“慧魚”工業(yè)機(jī)器人的三維實(shí)體建模及仿真

“慧魚”工業(yè)機(jī)器人的三維實(shí)體建模及仿真摘要工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已為世人所認(rèn)同，并正對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生了重要影響。本設(shè)計(jì)從工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展為引線，闡述了工業(yè)機(jī)器人以及焊接機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析介紹了焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。然后以德國“慧魚”焊接工業(yè)機(jī)器人模型為基礎(chǔ)，并對其所有模型零件進(jìn)行了系統(tǒng)的測繪和記錄，并運(yùn)用美國參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)的以參數(shù)化設(shè)計(jì)著稱的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件Pro/E對“慧魚”焊接工業(yè)機(jī)器人模型的零件逐一地進(jìn)行了三維建模，再運(yùn)用Pro/E裝配對零件進(jìn)行了裝配并對工業(yè)焊接機(jī)器人模型的三維實(shí)體模型進(jìn)行了仿真和部分的應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析。關(guān)鍵字：慧魚創(chuàng)意組合；工業(yè)機(jī)器人；焊接機(jī)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(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用 11.1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域 11.1.2工業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 31.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用與展望 41.2.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程 41.2.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)現(xiàn)狀 51.2.3焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢 51.3.Pro/ENGINEER軟件系統(tǒng) 71.3.1Pro/ENGINEER系統(tǒng)概況及特點(diǎn) 71.3.2軟件應(yīng)用狀況及影響 81.3.3用該軟件建立三自由焊接機(jī)器人零件的特點(diǎn) 82“慧魚”焊接工業(yè)機(jī)器人的工作原理解析 92.1慧魚焊接工業(yè)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)思路 92.2“慧魚”焊接工業(yè)機(jī)器人的工作原理 93“慧魚”工業(yè)機(jī)器人 123.1慧魚創(chuàng)意組合模型的概況及運(yùn)用 123.2“慧魚”機(jī)器人的基本構(gòu)件和用法 133.2.1慧魚的特點(diǎn) 133.2.2基本構(gòu)件 153.3“慧魚”常用機(jī)構(gòu)和拓展設(shè)計(jì) 204“慧魚”工業(yè)焊接機(jī)器人模型的建模及虛擬運(yùn)動仿 244.1零件建模 244.1.1建立標(biāo)準(zhǔn)件 244.1.2參數(shù)化建模 254.1.3建立三自由度工業(yè)焊接機(jī)器人模型零件庫 264.2三自由度工業(yè)焊接機(jī)器人模型裝配 264.3運(yùn)動仿真 30致謝 33參考文獻(xiàn) 341緒論1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用1.1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人是一種典型的光、機(jī)、電一體化高科技產(chǎn)品，一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為:一種自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī).操作機(jī)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(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置.工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備.特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn).它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用.1959年被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”的美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格與德沃爾聯(lián)手制造出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠Unlmation公司.1962年美國ANJ公司生產(chǎn)出的“VERSTRAN”(意思是萬能搬運(yùn))成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，掀起了全世界對機(jī)器人研究的熱潮.從20世紀(jì)60年代后期開始，搬運(yùn)、噴漆、弧焊機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代開始，機(jī)器技術(shù)的研究重點(diǎn)被放在對外部傳感器和控制方法的研究上.20世紀(jì)80年代以后，在著重研究機(jī)器人視覺的同時(shí)，機(jī)器人先進(jìn)控制方法和應(yīng)用領(lǐng)域不斷的進(jìn)步和擴(kuò)展.從上世紀(jì)90年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光、機(jī)、電一體化以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入發(fā)展，出現(xiàn)了娛樂、洗塵、警衛(wèi)等多種貼近生活的智能機(jī)器人。值得一提的是，日本雖然研制機(jī)器人的時(shí)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(chǎn)品和技術(shù)，到自己開始大規(guī)模的研究，到現(xiàn)在已經(jīng)形成一個(gè)相當(dāng)大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。按照日本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本機(jī)器人數(shù)量占了世界總數(shù)的一半以上。我國機(jī)器人的研究和開發(fā)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(shù)仍停留在程控機(jī)械手這一低水平的重復(fù)研究上，到八十年代中期863計(jì)劃實(shí)施前，全國還沒有一臺示教再現(xiàn)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品問世，更談不上生產(chǎn)應(yīng)用。