“慧鱼”工业机器人的三维实体建模及仿真

“慧鱼”工业机器人的三维实体建模及仿真摘要工业机器人作为现代制造技术发展的重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要影响。本设计从工业机器人的发展为引线，阐述了工业机器人以及焊接机器人的发展和应用现状，分析介绍了焊接机器人系统的组成、特点和发展趋势。然后以德国“慧鱼”焊接工业机器人模型为基础，并对其所有模型零件进行了系统的测绘和记录，并运用美国参数技术公司开发的以参数化设计著称的产品设计软件Pro/E对“慧鱼”焊接工业机器人模型的零件逐一地进行了三维建模，再运用Pro/E装配对零件进行了装配并对工业焊接机器人模型的三维实体模型进行了仿真和部分的应力结构分析。关键字：慧鱼创意组合；工业机器人；焊接机器人；Pro/E；三维仿真。

“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

目录1绪论 11.1工业机器人的发展与应用 11.1.1工业机器人的发展及应用领域 11.1.2工业机器人的国内外发展现状及趋势 31.2焊接机器人的应用与展望 41.2.1焊接机器人的发展历程 41.2.2焊接机器人的应用和技术现状 51.2.3焊接机器人的发展趋势 51.3.Pro/ENGINEER软件系统 71.3.1Pro/ENGINEER系统概况及特点 71.3.2软件应用状况及影响 81.3.3用该软件建立三自由焊接机器人零件的特点 82“慧鱼”焊接工业机器人的工作原理解析 92.1慧鱼焊接工业机器人的整体设计思路 92.2“慧鱼”焊接工业机器人的工作原理 93“慧鱼”工业机器人 123.1慧鱼创意组合模型的概况及运用 123.2“慧鱼”机器人的基本构件和用法 133.2.1慧鱼的特点 133.2.2基本构件 153.3“慧鱼”常用机构和拓展设计 204“慧鱼”工业焊接机器人模型的建模及虚拟运动仿 244.1零件建模 244.1.1建立标准件 244.1.2参数化建模 254.1.3建立三自由度工业焊接机器人模型零件库 264.2三自由度工业焊接机器人模型装配 264.3运动仿真 30致谢 33参考文献 341绪论1.1工业机器人的发展与应用1.1.1工业机器人的发展及应用领域工业机器人是一种典型的光、机、电一体化高科技产品，一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为:一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机.操作机定义为:具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置.工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备.特别适合于多品种、变批量的柔性生产.它对稳定、提高产品质量，提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用.1959年被称为“工业机器人之父”的美国发明家约瑟夫·英格伯格与德沃尔联手制造出世界上第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unlmation公司.1962年美国ANJ公司生产出的“VERSTRAN”(意思是万能搬运)成为真正商业化的工业机器人，掀起了全世界对机器人研究的热潮.从20世纪60年代后期开始，搬运、喷漆、弧焊机器人相继在生产中得到应用。从20世纪70年代开始，机器技术的研究重点被放在对外部传感器和控制方法的研究上.20世纪80年代以后，在着重研究机器人视觉的同时，机器人先进控制方法和应用领域不断的进步和扩展.从上世纪90年代开始，随着计算机技术和光、机、电一体化以及网络技术的深入发展，出现了娱乐、洗尘、警卫等多种贴近生活的智能机器人。值得一提的是，日本虽然研制机器人的时间比美国晚了约10年，但是他们从最初的购买美国的成熟产品和技术，到自己开始大规模的研究，到现在已经形成一个相当大的机器人产业。按照日本的数据统计，日本机器人数量占了世界总数的一半以上。我国机器人的研究和开发可以追溯到六十年代，但直到七十年代中期，全国大约240多家单位中的大多数仍停留在程控机械手这一低水平的重复研究上，到八十年代中期863计划实施前，全国还没有一台示教再现式关节型机器人产品问世，更谈不上生产应用。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础.自从20世纪60年代美国生产制造出第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展迅速，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。它对于提高生产自化水平、劳动生产率和经济效益，实现劳动作业省力化，保证产品质量，改善劳动条件，提高企业的市场竞争力，扩大就业机会、提高技术创新能力等方面的作用日益显著。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用.目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业。如图1-1所示，2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求占该地区所有行业对工业机器人需求的比例高达61%;同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首;2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台;意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。图1-12005年美洲、亚洲地区各主要行业对工业机器人的需求比例分布随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等在工业生产中都已被大量采用。诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等应用于各种非制造行业的工业机器人.此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域，机器人的应用也越来越多。1.1.2工业机器人的国内外发展现状及趋势在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括:瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKARoboter，美国的Ad即tTeclm01ogy、AillerieanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S一TRoboties，意大利COMAU，英国的AntoTeehRoboties，加拿大的JedIntemationalRobotics，以色列的RobogrouPTek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业.根据日本经济状况统计专业公司“富士经济”公司和国际机器人联合会(1FR)的统计数据显示，目前日本的工业机器人生产量占全世界工业机器人的70%左右，国内工业机器人保有量约为50%，而与工业机器人相关的专利则有90%以上掌握在日本企业手中。从1985年到2004年，全球范围内日本的工业机器人保有量一直远远超过其他国家，特别是在1985年以后的十年间增长相当迅速，由此可以看出，日本是名副其实的机器人大国16，7].