“慧魚”工業機器人的三維實體建模及仿真摘要工業機器人作為現代制造技術發展的重要標志之一和新興技術產業，已為世人所認同，并正對現代高技術產業各領域以至人們的生活產生了重要影響。本設計從工業機器人的發展為引線，闡述了工業機器人以及焊接機器人的發展和應用現狀，分析介紹了焊接機器人系統的組成、特點和發展趨勢。然后以德國“慧魚”焊接工業機器人模型為基礎，并對其所有模型零件進行了系統的測繪和記錄，并運用美國參數技術公司開發的以參數化設計著稱的產品設計軟件Pro/E對“慧魚”焊接工業機器人模型的零件逐一地進行了三維建模，再運用Pro/E裝配對零件進行了裝配并對工業焊接機器人模型的三維實體模型進行了仿真和部分的應力結構分析。關鍵字：慧魚創意組合；工業機器人；焊接機器人；Pro/E；三維仿真。

“fisher”industryrobot'sthreedimensionalentitymodellingandsimulationabstractTheindustrialrobottakesoneofimportantsymbolsinmoderntechniqueofmanufacturedevelopmentandtheemergingtechnologicalindustry,hasbeenwidelyrecognizedbythewholeworld,andisinallareasofmodernhigh-techindustriesaswellasthelivesofthepeoplehadamajorimpact.Thedesignofthedevelopmentofindustrialrobotsfromthelead,industrialrobots,anddescribedthedevelopmentandapplicationofweldingrobots,analyzeddescribesthecompositionoftheweldingrobotsystem,characteristicsandtrends.ThentheGermanindustrialrobotsweldingFischertechnikmodel,anditspartsallmodelsofthesystemmappingandrecords,andusingtechnologydevelopedbytheU.S.argumentforparametricdesignsoftware,productdesign,knownforPro/EonFischermodelofindustrialrobotsweldingthepartsonebyonecarriedoutthree-dimensionalmodeling,andthenusePro/Eassemblyofpartsandassemblyofindustrialweldingrobotmodelthree-dimensionalsolidmodelsimulationandstructuralanalysisofsomeofthestress.Keywords:fischertechnikcreativecombined；Industryrobot;Theweldsrobot;Pro/E;Threedimensionalsimulation

目錄1緒論 11.1工業機器人的發展與應用 11.1.1工業機器人的發展及應用領域 11.1.2工業機器人的國內外發展現狀及趨勢 31.2焊接機器人的應用與展望 41.2.1焊接機器人的發展歷程 41.2.2焊接機器人的應用和技術現狀 51.2.3焊接機器人的發展趨勢 51.3.Pro/ENGINEER軟件系統 71.3.1Pro/ENGINEER系統概況及特點 71.3.2軟件應用狀況及影響 81.3.3用該軟件建立三自由焊接機器人零件的特點 82“慧魚”焊接工業機器人的工作原理解析 92.1慧魚焊接工業機器人的整體設計思路 92.2“慧魚”焊接工業機器人的工作原理 93“慧魚”工業機器人 123.1慧魚創意組合模型的概況及運用 123.2“慧魚”機器人的基本構件和用法 133.2.1慧魚的特點 133.2.2基本構件 153.3“慧魚”常用機構和拓展設計 204“慧魚”工業焊接機器人模型的建模及虛擬運動仿 244.1零件建模 244.1.1建立標準件 244.1.2參數化建模 254.1.3建立三自由度工業焊接機器人模型零件庫 264.2三自由度工業焊接機器人模型裝配 264.3運動仿真 30致謝 33參考文獻 341緒論1.1工業機器人的發展與應用1.1.1工業機器人的發展及應用領域工業機器人是一種典型的光、機、電一體化高科技產品，一般指在工廠車間環境中，配合自動化生產的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。工業機器人的定義為:一種自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機.操作機定義為:具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置.工業機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備.特別適合于多品種、變批量的柔性生產.它對穩定、提高產品質量，提高生產效率改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用.1959年被稱為“工業機器人之父”的美國發明家約瑟夫·英格伯格與德沃爾聯手制造出世界上第一臺工業機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠Unlmation公司.1962年美國ANJ公司生產出的“VERSTRAN”(意思是萬能搬運)成為真正商業化的工業機器人，掀起了全世界對機器人研究的熱潮.