我國政府非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，從“七五”科技攻關(guān)及實(shí)施863計(jì)劃開始，就有計(jì)劃地組織和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人事業(yè)，經(jīng)過20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機(jī)器人的一些機(jī)種方面，如噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人和特種機(jī)器人都有了長足的進(jìn)步，基本掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍，奠定了我國獨(dú)立自主發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ).自從20世紀(jì)60年代美國生產(chǎn)制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展迅速，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。它對于提高生產(chǎn)自化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)勞動作業(yè)省力化，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件，提高企業(yè)的市場競爭力，擴(kuò)大就業(yè)機(jī)會、提高技術(shù)創(chuàng)新能力等方面的作用日益顯著。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用.目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有工業(yè)機(jī)器人密度最高的行業(yè)。如圖1-1所示，2005年美洲地區(qū)汽車及汽車零部件制造業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求占該地區(qū)所有行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人需求的比例高達(dá)61%;同樣，亞洲地區(qū)的該比例也達(dá)到33%，位于各行業(yè)之首;2004年德國制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為162臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量則為1140臺;意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為123臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量則高達(dá)1600臺。圖1-12005年美洲、亞洲地區(qū)各主要行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求比例分布隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中?；『笝C(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等在工業(yè)生產(chǎn)中都已被大量采用。諸如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)器人等應(yīng)用于各種非制造行業(yè)的工業(yè)機(jī)器人.此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域，機(jī)器人的應(yīng)用也越來越多。1.1.2工業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)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(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè).根據(jù)日本經(jīng)濟(jì)狀況統(tǒng)計(jì)專業(yè)公司“富士經(jīng)濟(jì)”公司和國際機(jī)器人聯(lián)合會(1FR)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前日本的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)量占全世界工業(yè)機(jī)器人的70%左右，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人保有量約為50%，而與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的專利則有90%以上掌握在日本企業(yè)手中。從1985年到2004年，全球范圍內(nèi)日本的工業(yè)機(jī)器人保有量一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家，特別是在1985年以后的十年間增長相當(dāng)迅速，由此可以看出，日本是名副其實(shí)的機(jī)器人大國16，7].而相比之下，雖然歐美各國的工業(yè)機(jī)器人保有臺數(shù)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(yè)機(jī)器人保有數(shù)量則在最近10年有了非常大的增長.在我國，工業(yè)機(jī)器人的真正使用已有20多年的時(shí)間，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國門戶的逐漸開放，國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場的實(shí)際情況，把握我國工業(yè)機(jī)器人研究的相關(guān)進(jìn)展，顯得十分重要.我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代開始起步，通過科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。我國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常強(qiáng)勁?？偟膩砜次覈墓I(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為:結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化;控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化;伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化;多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化;工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面.預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，諸如液晶等離子面板搬送機(jī)器人、弧焊機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人將有較大幅度的增長.1.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用與展望1.2.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程自從世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，焊接機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一代是基于示教再現(xiàn)工作方式的焊接機(jī)器人.這類機(jī)器人操作簡單，不需要環(huán)境模型，示教時(shí)可修正機(jī)械機(jī)構(gòu)誤差，在焊接生產(chǎn)中被大量應(yīng)用，但其不具備外界信息的反饋能力，難以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(jī)器人。