现生产过程的完全自动化；对生产设备的高度适应能力。

因此，芯片焊接过程的完全自动化已成为一个重要的研究课题，对设计出满足芯片焊接功能要求的多自由度焊接机器人的研究是很有意义的。

1.3 焊接机器人焊接系统简介

机器人系统由机器人手臂、控制器、驱动器、示教盒、焊机、变位机以及回转工作台等周边装置、焊接夹具、安全装置等组成，如图1-3所示。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内；对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。

 

图1-3  焊接机器人系统

1.4 研究内容

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。

 

总结与展望

本课题根据芯片焊接精度的基本要求，对自动焊接机器人的机械系统进行了结构设计。全文在对焊接机器人的研究及应用现状与焊接机器人系统进行了详地论述。明确了焊接机器人工作原理和芯片焊接工艺方案之后，确定了机器人机械系统的总体方案，设计了机械系统中各个机构。运用软件建立了机器人的三维模型，进行了运动仿真与受力分析。主要研究工作可以归纳如下：

首先，以X轴与Y轴方向传动装置的设计为重点，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。

其次，运用Pro/E软件对焊接机器人进行了三维建模，主要包括对X-Y工作台、回转式工作台及末端执行结构的进行了三维实体设计。接着，将各个部件进行了装配，检测了是否存在干涉现象。再通过Pro/E软件导出二维CAD工程图纸。

然后，在Pro/E机构运动仿真模块Mechanism中，实现了焊接机器人X、Y、Z轴及Z轴旋转方向的运动仿真，从而保证了组件间的相对运动和运动的正确性。

最后，运用ANSYS软件对焊接机器人关键部件进行了受力分析，这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。

结合自己在机器人设计过程的研究，并在参阅大量国内外相关文献的基础上，提出以下相关工作的展望。

本文设计了芯片自动焊接机器人机械系统，达到了预期的效果，但是也存在一些缺点：在运动学仿真的过程，并未按照实际进行焊接过程的模拟，可以尝试用其它仿真手段如OpenGL软件或者ADAMS虚拟样机软件实现机器人仿真系统；要能够真正地运用到生产实践中，在设计的过程中还需要对各个部件进行更加详细地设计。

参考文献

[1]相午, 曹玉栋. 芯片焊接机光学探头的设计及标定[J]. 光学仪器, 2007, 29(3): 56~59 

[2]魏娜然, 刘明亮, 唐文庆. 我国焊接技术的发展现状及趋势[J]. 科技创新导报, 2009, (3): 2 

[3]陈善本, 林涛. 智能化焊接机器人[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 4~8 

[4]陈爱珍. 日本工业机器人的发展历史及现状[J]. 机械工程师, 2008, (7): 8~11 

[5]许燕玲, 林海, 陈善本. 焊接机器人应用现状与研究发展趋势[J]. 金属加工热加工, 2010, (8): 32~37 

[6]毛鹏军. 焊接机器人技术发展的回顾与展望[J]. 焊接, 2001, (8): 6~9 

[7]王彬. 中国焊接生产机械化自动化技术发展回顾[J]. 焊接技术, 2000, (3): 12~14 

[8]姚志良. 我国工业机器人发展的几点思考[J]. 机器人技术与应用，2005, (3): 28~9 

[9]刘文波, 陈白宁, 段智敏. 工业机器人[M]. 沈阳：东北大学出版社, 2007. 1~11

[10] 张波, 韩珩. 我国机器人的现在与未来[J] . 科技资讯, 2010, (10): 206 

[11] Fabienne Reynier, Jean-Yves Hascoet. Off-line programming by CAD-systems for welding robot[J].  Robotics and Autonomous Systems, 1990 (6): 383~389 

[12] Donghun Lee, Namkug Ku, Tae-Wan Kim, Jongwon Kim, Kyu-Yeul Lee, Youg-Shuk Son. Development and application of an intelligent welding robot system for shipbuilding[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2011(27): 377~388

[13] 费仁元, 张慧慧. 机器人机械设计和分析[M]. 北京：北京工业大学出版社, 1998. 21~31 

[14] 李刚, 周文宝. 直角坐标机器人简述及其应用介绍[J]. 伺服系统, 2008, 8: 72~74 

[15] 李蕾, 崔建国. 精密机械设计[M]. 北京：化学工业出版社, 2009. 273~274 

[16] (加)安杰利斯(Angelds, J.) , 宋伟刚. 机器人机械系统原理理论、方法和算法[M]. 北京：机械工业出版社, 2004. 83~104

[17] 赵松年, 张奇鹏. 机电一体机械系统设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1996. 175~190 

[18] 胡胜海. 机械系统设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 1997. 52~53 

[19] 吴振彪, 胡均安. 机电综合设计指导[M]. 北京：中国人民大学出版社, 2000. 20~35 

[20] 濮良贵, 纪名刚. 机械设计[M]. 北京：高等教育出版社, 2006. 334~345 

[21] 史习敏, 黎永明. 精密机械设计[M]. 上海：科学技术出版社, 1997.140~150