從20世紀60年代后期開始，搬運、噴漆、弧焊機器人相繼在生產中得到應用。從20世紀70年代開始，機器技術的研究重點被放在對外部傳感器和控制方法的研究上.20世紀80年代以后，在著重研究機器人視覺的同時，機器人先進控制方法和應用領域不斷的進步和擴展.從上世紀90年代開始，隨著計算機技術和光、機、電一體化以及網絡技術的深入發展，出現了娛樂、洗塵、警衛等多種貼近生活的智能機器人。值得一提的是，日本雖然研制機器人的時間比美國晚了約10年，但是他們從最初的購買美國的成熟產品和技術，到自己開始大規模的研究，到現在已經形成一個相當大的機器人產業。按照日本的數據統計，日本機器人數量占了世界總數的一半以上。我國機器人的研究和開發可以追溯到六十年代，但直到七十年代中期，全國大約240多家單位中的大多數仍停留在程控機械手這一低水平的重復研究上，到八十年代中期863計劃實施前，全國還沒有一臺示教再現式關節型機器人產品問世，更談不上生產應用。我國政府非常重視機器人技術的發展，從“七五”科技攻關及實施863計劃開始，就有計劃地組織和發展工業機器人事業，經過20多年的研制和應用，目前在工業機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業機器人的設計制造技術和機器人應用中單元和生產線的設計、制造技術，有了一支具有一定水平的技術隊伍，奠定了我國獨立自主發展機器人產業的基礎.自從20世紀60年代美國生產制造出第一臺工業機器人以來，機器人技術及其產品發展迅速，經過四十多年的發展，工業機器人已在越來越多的領域得到了應用。它對于提高生產自化水平、勞動生產率和經濟效益，實現勞動作業省力化，保證產品質量，改善勞動條件，提高企業的市場競爭力，擴大就業機會、提高技術創新能力等方面的作用日益顯著。在制造業中，尤其是在汽車產業中，工業機器人得到了廣泛的應用.目前，汽車制造業是制造業所有行業中人均擁有工業機器人密度最高的行業。如圖1-1所示，2005年美洲地區汽車及汽車零部件制造業對工業機器人的需求占該地區所有行業對工業機器人需求的比例高達61%;同樣，亞洲地區的該比例也達到33%，位于各行業之首;2004年德國制造業中每1萬名工人中擁有工業機器人的數量為162臺，而在汽車制造業中每1萬名工人中擁有工業機器人的數量則為1140臺;意大利的這一數值更能說明問題，2004年意大利制造業中每1萬名工人中擁有工業機器人的數量為123臺，而在汽車制造業中每1萬名工人中擁有工業機器人的數量則高達1600臺。圖1-12005年美洲、亞洲地區各主要行業對工業機器人的需求比例分布隨著工業機器人向更深更廣方向的發展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業推廣到其他制造業，進而推廣到機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與家具制造業等領域中。弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等在工業生產中都已被大量采用。諸如采礦機器人、建筑業機器人以及水電系統維護維修機器人等應用于各種非制造行業的工業機器人.此外，在國防軍事、醫療衛生、生活服務等領域，機器人的應用也越來越多。1.1.2工業機器人的國內外發展現狀及趨勢在國外，工業機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備被工業界廣泛應用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業機器人公司，它們包括:瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKARoboter，美國的Ad即tTeclm01ogy、AillerieanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S一TRoboties，意大利COMAU，英國的AntoTeehRoboties，加拿大的JedIntemationalRobotics，以色列的RobogrouPTek公司，這些公司已經成為其所在地區的支柱性產業.根據日本經濟狀況統計專業公司“富士經濟”公司和國際機器人聯合會(1FR)的統計數據顯示，目前日本的工業機器人生產量占全世界工業機器人的70%左右，國內工業機器人保有量約為50%，而與工業機器人相關的專利則有90%以上掌握在日本企業手中。從1985年到2004年，全球范圍內日本的工業機器人保有量一直遠遠超過其他國家，特別是在1985年以后的十年間增長相當迅速，由此可以看出，日本是名副其實的機器人大國16，7].而相比之下，雖然歐美各國的工業機器人保有臺數也一直保持上升趨勢，但只是在最近10年左右才有了較大增長;而亞洲其他國家的工業機器人保有數量則在最近10年有了非常大的增長.在我國，工業機器人的真正使用已有20多年的時間，已經基本實現了試驗、引進到自主開發的轉變，促進了我國制造業、勘探業等行業的發展。隨著我國門戶的逐漸開放，國內的工業機器人產業將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內工業機器人市場的實際情況，把握我國工業機器人研究的相關進展，顯得十分重要.