這類機(jī)器人對外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時(shí)借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用研究階段。第三代是智能型焊接機(jī)器人.這類機(jī)器人不但具有感覺能力，而且具有獨(dú)立判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對象，自行編程完成更加復(fù)雜的動作，還具備故障自我診斷及修復(fù)能力，現(xiàn)處于試驗(yàn)研究階段.焊接機(jī)器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。其中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的.早期的焊接機(jī)器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，工作時(shí)存在明顯的缺點(diǎn).隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人也由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)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(tǒng))方向發(fā)展。由于我國開發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國和日本，因此直到20世紀(jì)70年代末，中國才在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始研究焊接機(jī)器人。早在70年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機(jī)械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。1985年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功我國第一臺HY一1型焊接機(jī)器人。1989年北京機(jī)床研究所和華南理工大學(xué)聯(lián)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(jī)器人，為“二汽”研制出用于焊接?xùn)|風(fēng)牌汽車系列駕駛室及車身的點(diǎn)焊機(jī)器人.上海交通大學(xué)研制的“上海1號”、“上海2號”示教型機(jī)器人也都具有弧焊和點(diǎn)焊的功能。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn).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(jī)器人公司，并于當(dāng)年年底推出了第一批國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)器人，其中主要產(chǎn)品是焊接機(jī)器人.1999年7月巧日，國家863計(jì)劃智能機(jī)器人主題專家驗(yàn)收通過了由“一汽”集團(tuán)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽自動化研究所聯(lián)合開發(fā)的HT一100A型點(diǎn)焊機(jī)器人.由此可見，我們國內(nèi)的焊接機(jī)器人已開始逐步走向?qū)嵱没A段.1.2.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)現(xiàn)狀焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè).據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域.截止2005年，全世界在役工業(yè)機(jī)器人約為91.4萬臺，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了50萬臺以上，成為“機(jī)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(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等幾個(gè)主要行業(yè).汽車是焊接機(jī)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(jìn)了各種焊接機(jī)器人，用于汽車制造業(yè).特別是90年代以來的技術(shù)引進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進(jìn)使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)使國外焊接機(jī)器人大量進(jìn)入中國。進(jìn)入21世紀(jì)，由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機(jī)器人安裝臺數(shù)迅速增加。目前在我國應(yīng)用的機(jī)器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)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(chǎn)機(jī)器主要是沈陽新松機(jī)器人公司產(chǎn)品。雖然我國已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品，但我們應(yīng)該承認(rèn)國產(chǎn)機(jī)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(xiàn)為:不能批量生產(chǎn)，焊接水平和國外產(chǎn)品還存在很大差距，部分核心零部件需要進(jìn)口、價(jià)格昂貴.從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，發(fā)達(dá)國家都在加大力度，對機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究.從技術(shù)發(fā)展看，智能化控制技術(shù)將是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向.1.2.3焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機(jī)器人和其他工業(yè)機(jī)器人一樣，在不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多亞待我們?nèi)パ芯康膯栴}，特別是焊接機(jī)器人的視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等將是未來研究的主要方向.從機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢看，焊接機(jī)器人不斷向智能化方向發(fā)展，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人的群體協(xié)作和集成控制，從而達(dá)到更高的可靠性和安全性?？梢灶A(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類的助手和伙伴。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和制造業(yè)對自動化水平要求的不斷提高，將為焊接機(jī)器人市場的快速增長提供一個(gè)良好的平臺，也將為我國機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的拓展帶來前所未有的機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)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(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。國外工業(yè)機(jī)器人有非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，而且在實(shí)際生產(chǎn)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(chǎn)狀態(tài)。焊接機(jī)器人是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，還需要政府、研究院所、生產(chǎn)廠家和企業(yè)的共同努力，才能不斷加速我國國產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。預(yù)計(jì)未來5年，國內(nèi)企業(yè)對焊接機(jī)器人的需求量將以30%以上的速度增長。在新的歷史時(shí)期，面對新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備;另一方面，仍然通過引進(jìn)和消化吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，盡快縮短和別人的差距。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際舞臺上的地位。