而相比之下，虽然欧美各国的工业机器人保有台数也一直保持上升趋势，但只是在最近10年左右才有了较大增长;而亚洲其他国家的工业机器人保有数量则在最近10年有了非常大的增长.在我国，工业机器人的真正使用已有20多年的时间，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内工业机器人市场的实际情况，把握我国工业机器人研究的相关进展，显得十分重要.我国的工业机器人从80年代开始起步，通过科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。我国的工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。从近几年世界机器人推出的产品来看，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，其发展趋势主要为: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.预计在未来几年内，诸如液晶等离子面板搬送机器人、弧焊机器人和直角坐标机器人等工业机器人将有较大幅度的增长.1.2焊接机器人的应用与展望1.2.1焊接机器人的发展历程自从世界上第一台工业机器人诞生以来，焊接机器人的应用和发展经历了三个阶段:第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人.这类机器人操作简单，不需要环境模型，示教时可修正机械机构误差，在焊接生产中被大量应用，但其不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。第二代是具有一定感知能力的离线编程焊接机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作，现在已经进入应用研究阶段。第三代是智能型焊接机器人.这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象，自行编程完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力，现处于试验研究阶段.焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。其中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的.早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点.随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元(系统)方向发展。由于我国开发工业机器人晚于美国和日本，因此直到20世纪70年代末，中国才在引进国外技术的基础上，开始研究焊接机器人。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。1985年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台HY一1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。经过十几年的持续努力，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株会社共同建立了首钢一摩托曼机器人公司，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月巧日，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一100A型点焊机器人.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焊接机器人的应用和技术现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业.据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域.截止2005年，全世界在役工业机器人约为91.4万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国;在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。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。1984年起我国先后从国外引进了各种焊接机器人，用于汽车制造业.特别是90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。进入21世纪，由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加。目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、REIS、瑞典的ABB，意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。国产机器主要是沈阳新松机器人公司产品。虽然我国已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距，主要表现为:不能批量生产，焊接水平和国外产品还存在很大差距，部分核心零部件需要进口、价格昂贵.从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，发达国家都在加大力度，对机器人技术进行深入研究.从技术发展看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向.1.2.3焊接机器人的发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其他工业机器人一样，在不断向智能化和多样化方向发展.随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亚待我们去研究的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等将是未来研究的主要方向.从机器人技术的发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协作和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类的助手和伙伴。随着我国汽车工业的发展和制造业对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供一个良好的平台，也将为我国机器人应用产业的拓展带来前所未有的机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升;另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。国外工业机器人有非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。焊接机器人是机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，还需要政府、研究院所、生产厂家和企业的共同努力，才能不断加速我国国产机器人的发展。预计未来5年，国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的基础制造装备;另一方面，仍然通过引进和消化吸收一些现有的先进技术，尽快缩短和别人的差距。并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际舞台上的地位。