我國的工業機器人從80年代開始起步，通過科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。我國的工業機器人產業剛剛起步，但增長的勢頭非常強勁。總的來看我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品;機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距。從近幾年世界機器人推出的產品來看，工業機器人技術正在向智能化、模塊化和系統化的方向發展，其發展趨勢主要為:結構的模塊化和可重構化;控制技術的開放化、PC化和網絡化;伺服驅動技術的數字化和分散化;多傳感器融合技術的實用化;工作環境設計的優化和作業的柔性化以及系統的網絡化和智能化等方面.預計在未來幾年內，諸如液晶等離子面板搬送機器人、弧焊機器人和直角坐標機器人等工業機器人將有較大幅度的增長.1.2焊接機器人的應用與展望1.2.1焊接機器人的發展歷程自從世界上第一臺工業機器人誕生以來，焊接機器人的應用和發展經歷了三個階段:第一代是基于示教再現工作方式的焊接機器人.這類機器人操作簡單，不需要環境模型，示教時可修正機械機構誤差，在焊接生產中被大量應用，但其不具備外界信息的反饋能力，難以適應工作環境的變化，在現代化工業生產中的應用受到很大限制。第二代是具有一定感知能力的離線編程焊接機器人。這類機器人對外界環境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時借助傳感器獲得的信息，靈活調整工作狀態，保證在適應環境的情況下完成工作，現在已經進入應用研究階段。第三代是智能型焊接機器人.這類機器人不但具有感覺能力，而且具有獨立判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，能適應外部對象，自行編程完成更加復雜的動作，還具備故障自我診斷及修復能力，現處于試驗研究階段.焊接機器人就是在焊接生產領域代替焊工從事焊接任務的工業機器人。其中有的是為某種焊接方式專門設計的，而大多數的焊接機器人其實就是通用的工業機器人裝上某種焊接工具而構成的.早期的焊接機器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數須根據實際作業條件預先設置，工作時存在明顯的缺點.隨著計算機控制技術、人工智能技術以及網絡控制技術的發展，焊接機器人也由單一的單機示教再現型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元(系統)方向發展。由于我國開發工業機器人晚于美國和日本，因此直到20世紀70年代末，中國才在引進國外技術的基礎上，開始研究焊接機器人。早在70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標機械手，成功地應用于上海牌轎車底盤的焊接。1985年哈爾濱工業大學研制成功我國第一臺HY一1型焊接機器人。1989年北京機床研究所和華南理工大學聯合為天津自行車二廠研制出了焊接自行車前三腳架的TJR.GI型弧焊機器人，為“二汽”研制出用于焊接東風牌汽車系列駕駛室及車身的點焊機器人.上海交通大學研制的“上海1號”、“上海2號”示教型機器人也都具有弧焊和點焊的功能。經過十幾年的持續努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎技術、控制技術、關鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產品，能夠實現小批量生產.1997年首都鋼鐵公司和日本安川株會社共同建立了首鋼一摩托曼機器人公司，并于當年年底推出了第一批國內生產的機器人，其中主要產品是焊接機器人.1999年7月巧日，國家863計劃智能機器人主題專家驗收通過了由“一汽”集團、哈爾濱工業大學和沈陽自動化研究所聯合開發的HT一100A型點焊機器人.由此可見，我們國內的焊接機器人已開始逐步走向實用化階段.1.2.2焊接機器人的應用和技術現狀焊接機器人具有焊接質量穩定、改善工人勞動條件、提高勞動生產率等特點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業等行業.據不完全統計，全世界在役的工業機器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領域.截止2005年，全世界在役工業機器人約為91.4萬臺，其中日本裝備的工業機器人總量達到了50萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國;在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業中每萬名雇員占有的工業機器人數量居世界前三位。我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業.汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。1984年起我國先后從國外引進了各種焊接機器人，用于汽車制造業.特別是90年代以來的技術引進和生產設備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產提高到規模化生產，同時使國外焊接機器人大量進入中國。進入21世紀，由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業迅猛發展，我國汽車行業的機器人安裝臺數迅速增加。