1.3.Pro/ENGINEER軟件系統(tǒng)1.3.1Pro/ENGINEER系統(tǒng)概況及特點(diǎn)1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEERproewildfire5.0。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。主要特性如下：全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)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(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用?；谔卣鞯膮?shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)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(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)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(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)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(xué)習(xí)和使用。1.3.2軟件應(yīng)用狀況及影響目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)已成為日常辦公的必需品，在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中，計(jì)算機(jī)已成為設(shè)計(jì)人員的重要幫手，因?yàn)橹挥袃?yōu)良精確的產(chǎn)品，才能滿足客戶的要求。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)字化離不開CAD/CAM系統(tǒng)的支持,具有技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大的Pro/E參數(shù)化造型系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和制造業(yè)中引起了人們的重視并得到了日益廣泛的應(yīng)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(jī)械，電子，家電，塑料模具等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用。該軟件版本主要經(jīng)歷了2000、2000i、2001及Wildfire版本的升級過程。它集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、NC加工、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動測量、機(jī)構(gòu)仿真、機(jī)構(gòu)分析、優(yōu)化分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能于一體，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少設(shè)計(jì)人員失誤、降低產(chǎn)品重量、降低產(chǎn)品成本、避免重復(fù)設(shè)計(jì)、推動標(biāo)準(zhǔn)化及便于團(tuán)隊(duì)合作等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、家電及玩具等行業(yè)。Pro/ENGINEER為滿足全球不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的需求，提供了強(qiáng)大的定制功能，不同的企業(yè)可通過配置與定制實(shí)現(xiàn)符合國標(biāo)和本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際的功能。1.3.3用該軟件建立三自由焊接機(jī)器人零件的特點(diǎn)Pro/E在作為強(qiáng)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(jī)器人所需零件庫。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的特點(diǎn)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?fù)浼s束來定義標(biāo)準(zhǔn)件的幾何形狀,從而得到標(biāo)準(zhǔn)件的幾何約束關(guān)系描述。然后，根據(jù)實(shí)際的零件尺寸利用代數(shù)表達(dá)式來定義標(biāo)準(zhǔn)件的基本尺寸之間的參數(shù)關(guān)系,將尺寸參數(shù)(變量)與尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系,生成一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)件圖素相聯(lián)系的外部參數(shù)文件,改變參數(shù)文件中的有關(guān)變量,通過尺寸驅(qū)動處理即可生成所需尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)而可建立模型所需的所有零件。在建立零件庫以后，再根據(jù)實(shí)際機(jī)械運(yùn)動要求進(jìn)行裝配，裝配所需的定義關(guān)系有銷釘，剛性，滑塊，槽鏈接等。裝配完畢后，在運(yùn)動副上加裝相應(yīng)電機(jī)，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及運(yùn)動仿真。