1.3.Pro/ENGINEER软件系统1.3.1Pro/ENGINEER系统概况及特点1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEERproewildfire5.0。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。主要特性如下：全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。1.3.2软件应用状况及影响目前，随着科学技术的不断进步，计算机已成为日常办公的必需品，在机械设计与制造过程中，计算机已成为设计人员的重要帮手，因为只有优良精确的产品，才能满足客户的要求。实现产品设计的数字化离不开CAD/CAM系统的支持,具有技术成熟、功能强大的Pro/E参数化造型系统在设计和制造业中引起了人们的重视并得到了日益广泛的应用。Pro/ENGINEER软件自1988年问世以来，目前已成为世界普及的CAD/CAM/CAE/PDM软件之一，在我国的机械，电子，家电，塑料模具等行业取得了广泛的应用。该软件版本主要经历了2000、2000i、2001及Wildfire版本的升级过程。它集零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、机构分析、优化分析和产品数据管理等功能于一体，以缩短产品开发周期、减少设计人员失误、降低产品重量、降低产品成本、避免重复设计、推动标准化及便于团队合作等优点，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电及玩具等行业。Pro/ENGINEER为满足全球不同行业标准的需求，提供了强大的定制功能，不同的企业可通过配置与定制实现符合国标和本企业标准与实际的功能。1.3.3用该软件建立三自由焊接机器人零件的特点Pro/E在作为强大的三维造型及仿真软件包，能够便捷地建立慧鱼三自由度焊接机器人所需零件库。首先根据标准件的特点确定原型零件,尽量保证该原型零件拥有最简单的特征,并利用几何约束和拓扑约束来定义标准件的几何形状,从而得到标准件的几何约束关系描述。然后，根据实际的零件尺寸利用代数表达式来定义标准件的基本尺寸之间的参数关系,将尺寸参数(变量)与尺寸之间的对应关系,生成一个与标准件图素相联系的外部参数文件,改变参数文件中的有关变量,通过尺寸驱动处理即可生成所需尺寸的标准件，进而可建立模型所需的所有零件。在建立零件库以后，再根据实际机械运动要求进行装配，装配所需的定义关系有销钉，刚性，滑块，槽链接等。装配完毕后，在运动副上加装相应电机，并进行参数设定及运动仿真。

2“慧鱼”焊接工业机器人的工作原理解析2.1慧鱼焊接工业机器人的整体设计思路任何一台机器人都是以设计为第一个流程的，慧鱼焊机机器人当然也不例外。本次设计的慧鱼焊接工业机器人模型属于固定式专用焊接机器人人，实现三维空间上的焊接任务。焊接机器人是代替工人手工焊接，减轻劳动强度；改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量；提高生产率。为了保证以上要求“慧鱼”工业机器人模型的设计首先要求三个或以上的自由度，为了降低设计难度，本次设计采用三自由度，分别为腰关节的360°旋转自由度，前后移动和上下移动的移动副自由度。机器人的构件和通用焊接机器人一样分为三个部分:机器人本体；焊接系统及控制系统。本次设计主要研究的是机器人本体和焊接系统的结构组成，对控制系统不做深层次的探讨。焊接机器人基本上都属于电动机驱动工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒四个个基本部分构成。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，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，本次所设计的机器人模型采用比较普遍的伺服电机驱动，共计四台电机，腰关节用伺服电机驱动蜗杆带动涡轮旋转来实现，上下和左右的移动用伺服电机带动丝杠旋转来实现，再采用限位开关作为反馈和控制元件使得机器人自动运行。然后从点到面，从零件的测绘开始，然后对每个零件建模，最后装配仿真。2.2“慧鱼”焊接工业机器人的工作原理慧鱼焊接工业机器人，按其功能划分，由三个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统，如图2-1所示。