目前在我國應用的機器人主要分日系、歐系和國產三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、REIS、瑞典的ABB，意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產機器主要是沈陽新松機器人公司產品。雖然我國已經具有自主知識產權的焊接機器人系列產品，但我們應該承認國產機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距，主要表現為:不能批量生產，焊接水平和國外產品還存在很大差距，部分核心零部件需要進口、價格昂貴.從目前國內外研究現狀來看，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規劃技術、多機器人協調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。為了適應工業生產系統向大型、復雜、動態和開放方向發展的需要，發達國家都在加大力度，對機器人技術進行深入研究.從技術發展看，智能化控制技術將是焊接機器人技術發展的主要方向.1.2.3焊接機器人的發展趨勢目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究。從機器人技術發展趨勢看，焊接機器人和其他工業機器人一樣，在不斷向智能化和多樣化方向發展.隨著計算機技術、網絡技術、智能控制技術、人工智能理論以及工業生產系統的不斷發展，焊接機器人技術領域還有很多亞待我們去研究的問題，特別是焊接機器人的視覺控制技術、模糊控制技術、智能化控制技術、嵌入式控制技術、虛擬現實技術、網絡控制技術等將是未來研究的主要方向.從機器人技術的發展趨勢看，焊接機器人不斷向智能化方向發展，完全實現生產系統中機器人的群體協作和集成控制，從而達到更高的可靠性和安全性。可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統將會進入人類生活的各個領域，成為人類的助手和伙伴。隨著我國汽車工業的發展和制造業對自動化水平要求的不斷提高，將為焊接機器人市場的快速增長提供一個良好的平臺，也將為我國機器人應用產業的拓展帶來前所未有的機遇。一方面，隨著技術的發展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升;另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產品質量和增強企業競爭力，這一切預示著機器人應用及發展前景空間巨大。國外工業機器人有非常成熟的工業產品，經歷了30多年的發展歷程，而且在實際生產中不斷地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產狀態。焊接機器人是機電一體化的高技術產品，單靠企業的自身能力是不夠的，還需要政府、研究院所、生產廠家和企業的共同努力，才能不斷加速我國國產機器人的發展。預計未來5年，國內企業對焊接機器人的需求量將以30%以上的速度增長。在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰，只有一方面緊跟世界科技發展的潮流，研究與開發具有自主知識產權的基礎制造裝備;另一方面，仍然通過引進和消化吸收一些現有的先進技術，盡快縮短和別人的差距。并通過應用研究和二次開發，實現技術創新和關鍵設備的產業化，提高我國制造業在國際舞臺上的地位。

1.3.Pro/ENGINEER軟件系統1.3.1Pro/ENGINEER系統概況及特點1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經過10余年的發展，Pro/ENGINEER已經成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經發布了Pro/ENGINEERproewildfire5.0。PTC的系列軟件包括了在工業設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數據管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發環境。主要特性如下：全相關性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。全相關性鼓勵在開發周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發后期的一些功能提前發揮其作用。基于特征的參數化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數很容易的進行多次設計疊代，實現產品開發。數據管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發更多的產品。為了實現這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發。數據管理模塊的開發研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數量不受限制。易于使用：菜單以直觀的方式聯級出現，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。1.3.2軟件應用狀況及影響目前，隨著科學技術的不斷進步，計算機已成為日常辦公的必需品，在機械設計與制造過程中，計算機已成為設計人員的重要幫手，因為只有優良精確的產品，才能滿足客戶的要求。