2“慧魚”焊接工業(yè)機(jī)器人的工作原理解析2.1慧魚焊接工業(yè)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)思路任何一臺機(jī)器人都是以設(shè)計(jì)為第一個(gè)流程的，慧魚焊機(jī)機(jī)器人當(dāng)然也不例外。本次設(shè)計(jì)的慧魚焊接工業(yè)機(jī)器人模型屬于固定式專用焊接機(jī)器人人，實(shí)現(xiàn)三維空間上的焊接任務(wù)。焊接機(jī)器人是代替工人手工焊接，減輕勞動強(qiáng)度；改善多品種混流生產(chǎn)的柔性；提高焊接質(zhì)量；提高生產(chǎn)率。為了保證以上要求“慧魚”工業(yè)機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)首先要求三個(gè)或以上的自由度，為了降低設(shè)計(jì)難度，本次設(shè)計(jì)采用三自由度，分別為腰關(guān)節(jié)的360°旋轉(zhuǎn)自由度，前后移動和上下移動的移動副自由度。機(jī)器人的構(gòu)件和通用焊接機(jī)器人一樣分為三個(gè)部分:機(jī)器人本體；焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)主要研究的是機(jī)器人本體和焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，對控制系統(tǒng)不做深層次的探討。焊接機(jī)器人基本上都屬于電動機(jī)驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?0kg以內(nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅(qū)動方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動機(jī)驅(qū)動，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、驅(qū)動器和示教盒四個(gè)個(gè)基本部分構(gòu)成。對于電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，控制器和驅(qū)動器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動機(jī)器人，液壓驅(qū)動源單獨(dú)成一個(gè)部件，本次所設(shè)計(jì)的機(jī)器人模型采用比較普遍的伺服電機(jī)驅(qū)動，共計(jì)四臺電機(jī)，腰關(guān)節(jié)用伺服電機(jī)驅(qū)動蝸桿帶動渦輪旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，上下和左右的移動用伺服電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，再采用限位開關(guān)作為反饋和控制元件使得機(jī)器人自動運(yùn)行。然后從點(diǎn)到面，從零件的測繪開始，然后對每個(gè)零件建模，最后裝配仿真。2.2“慧魚”焊接工業(yè)機(jī)器人的工作原理慧魚焊接工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，由三個(gè)相互關(guān)連的部分組成：機(jī)械手總成、控制器、示教系統(tǒng)，如圖2-1所示。

圖2-1工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)機(jī)械手總成是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)、末端操作器、以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動?？刂破魇菣C(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、白保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機(jī)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)專用的智能終端?；埕~焊接機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個(gè)剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動的關(guān)節(jié)串連而成，是一個(gè)開環(huán)關(guān)節(jié)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(jī)器人操作時(shí)，機(jī)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(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動控制中，必須要知道機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量空間和末端操作器的位置和姿態(tài)之間的關(guān)系，這就是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型。一臺機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動學(xué)模型即可確定，這是焊接工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制的基礎(chǔ)。慧魚工業(yè)機(jī)器人通過四個(gè)伺服電動機(jī)之間的關(guān)聯(lián)可以在單一方向運(yùn)動，也可以在同時(shí)在幾個(gè)方向聯(lián)系動作完成焊接任務(wù)?；埕~焊接工業(yè)機(jī)器人手臂運(yùn)動學(xué)中也牽扯到了兩個(gè)基本問題。

1)對已經(jīng)給定焊接機(jī)械臂，己知各關(guān)節(jié)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(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運(yùn)動學(xué)正問題。在機(jī)器人示教過程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)正問題運(yùn)算。

2)對已經(jīng)給定焊接機(jī)械臂，已知末端操作器在參考坐標(biāo)系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運(yùn)動學(xué)逆問題。在機(jī)器人再現(xiàn)過程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆問題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。目前的慧魚工業(yè)機(jī)器人上采用的控制方法是把機(jī)械手上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負(fù)載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨(dú)系統(tǒng)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有兩個(gè)伺服環(huán)，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)見圖3-2外環(huán)提供位置誤差信號，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補(bǔ)嘗器(具有衰減速度的微分反饋)組成，兩個(gè)伺服環(huán)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(fù)荷不大的機(jī)器人控制，對常規(guī)焊接機(jī)器人來說，已能滿足要求。

圖3-2慧魚焊接機(jī)械手伺服控制體系結(jié)構(gòu)