實現產品設計的數字化離不開CAD/CAM系統的支持,具有技術成熟、功能強大的Pro/E參數化造型系統在設計和制造業中引起了人們的重視并得到了日益廣泛的應用。Pro/ENGINEER軟件自1988年問世以來，目前已成為世界普及的CAD/CAM/CAE/PDM軟件之一，在我國的機械，電子，家電，塑料模具等行業取得了廣泛的應用。該軟件版本主要經歷了2000、2000i、2001及Wildfire版本的升級過程。它集零件設計、產品裝配、模具開發、NC加工、鈑金件設計、鑄件設計、造型設計、逆向工程、自動測量、機構仿真、機構分析、優化分析和產品數據管理等功能于一體，以縮短產品開發周期、減少設計人員失誤、降低產品重量、降低產品成本、避免重復設計、推動標準化及便于團隊合作等優點，廣泛應用于電子、機械、模具、工業設計、汽車、航空航天、家電及玩具等行業。Pro/ENGINEER為滿足全球不同行業標準的需求，提供了強大的定制功能，不同的企業可通過配置與定制實現符合國標和本企業標準與實際的功能。1.3.3用該軟件建立三自由焊接機器人零件的特點Pro/E在作為強大的三維造型及仿真軟件包，能夠便捷地建立慧魚三自由度焊接機器人所需零件庫。首先根據標準件的特點確定原型零件,盡量保證該原型零件擁有最簡單的特征,并利用幾何約束和拓撲約束來定義標準件的幾何形狀,從而得到標準件的幾何約束關系描述。然后，根據實際的零件尺寸利用代數表達式來定義標準件的基本尺寸之間的參數關系,將尺寸參數(變量)與尺寸之間的對應關系,生成一個與標準件圖素相聯系的外部參數文件,改變參數文件中的有關變量,通過尺寸驅動處理即可生成所需尺寸的標準件，進而可建立模型所需的所有零件。在建立零件庫以后，再根據實際機械運動要求進行裝配，裝配所需的定義關系有銷釘，剛性，滑塊，槽鏈接等。裝配完畢后，在運動副上加裝相應電機，并進行參數設定及運動仿真。

2“慧魚”焊接工業機器人的工作原理解析2.1慧魚焊接工業機器人的整體設計思路任何一臺機器人都是以設計為第一個流程的，慧魚焊機機器人當然也不例外。本次設計的慧魚焊接工業機器人模型屬于固定式專用焊接機器人人，實現三維空間上的焊接任務。焊接機器人是代替工人手工焊接，減輕勞動強度；改善多品種混流生產的柔性；提高焊接質量；提高生產率。為了保證以上要求“慧魚”工業機器人模型的設計首先要求三個或以上的自由度，為了降低設計難度，本次設計采用三自由度，分別為腰關節的360°旋轉自由度，前后移動和上下移動的移動副自由度。機器人的構件和通用焊接機器人一樣分為三個部分:機器人本體；焊接系統及控制系統。本次設計主要研究的是機器人本體和焊接系統的結構組成，對控制系統不做深層次的探討。焊接機器人基本上都屬于電動機驅動工業機器人，弧焊機器人大多采用電動機驅動機器人，因為焊槍重量一般都在10kg以內。點焊機器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅動方式的，因為液壓驅動機器人抓重能力大，但大多數點焊機器人仍是采用大功率伺服電動機驅動，因它成本較低，系統緊湊。工業機器人是由機械手、控制器、驅動器和示教盒四個個基本部分構成。對于電動機驅動機器人，控制器和驅動器一般裝在一個控制箱內，而液壓驅動機器人，液壓驅動源單獨成一個部件，本次所設計的機器人模型采用比較普遍的伺服電機驅動，共計四臺電機，腰關節用伺服電機驅動蝸桿帶動渦輪旋轉來實現，上下和左右的移動用伺服電機帶動絲杠旋轉來實現，再采用限位開關作為反饋和控制元件使得機器人自動運行。然后從點到面，從零件的測繪開始，然后對每個零件建模，最后裝配仿真。2.2“慧魚”焊接工業機器人的工作原理慧魚焊接工業機器人，按其功能劃分，由三個相互關連的部分組成：機械手總成、控制器、示教系統，如圖2-1所示。

圖2-1工業機器人的基本結構機械手總成是機器人的執行機構，它由驅動器、傳動機構、機器人臂、關節、末端操作器、以及內部傳感器等組成。它的任務是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態和實現其運動。控制器是機器人的神經中樞。它由計算機硬件、軟件和一些專用電路構成，其軟件包括控制器系統軟件、機器人專用語言、機器人運動學、動力學軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷、白保護功能軟件等，它處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。示教系統是機器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機器人的全部動作，并將其全部信息送入控制器的存儲器中，它實質上是一個專用的智能終端。慧魚焊接機器人的機械臂是由數個剛性桿體由旋轉或移動的關節串連而成，是一個開環關節鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端夾持器，在機器人操作時，機器人手臂前端的末端夾持器必須與被加工工件處于相適應的位置和姿態，而這些位置和姿態是由若干個臂關節的運動所合成的。因此，機器人運動控制中，必須要知道機械臂各關節變量空間和末端操作器的位置和姿態之間的關系，這就是機器人運動學模型。一臺機器人機械臂幾何結構確定后，其運動學模型即可確定，這是焊接工業機器人運動控制的基礎。慧魚工業機器人通過四個伺服電動機之間的關聯可以在單一方向運動，也可以在同時在幾個方向聯系動作完成焊接任務。慧魚焊接工業機器人手臂運動學中也牽扯到了兩個基本問題。

1)對已經給定焊接機械臂，己知各關節角矢量g(f)=[gl(t)，g2(t)，gn(i)]'，其中n為自由度。求末端操作器相對于參考坐標系的位置和姿態，稱之為運動學正問題。在機器人示教過程中。機器人控制器即逐點進行運動學正問題運算。

2)對已經給定焊接機械臂，已知末端操作器在參考坐標系中的期望位置和姿態，求各關節矢量，稱之為運動學逆問題。在機器人再現過程中，機器人控制器即逐點進行運動學逆問題運算，將角矢量分解到機械臂各關節。目前的慧魚工業機器人上采用的控制方法是把機械手上每一個關節都當作一個單獨的伺服機構，即把一個非線性的、關節間耦合的變負載系統，簡化為線性的非耦合單獨系統。每個關節都有兩個伺服環，機械手伺服控制系統見圖3-2外環提供位置誤差信號，內環由模擬器件和補嘗器(具有衰減速度的微分反饋)組成，兩個伺服環的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法(PID法)。這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高和負荷不大的機器人控制，對常規焊接機器人來說，已能滿足要求。

圖3-2慧魚焊接機械手伺服控制體系結構

3“慧魚”工業機器人3.1慧魚創意組合模型的概況及運用1964年，慧魚創意組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型，是展示科學原理和技術過程的理想教具，也是體現世界最先進教育理念的學具，為創新教育和創新實驗提供了最佳的載體。慧魚創意組合模型主要有組合包、培訓模型、工業模型三大系列，涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術、能源技術和機器人技術等領域和高新學科，利用工業標準的基本構件（機械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬，從而為實驗教學、科研創新和生產流水線可行性論證提供了可能，世界知名的德國西門子、德國寶馬、美國IBM等一大批著名公司都采用慧魚模型來論證生產流水線。“慧魚”創意組合模型(Fischertechnik)是一種知識含量較高的工程類插裝模型，可以仿真實現許多工業控制過程；模型具有一般機械所用的零部件，如齒輪、電機、電氣開關等，通過聲、光、電和輔助技術的配合，能夠模擬各種機械運動及機械設備的自動控制，而且具有比較真實的功能。該模型尺寸精確，功能全面，具有直觀的可接觸性，而且能組成不同的機構模型。慧魚創意組合模型已在歐洲和美洲的各大、中專學校廣泛應用，慧魚創意組合模型進入中國以來，也在清華大學、同濟大學、浙江大學等眾多高校中日益廣泛地應用，慧魚創新實驗室就是利用慧魚模型組合包系列建立的工程技術實驗室，是創新教育的一個全新平臺，它以其濃厚的趣味性、創新性和教學中的啟發性,使學生能很直觀地把抽象、復雜的理論通過模型的運動及對運動的控制得到實現,培養了學生的想象力和自主創造力。采用該模型進行實驗教學，能培養和提高學生學習的熱情和興趣，大大地激發學生的創新意識，提高學生的實踐動手能力，較好地解決學生在學習過程中書本知識與實踐脫節的問題，改變學生動手能力差的狀況，使書本知識與實踐能有機地結合起來，對于學生理解機械運動及機械設備工業控制具有很大的益處,是很好的機電一體化的實例。大學應該培養什么樣的學生，一直是教育的重要課題，培養學生的教學思想、教學方法、科學途徑等也是值得教師們研究的問題。中國工程技術隊伍龐大，工程師數量居世界之首，但其相應的工業總產值只是美國的1/7，日本的1/4，我們的國民經濟人均年產值只是發達國家平均值的1/40,世界平均值的1/8。這應當主要歸結到工程師質量不高、創新不夠上來，而工科學校培養的人才直接關系到國家的工程師的質量，乃至國家的發展。所以，我們的教學改革應立足培養學生的創新設計能力，提升工程人員的整體水平。作為一種全體參與型的教學輔助工具，慧魚的工業模型能夠由淺入深，通過一系列完全逼真的造型，靈活精確地控制程序，模擬展示日常生活及工業生產中很多機器的運行原理，使復雜枯燥的教學過程變得生動有趣。慧魚展品組合包則通過模仿學習、創造性裝配、高層次創意及編程三個階段來逐步提高學生的興趣和思維能力，引導學生自主性學習，增加學生的創新意識，使學生在動手實踐中，輕松掌握許多復雜的機械原理。3.2“慧魚”機器人的基本構件和用法3.2.1慧魚的特點1964年，慧魚創意組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型，是展示科學原理和技術過程的理想教具，也是體現世界最先進教育理念的學具，為創新教育和創新實驗提供了最佳的載體。“慧魚”創意組合模型的主要部件采用優質尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復拆裝的同時不影響模型結合的精確度；構件的工業燕尾槽專利設計使六面都可拼接，獨特的設計可實現隨心所欲的組合和擴充。三自由度機械手“慧魚”創意組合模型主要有組合包、培訓模型、工業模型三大系列，涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術、能源技術和機器人技術等領域和高新學科，利用工業標準的基本構件（機械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬，從而為實驗教學、科研創新和生產流水線可行性論證提供了可能，世界知名的德國西門子、德國寶馬、美國IBM等一大批著名公司都采用慧魚模型來論證生產流水線。