3“慧魚”工業(yè)機(jī)器人3.1慧魚創(chuàng)意組合模型的概況及運(yùn)用1964年，慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，是展示科學(xué)原理和技術(shù)過程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進(jìn)教育理念的學(xué)具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了最佳的載體。慧魚創(chuàng)意組合模型主要有組合包、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機(jī)械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬，從而為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)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(chǎn)流水線?！盎埕~”創(chuàng)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(shí)現(xiàn)許多工業(yè)控制過程；模型具有一般機(jī)械所用的零部件，如齒輪、電機(jī)、電氣開關(guān)等，通過聲、光、電和輔助技術(shù)的配合，能夠模擬各種機(jī)械運(yùn)動及機(jī)械設(shè)備的自動控制，而且具有比較真實(shí)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(jī)構(gòu)模型?；埕~創(chuàng)意組合模型已在歐洲和美洲的各大、中專學(xué)校廣泛應(yīng)用，慧魚創(chuàng)意組合模型進(jìn)入中國以來，也在清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等眾多高校中日益廣泛地應(yīng)用，慧魚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室就是利用慧魚模型組合包系列建立的工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，是創(chuàng)新教育的一個(gè)全新平臺，它以其濃厚的趣味性、創(chuàng)新性和教學(xué)中的啟發(fā)性,使學(xué)生能很直觀地把抽象、復(fù)雜的理論通過模型的運(yùn)動及對運(yùn)動的控制得到實(shí)現(xiàn),培養(yǎng)了學(xué)生的想象力和自主創(chuàng)造力。采用該模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能培養(yǎng)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，大大地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，較好地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中書本知識與實(shí)踐脫節(jié)的問題，改變學(xué)生動手能力差的狀況，使書本知識與實(shí)踐能有機(jī)地結(jié)合起來，對于學(xué)生理解機(jī)械運(yùn)動及機(jī)械設(shè)備工業(yè)控制具有很大的益處,是很好的機(jī)電一體化的實(shí)例。大學(xué)應(yīng)該培養(yǎng)什么樣的學(xué)生，一直是教育的重要課題，培養(yǎng)學(xué)生的教學(xué)思想、教學(xué)方法、科學(xué)途徑等也是值得教師們研究的問題。中國工程技術(shù)隊(duì)伍龐大，工程師數(shù)量居世界之首，但其相應(yīng)的工業(yè)總產(chǎn)值只是美國的1/7，日本的1/4，我們的國民經(jīng)濟(jì)人均年產(chǎn)值只是發(fā)達(dá)國家平均值的1/40,世界平均值的1/8。這應(yīng)當(dāng)主要?dú)w結(jié)到工程師質(zhì)量不高、創(chuàng)新不夠上來，而工科學(xué)校培養(yǎng)的人才直接關(guān)系到國家的工程師的質(zhì)量，乃至國家的發(fā)展。所以，我們的教學(xué)改革應(yīng)立足培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(xué)輔助工具，慧魚的工業(yè)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(yè)生產(chǎn)中很多機(jī)器的運(yùn)行原理，使復(fù)雜枯燥的教學(xué)過程變得生動有趣?；埕~展品組合包則通過模仿學(xué)習(xí)、創(chuàng)造性裝配、高層次創(chuàng)意及編程三個(gè)階段來逐步提高學(xué)生的興趣和思維能力，引導(dǎo)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)，增加學(xué)生的創(chuàng)新意識，使學(xué)生在動手實(shí)踐中，輕松掌握許多復(fù)雜的機(jī)械原理。3.2“慧魚”機(jī)器人的基本構(gòu)件和用法3.2.1慧魚的特點(diǎn)1964年，慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，是展示科學(xué)原理和技術(shù)過程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進(jìn)教育理念的學(xué)具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了最佳的載體?！盎埕~”創(chuàng)意組合模型的主要部件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復(fù)拆裝的同時(shí)不影響模型結(jié)合的精確度；構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽專利設(shè)計(jì)使六面都可拼接，獨(dú)特的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)隨心所欲的組合和擴(kuò)充。三自由度機(jī)械手“慧魚”創(chuàng)意組合模型主要有組合包、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機(jī)械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬，從而為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)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(chǎn)流水線?！盎埕~”創(chuàng)意組合模型體現(xiàn)不同學(xué)科知識點(diǎn)的各種組合包，不僅可以應(yīng)用于中小學(xué)各個(gè)年級學(xué)科教學(xué)、還可以用于大學(xué)不同專業(yè)以及研究生工程實(shí)驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新活動，現(xiàn)在以清華大學(xué)、上海交通大學(xué)為代表的一批高校建立的慧魚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室就是利用慧魚模型組合包系列建立的工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，是創(chuàng)新教育的一個(gè)全新平臺。三自由度機(jī)械手“慧魚”創(chuàng)意組合模型的使用有三個(gè)階段。第一，是根據(jù)安裝操作手冊中的示范，簡單模仿，從而獲取技術(shù)知識；第二，是根據(jù)現(xiàn)有的模型做出合理科學(xué)的改進(jìn)，從而發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力；第三，是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和知識的擴(kuò)展，創(chuàng)造出新的模型，從而實(shí)現(xiàn)三層電梯模型三自由度機(jī)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(chuàng)新。通過慧魚模型的使用，不僅可以讓我們的孩子將多學(xué)科多領(lǐng)域的綜合知識融會貫通于實(shí)踐過程中，更重要的是培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。以上所述慧魚創(chuàng)意組合模型的魅力所在，也是慧魚創(chuàng)意組合模型半個(gè)世紀(jì)以來在整個(gè)歐洲及北美的學(xué)校中盛行的奧秘所在?；埕~創(chuàng)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(fā)明模型獲德國政府頒發(fā)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(yè)部長推為最佳玩具；在美國,被PLTW（ProjectLeadTheWay-非營利官方機(jī)構(gòu)，即專為培訓(xùn)全國的中小學(xué)教師及學(xué)生組織）作為工程、項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐和基礎(chǔ)性研究的首選產(chǎn)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(fā)展項(xiàng)目"的2002、2003年度中標(biāo)產(chǎn)品，慧魚正日益為廣大中國教育界人士接受和認(rèn)可！