“慧魚”創意組合模型體現不同學科知識點的各種組合包，不僅可以應用于中小學各個年級學科教學、還可以用于大學不同專業以及研究生工程實驗和技術創新活動，現在以清華大學、上海交通大學為代表的一批高校建立的慧魚創新實驗室就是利用慧魚模型組合包系列建立的工程技術實驗室，是創新教育的一個全新平臺。三自由度機械手“慧魚”創意組合模型的使用有三個階段。第一，是根據安裝操作手冊中的示范，簡單模仿，從而獲取技術知識；第二，是根據現有的模型做出合理科學的改進，從而發揮想象力和創造力；第三，是根據實際應用和知識的擴展，創造出新的模型，從而實現三層電梯模型三自由度機械手三層電梯模型柔性加工流水線三層電梯模型前所未有的創新。通過慧魚模型的使用，不僅可以讓我們的孩子將多學科多領域的綜合知識融會貫通于實踐過程中，更重要的是培養了他們的創新意識和創新能力。以上所述慧魚創意組合模型的魅力所在，也是慧魚創意組合模型半個世紀以來在整個歐洲及北美的學校中盛行的奧秘所在。慧魚創意組合模型1970年、1976年兩度獲得法國“OSCARDEJOUET”（奧斯卡金像獎）；1976年獲荷蘭最佳教具獎；1977年FISCHER博士因發明模型獲德國政府頒發的杰出工程師獎；1991年獲德國諾貝爾工程師獎；1996年被德國工業部長推為最佳玩具；在美國,被PLTW（ProjectLeadTheWay-非營利官方機構，即專為培訓全國的中小學教師及學生組織）作為工程、項目教學實踐和基礎性研究的首選產品；在馬來西亞，被列為政府采購的必備教具；在中國，作為"世界銀行高等教育發展項目"的2002、2003年度中標產品，慧魚正日益為廣大中國教育界人士接受和認可！采用慧魚構件進行機器人制作，需要經過如下4個階段：培養手感階段。在這一階段中，主要熟悉慧魚各種構件，并鍛煉用雙手熟練拆裝。模仿階段。在這一階段中，使用搭建手冊來輔助，按照手冊上的順序制作標準慧魚機器人，學校各種經典的機構組合方式。創新階段。在這一階段，通過前面對慧魚組合經驗的積累，在標準慧魚機器人的基礎上進行改進，使之更簡化或者能實現更多的動作，從而制作出不同的機器人，培養想象力和創造力。創新階段。在前三個階段的基礎上，將所有知識綜合運用，擺脫搭建手冊的約束，創造出具有新的機構和功能的機器人。創新是一個民族進步的靈魂，而慧魚創意組合模型就是我們期待的創新教育的理想學具！3.2.2基本構件基本構件主要用于固定和連接，是制作機器人身體最基礎最常用的零部件。1．柱柱主要用于固定支撐和機器人的實體搭建（圖3-1），可以從六個方面進行拼裝，主要根據不同的長度進行種類區分，其中中間帶孔的柱體可以作為軸的支撐。圖3-1

2.板圖3-1板的一側具有平滑的平面，可以減少摩擦，通常用于制作平臺和外形裝飾，板的厚度比較薄，呈片狀，其種類可以根據其長度和寬度進行區分，如圖3-2所示。圖3-2.塊塊比較厚，與柱體功能類似,只是受外形所限不能六面拼裝（見圖3-3）,主要用于固定和機器人的實體搭建,可以根據形狀,角度的不同使用在不同的部位,制作出不同的外形效果。圖3-34．軸軸主要用來連接各種運動部件，主體結構是斷面為圓形的細長桿，棒狀，可根據其長度的不同進行分類。此外，還有一種固定了小齒輪的軸，可以與電機和齒輪箱配套使用，是傳遞動力時必不可少的構件，如圖3-4所示。圖3-45.軸套普通軸套是內孔位圓形的短圓柱，可以套在軸上，主要用來固定軸上的零件。慧魚構件中，還有一種特殊用途的軸套，左列與右列的零件成對使用，通過旋緊扣在軸上，可以將自身或齒輪等基礎構件固定在軸上，隨軸轉動，安裝時一定要注意旋緊，否則會出現打滑的現象，見圖3-5所示。圖3-56.齒輪齒輪主要用于傳動（如圖3-6），可以用來改變傳動方向或者改變轉動的速度，主要根據模數和直徑來區分，相同模數不同直徑的齒輪可以相互嚙合。圖3-67.孔條孔條是一種中間均勻分布有均勻裝配孔德條狀構件（圖3-7），可以用來支撐軸和連接桿件，也可以用作外表裝飾，負載比較輕時，也可以適當分擔柱的工作，使用范圍廣泛。圖3-78.連接件連接件的個體通常比較小（見圖3-8），在結構制作中起銜接作用，可以連接柱、塊、軸等不同的慧魚構件，有固定連接和活動連接兩種，可以用于軸的延長。關節活動和構件固定。圖3-89．連接桿連接桿件為細條狀（見圖3-9），有均勻分布裝配孔和僅在兩端存在裝配孔兩種，可以根據其不同的長度進行分類，主要用來實現各種機構的連接，如組成連桿機構、凸輪機構等，以活動連接最為普遍，有時也用來穩固結構。

圖3-910.輔助件輔助件一般形狀各異，用途也不一樣，僅列舉齒輪箱、爪，如圖3-10所示。圖3-10由于慧魚構件種類繁多，外觀各異，篇幅有限不一一列舉3.3“慧魚”常用機構和拓展設計學習了一些關于慧魚構件和組裝的基本知識，要想脫離原有的搭建手冊進行創意組合，可能對于機構的設計還有一些疑惑，這一節將從基本功能出發，介紹一些常用的機構和設計。常用的構件包括連桿、鏈條、履帶、齒輪（普通齒輪、斜齒輪、內嚙合齒輪、外嚙合齒輪）、齒軸、齒條、蝸輪、蝸桿、凸輪、彈簧、曲軸、萬向節、差速器、齒輪箱、鉸鏈等。由這些機械構件進行機械構件進行組合和設計，可以得到各種典型的傳動機構。1．連桿機構連桿機構是許多構件用轉動副或移動副連接組成的平面機構。通過連桿機構可以將電動機或齒輪箱輸出的旋轉運動轉化為各種運動形式。圖3-11最基本的連桿機構由四個轉動副組成，它可以細分為以下三種：1)曲柄搖桿機構描述：將旋轉運動變為搖擺運動或將搖擺運動轉變為旋轉運動。2)平行四連桿機構描述：兩個連桿間可以保持相互平行的運動。3)雙曲柄機構描述：兩個連桿均可以做旋轉運動。四桿機構中通常也可以包含一個或兩個移動副，其典型代表便是曲柄滑塊機構，在慧魚機器人的實際設計中，同一機構可根據不同構件的特點靈活變通。制作時需注意，連桿機構中桿件太多運動鏈太長會導致連桿機構傳動效率降低，因此，連桿機構在設計時應盡量減少桿數，最多不要超過8桿。