采用慧魚構(gòu)件進(jìn)行機(jī)器人制作，需要經(jīng)過如下4個(gè)階段：培養(yǎng)手感階段。在這一階段中，主要熟悉慧魚各種構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)慧魚機(jī)器人，學(xué)校各種經(jīng)典的機(jī)構(gòu)組合方式。創(chuàng)新階段。在這一階段，通過前面對慧魚組合經(jīng)驗(yàn)的積累，在標(biāo)準(zhǔn)慧魚機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之更簡化或者能實(shí)現(xiàn)更多的動作，從而制作出不同的機(jī)器人，培養(yǎng)想象力和創(chuàng)造力。創(chuàng)新階段。在前三個(gè)階段的基礎(chǔ)上，將所有知識綜合運(yùn)用，擺脫搭建手冊的約束，創(chuàng)造出具有新的機(jī)構(gòu)和功能的機(jī)器人。創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，而慧魚創(chuàng)意組合模型就是我們期待的創(chuàng)新教育的理想學(xué)具！3.2.2基本構(gòu)件基本構(gòu)件主要用于固定和連接，是制作機(jī)器人身體最基礎(chǔ)最常用的零部件。1．柱柱主要用于固定支撐和機(jī)器人的實(shí)體搭建（圖3-1），可以從六個(gè)方面進(jìn)行拼裝，主要根據(jù)不同的長度進(jìn)行種類區(qū)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(cè)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(jù)其長度和寬度進(jìn)行區(qū)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(jī)器人的實(shí)體搭建,可以根據(jù)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(yùn)動部件，主體結(jié)構(gòu)是斷面為圓形的細(xì)長桿，棒狀，可根據(jù)其長度的不同進(jìn)行分類。此外，還有一種固定了小齒輪的軸，可以與電機(jī)和齒輪箱配套使用，是傳遞動力時(shí)必不可少的構(gòu)件，如圖3-4所示。圖3-45.軸套普通軸套是內(nèi)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?；埕~構(gòu)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(chǔ)構(gòu)件固定在軸上，隨軸轉(zhuǎn)動，安裝時(shí)一定要注意旋緊，否則會出現(xiàn)打滑的現(xiàn)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(zhuǎn)動的速度，主要根據(jù)模數(shù)和直徑來區(qū)分，相同模數(shù)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(gòu)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(fù)載比較輕時(shí)，也可以適當(dāng)分擔(dān)柱的工作，使用范圍廣泛。圖3-78.連接件連接件的個(gè)體通常比較小（見圖3-8），在結(jié)構(gòu)制作中起銜接作用，可以連接柱、塊、軸等不同的慧魚構(gòu)件，有固定連接和活動連接兩種，可以用于軸的延長。關(guān)節(jié)活動和構(gòu)件固定。圖3-89．連接桿連接桿件為細(xì)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(jù)其不同的長度進(jìn)行分類，主要用來實(shí)現(xiàn)各種機(jī)構(gòu)的連接，如組成連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，以活動連接最為普遍，有時(shí)也用來穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

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(gòu)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(jī)構(gòu)和拓展設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)了一些關(guān)于慧魚構(gòu)件和組裝的基本知識，要想脫離原有的搭建手冊進(jìn)行創(chuàng)意組合，可能對于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還有一些疑惑，這一節(jié)將從基本功能出發(fā)，介紹一些常用的機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)。常用的構(gòu)件包括連桿、鏈條、履帶、齒輪（普通齒輪、斜齒輪、內(nèi)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(jié)、差速器、齒輪箱、鉸鏈等。由這些機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行組合和設(shè)計(jì)，可以得到各種典型的傳動機(jī)構(gòu)。1．連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)是許多構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副或移動副連接組成的平面機(jī)構(gòu)。通過連桿機(jī)構(gòu)可以將電動機(jī)或齒輪箱輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為各種運(yùn)動形式。圖3-11最基本的連桿機(jī)構(gòu)由四個(gè)轉(zhuǎn)動副組成，它可以細(xì)分為以下三種：1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)描述：將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)閾u擺運(yùn)動或?qū)u擺運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。2)平行四連桿機(jī)構(gòu)描述：兩個(gè)連桿間可以保持相互平行的運(yùn)動。3)雙曲柄機(jī)構(gòu)描述：兩個(gè)連桿均可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。四桿機(jī)構(gòu)中通常也可以包含一個(gè)或兩個(gè)移動副，其典型代表便是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在慧魚機(jī)器人的實(shí)際設(shè)計(jì)中，同一機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同構(gòu)件的特點(diǎn)靈活變通。制作時(shí)需注意，連桿機(jī)構(gòu)中桿件太多運(yùn)動鏈太長會導(dǎo)致連桿機(jī)構(gòu)傳動效率降低，因此，連桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少桿數(shù)，最多不要超過8桿。2.鏈傳動鏈傳動通常運(yùn)用于遠(yuǎn)距離兩軸之間的運(yùn)動和動力傳遞，可以傳遞打轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動速度一般比較低?；埕~構(gòu)件中的鏈條既可以單獨(dú)使用，也可以與履帶片組合成傳送帶使用。