2.鏈傳動鏈傳動通常運用于遠距離兩軸之間的運動和動力傳遞，可以傳遞打轉矩，運動速度一般比較低。慧魚構件中的鏈條既可以單獨使用，也可以與履帶片組合成傳送帶使用。履帶及鏈輪經典組合是慧魚機器人中一種很常用的連接方式。安裝時注意保持鏈條合適長度，太長轉動時易滑脫，太短則易卡死。使用中要根據實際情況增加或調節兩軸之間的中心距離。3.齒輪機構在機器人結構中，齒輪機構以其傳動準確可靠，傳遞動力打，傳動范圍廣的特點而被廣泛使用。根據傳動方式的不同，齒輪機構可以分為如下幾種：齒輪齒條傳動機構1)齒輪、齒條機構可以將圓周運動變為直線運動或者將直線運動變為圓周運動。“慧魚”中有兩種不同尺寸的齒輪齒條，其常用的嚙合方式有兩種。比較經典的使用方法是齒輪做圓周運動，齒條作直線運動，有時為了增加運動長度，齒條可以拼接延長。2)直齒輪傳動圖3-12直齒輪傳動，即直齒輪之間的嚙合傳動，直齒輪傳動主要用于兩軸之間轉動速度的傳遞和交換，有時為了得到較大的傳動比，也可以使用多個齒輪進行連接，進行多級變速（見圖3-12）。3）錐齒輪傳動主要用于垂直相交的兩軸之間的動力傳遞，一般是成對使用。由于在慧魚構件中錐齒輪的尺寸是同一的，因此錐齒輪只能進行90度的運動方向的轉換，不能提供變速運動。4）蝸桿傳動蝸桿傳動實現的是在交叉垂直的兩軸之間傳遞動力，而且可以得到較大的傳動比，慧魚構件中經常使用到蝸桿，如圖3-13所示。圖3-13在慧魚構件中，與蝸桿嚙合不需要專用的蝸輪構件，只要模數相同，蝸桿也可以與直齒輪配套使用。另外，蝸桿也可以與內部帶螺旋的慧魚構件配合，類似于螺桿和螺母，通過蝸桿的旋轉，驅動滑塊作一定方向上的直線移動。有時為了增加運動長度，蝸桿可以拼接延長，注意中間連接部分應緊密結合，否則在轉動過程中和可能松脫或卡死。4.凸輪機構凸輪機構是一種由凸輪、推桿和機架組成的三桿機構，它可以將旋轉運動轉化為上下運動，在該機構中，使用凸輪構件，將其固定在旋轉軸上，在凸輪的上部安裝一個可移動的推桿，隨著軸的轉動，推桿可以做上下往復運動。注意：凸輪與推桿之間為點接觸，因此不能用于載荷較大的地方。5.皮帶與帶輪皮帶與帶輪可以在兩個相距較遠的軸之間傳遞動力，由于是靠摩擦力傳遞，因此在使用過程中可能出現打滑的現象，這一特性，也使得在傳遞的力矩過大時可以由于打滑空轉而起到自動保護作用，降低零件變形損壞的幾率。因此有的設計要避免打滑，而有的設計則要利用這一特性。在兩軸所處的軸線平行時，根據兩軸的旋轉方向相同或者相反，皮帶可以有兩種安裝形式：1）開口式帶傳動描述：兩軸的旋轉方向相同2）交叉式帶傳動描述：兩軸的旋轉方向相反。當兩軸所處的軸線異面交叉或者夾角較小時，可以直接使用皮帶輪傳遞動力，當夾角過大時，則需要在中間增加過輪，才能實現傳遞。上述帶傳動的轉速比均為主從兩個皮帶輪的半徑之比，特殊情況下，為了得到大的轉速比，也可以使用多級皮帶輪來進行動力傳遞

4“慧魚”工業焊接機器人模型的建模及虛擬運動仿4.1零件建模4.1.1建立標準件由于Pro/E可以便捷地進行參數化建模和尺寸修改，所以，可以先建立三自由度焊接機器人所需零件的標準件，再去創建其他的零部件，下面以編號“32882”零件為例說明。1.設置工作目錄（圖4-1）。設置工作目錄是關鍵的第一步，這關系到以后的保存，修改參數，調用，裝配等。工作目錄相當于零件的倉庫，盡量把名稱設為與內容相關的名字。圖4-12．新建模板，點選零件；不選用缺省模板，鍵入零件名稱（非漢字），點確定，選取“mms_part_solid”模板，如圖4-2所示。圖4-23.繪制草圖（見圖4-3）圖4-4.拉伸特征并保存（圖4-4）。圖4-4由以上4個步驟，即可得到塊零件的一個實體模型。其他的不同類型的零件標準件可以通過類似的建模方法創建出來，繼而可以得到三自由度焊接機器人模型的一個標準零件庫，該模型的其他零件可以通過修改標準件的幾何參數來進行創建。4.1.2參數化建模對于某些比較復雜的零件可以通過修改尺寸驅動程序的參數來進行創建，下面以三自由度焊接機器人基座齒輪創建為例：1.測量基座齒輪的各項參數，計算出模數，選取模數m=1.5、齒數z=58。2.選取軟件系統附帶的符合國家標準齒輪庫的直齒輪，并打開“關系”菜單欄，見圖4-5。圖4-53.修改參數，即得到基座齒輪，見圖4-6。圖4-64.1.3建立三自由度工業焊接機器人模型零件庫通過上面的方法可以建立三自由度焊接機器人所需零件的零件庫，將每個零件進行編號，并保存，為接下來進行的裝配打好基礎（本課題中所建零件庫見附圖1）4.2三自由度工業焊接機器人模型裝配1．創建新的組件模板，并命名，不選用缺省模板，選取“mmns_asm_design”模板，如圖4-7所示。圖4-72．首先插入基座面板，選擇“用戶定義”，約束類型為缺省，狀態即變為完全約束。因為基座面板是裝配的第一個零件，也是其他零件進行裝配的基礎和參照，故約束類型為缺省，這也是整個裝配過程中唯一約束類型為缺省狀態的零件（圖4-8）。圖4-83.在前一步驟的基礎上，繼續插入零件，按照零件之間的關系進行裝配（依次見下圖）。此時應注意：由于零件之間有相對運動，所以在裝配時，不同的運動關系有不同的連接方式和約束類型，如有相對轉動的零件之間應裝配成銷釘連接，有螺旋運動的應裝配成槽鏈接，有齒輪傳動的應裝配成齒輪嚙合關系等（如見圖4-10、4-12、4-13）圖4-9圖4-10圖4-11圖4-12圖4-13圖4-14圖4-14圖4-15圖4-15即為裝配完成后的圖片，正確的裝配為下一步的運動仿真打好了基礎。4.3運動仿真1．在Pro/E工具欄點選擇“應用程序”，在下拉菜單中選擇“機構”，見圖4-17。圖4-162.機器人的能量來源為電動機，所以運動仿真首先應為運動副加伺服電機。下