履帶及鏈輪經(jīng)典組合是慧魚機(jī)器人中一種很常用的連接方式。安裝時(shí)注意保持鏈條合適長度，太長轉(zhuǎn)動時(shí)易滑脫，太短則易卡死。使用中要根據(jù)實(shí)際情況增加或調(diào)節(jié)兩軸之間的中心距離。3.齒輪機(jī)構(gòu)在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，齒輪機(jī)構(gòu)以其傳動準(zhǔn)確可靠，傳遞動力打，傳動范圍廣的特點(diǎn)而被廣泛使用。根據(jù)傳動方式的不同，齒輪機(jī)構(gòu)可以分為如下幾種：齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)1)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)可以將圓周運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動或者將直線運(yùn)動變?yōu)閳A周運(yùn)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(jīng)典的使用方法是齒輪做圓周運(yùn)動，齒條作直線運(yùn)動，有時(shí)為了增加運(yùn)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(zhuǎn)動速度的傳遞和交換，有時(shí)為了得到較大的傳動比，也可以使用多個(gè)齒輪進(jìn)行連接，進(jìn)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(gòu)件中錐齒輪的尺寸是同一的，因此錐齒輪只能進(jìn)行90度的運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)換，不能提供變速運(yùn)動。4）蝸桿傳動蝸桿傳動實(shí)現(xiàn)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(gòu)件中經(jīng)常使用到蝸桿，如圖3-13所示。圖3-13在慧魚構(gòu)件中，與蝸桿嚙合不需要專用的蝸輪構(gòu)件，只要模數(shù)相同，蝸桿也可以與直齒輪配套使用。另外，蝸桿也可以與內(nèi)部帶螺旋的慧魚構(gòu)件配合，類似于螺桿和螺母，通過蝸桿的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動滑塊作一定方向上的直線移動。有時(shí)為了增加運(yùn)動長度，蝸桿可以拼接延長，注意中間連接部分應(yīng)緊密結(jié)合，否則在轉(zhuǎn)動過程中和可能松脫或卡死。4.凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)是一種由凸輪、推桿和機(jī)架組成的三桿機(jī)構(gòu)，它可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為上下運(yùn)動，在該機(jī)構(gòu)中，使用凸輪構(gòu)件，將其固定在旋轉(zhuǎn)軸上，在凸輪的上部安裝一個(gè)可移動的推桿，隨著軸的轉(zhuǎn)動，推桿可以做上下往復(fù)運(yùn)動。注意：凸輪與推桿之間為點(diǎn)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(gè)相距較遠(yuǎn)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(xiàn)打滑的現(xiàn)象，這一特性，也使得在傳遞的力矩過大時(shí)可以由于打滑空轉(zhuǎn)而起到自動保護(hù)作用，降低零件變形損壞的幾率。因此有的設(shè)計(jì)要避免打滑，而有的設(shè)計(jì)則要利用這一特性。在兩軸所處的軸線平行時(shí)，根據(jù)兩軸的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向相同2）交叉式帶傳動描述：兩軸的旋轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)兩軸所處的軸線異面交叉或者夾角較小時(shí)，可以直接使用皮帶輪傳遞動力，當(dāng)夾角過大時(shí)，則需要在中間增加過輪，才能實(shí)現(xiàn)傳遞。上述帶傳動的轉(zhuǎn)速比均為主從兩個(gè)皮帶輪的半徑之比，特殊情況下，為了得到大的轉(zhuǎn)速比，也可以使用多級皮帶輪來進(jìn)行動力傳遞

4“慧魚”工業(yè)焊接機(jī)器人模型的建模及虛擬運(yùn)動仿4.1零件建模4.1.1建立標(biāo)準(zhǔn)件由于Pro/E可以便捷地進(jìn)行參數(shù)化建模和尺寸修改，所以，可以先建立三自由度焊接機(jī)器人所需零件的標(biāo)準(zhǔn)件，再去創(chuàng)建其他的零部件，下面以編號“32882”零件為例說明。1.設(shè)置工作目錄（圖4-1）。設(shè)置工作目錄是關(guān)鍵的第一步，這關(guān)系到以后的保存，修改參數(shù)，調(diào)用，裝配等。工作目錄相當(dāng)于零件的倉庫，盡量把名稱設(shè)為與內(nèi)容相關(guān)的名字。圖4-12．新建模板，點(diǎn)選零件；不選用缺省模板，鍵入零件名稱（非漢字），點(diǎn)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(gè)步驟，即可得到塊零件的一個(gè)實(shí)體模型。其他的不同類型的零件標(biāo)準(zhǔn)件可以通過類似的建模方法創(chuàng)建出來，繼而可以得到三自由度焊接機(jī)器人模型的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件庫，該模型的其他零件可以通過修改標(biāo)準(zhǔn)件的幾何參數(shù)來進(jìn)行創(chuàng)建。4.1.2參數(shù)化建模對于某些比較復(fù)雜的零件可以通過修改尺寸驅(qū)動程序的參數(shù)來進(jìn)行創(chuàng)建，下面以三自由度焊接機(jī)器人基座齒輪創(chuàng)建為例：1.測量基座齒輪的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算出模數(shù)，選取模數(shù)m=1.5、齒數(shù)z=58。2.選取軟件系統(tǒng)附帶的符合國家標(biāo)準(zhǔn)齒輪庫的直齒輪，并打開“關(guān)系”菜單欄，見圖4-5。圖4-53.修改參數(shù)，即得到基座齒輪，見圖4-6。圖4-64.1.3建立三自由度工業(yè)焊接機(jī)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(jī)器人所需零件的零件庫，將每個(gè)零件進(jìn)行編號，并保存，為接下來進(jìn)行的裝配打好基礎(chǔ)（本課題中所建零件庫見附圖1）4.2三自由度工業(yè)焊接機(jī)器人模型裝配1．創(chuàng)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(tài)即變?yōu)橥耆s束。因?yàn)榛姘迨茄b配的第一個(gè)零件，也是其他零件進(jìn)行裝配的基礎(chǔ)和參照，故約束類型為缺省，這也是整個(gè)裝配過程中唯一約束類型為缺省狀態(tài)的零件（圖4-8）。圖4-83.在前一步驟的基礎(chǔ)上，繼續(xù)插入零件，按照零件之間的關(guān)系進(jìn)行裝配（依次見下圖）。此時(shí)應(yīng)注意：由于零件之間有相對運(yùn)動，所以在裝配時(shí)，不同的運(yùn)動關(guān)系有不同的連接方式和約束類型，如有相對轉(zhuǎn)動的零件之間應(yīng)裝配成銷釘連接，有螺旋運(yùn)動的應(yīng)裝配成槽鏈接，有齒輪傳動的應(yīng)裝配成齒輪嚙合關(guān)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(yùn)動仿真打好了基礎(chǔ)。4.3運(yùn)動仿真1．在Pro/E工具欄點(diǎn)選擇“應(yīng)用程序”，在下拉菜單中選擇“機(jī)構(gòu)”，見圖4-17。圖4-162.機(jī)器人的能量來源為電動機(jī)，所以運(yùn)動仿真首先應(yīng)為運(yùn)動副加伺服電機(jī)。下