图2-1工业机器人的基本结构机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。控制器是机器人的神经中枢。它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。慧鱼焊接机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端夹持器，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端夹持器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是焊接工业机器人运动控制的基础。慧鱼工业机器人通过四个伺服电动机之间的关联可以在单一方向运动，也可以在同时在几个方向联系动作完成焊接任务。慧鱼焊接工业机器人手臂运动学中也牵扯到了两个基本问题。

1)对已经给定焊接机械臂，己知各关节角矢量g(f)=[gl(t)，g2(t)，gn(i)]'，其中n为自由度。求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。在机器人示教过程中。机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。

2)对已经给定焊接机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。在机器人再现过程中，机器人控制器即逐点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。目前的慧鱼工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。每个关节都有两个伺服环，机械手伺服控制系统见图3-2外环提供位置误差信号，内环由模拟器件和补尝器(具有衰减速度的微分反馈)组成，两个伺服环的增益是固定不变的。因此基本上是一种比例积分微分控制方法(PID法)。这种控制方法，只适用于目前速度、精度要求不高和负荷不大的机器人控制，对常规焊接机器人来说，已能满足要求。

图3-2慧鱼焊接机械手伺服控制体系结构

3“慧鱼”工业机器人3.1慧鱼创意组合模型的概况及运用1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。“慧鱼”创意组合模型(Fischertechnik)是一种知识含量较高的工程类插装模型，可以仿真实现许多工业控制过程；模型具有一般机械所用的零部件，如齿轮、电机、电气开关等，通过声、光、电和辅助技术的配合，能够模拟各种机械运动及机械设备的自动控制，而且具有比较真实的功能。该模型尺寸精确，功能全面，具有直观的可接触性，而且能组成不同的机构模型。慧鱼创意组合模型已在欧洲和美洲的各大、中专学校广泛应用，慧鱼创意组合模型进入中国以来，也在清华大学、同济大学、浙江大学等众多高校中日益广泛地应用，慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台，它以其浓厚的趣味性、创新性和教学中的启发性,使学生能很直观地把抽象、复杂的理论通过模型的运动及对运动的控制得到实现,培养了学生的想象力和自主创造力。采用该模型进行实验教学，能培养和提高学生学习的热情和兴趣，大大地激发学生的创新意识，提高学生的实践动手能力，较好地解决学生在学习过程中书本知识与实践脱节的问题，改变学生动手能力差的状况，使书本知识与实践能有机地结合起来，对于学生理解机械运动及机械设备工业控制具有很大的益处,是很好的机电一体化的实例。大学应该培养什么样的学生，一直是教育的重要课题，培养学生的教学思想、教学方法、科学途径等也是值得教师们研究的问题。中国工程技术队伍庞大，工程师数量居世界之首，但其相应的工业总产值只是美国的1/7，日本的1/4，我们的国民经济人均年产值只是发达国家平均值的1/40,世界平均值的1/8。这应当主要归结到工程师质量不高、创新不够上来，而工科学校培养的人才直接关系到国家的工程师的质量，乃至国家的发展。所以，我们的教学改革应立足培养学生的创新设计能力，提升工程人员的整体水平。作为一种全体参与型的教学辅助工具，慧鱼的工业模型能够由浅入深，通过一系列完全逼真的造型，灵活精确地控制程序，模拟展示日常生活及工业生产中很多机器的运行原理，使复杂枯燥的教学过程变得生动有趣。慧鱼展品组合包则通过模仿学习、创造性装配、高层次创意及编程三个阶段来逐步提高学生的兴趣和思维能力，引导学生自主性学习，增加学生的创新意识，使学生在动手实践中，轻松掌握许多复杂的机械原理。3.2“慧鱼”机器人的基本构件和用法3.2.1慧鱼的特点1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。“慧鱼”创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。三自由度机械手“慧鱼”创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。“慧鱼”创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。三自由度机械手“慧鱼”创意组合模型的使用有三个阶段。第一，是根据安装操作手册中的示范，简单模仿，从而获取技术知识；第二，是根据现有的模型做出合理科学的改进，从而发挥想象力和创造力；第三，是根据实际应用和知识的扩展，创造出新的模型，从而实现三层电梯模型三自由度机械手三层电梯模型柔性加工流水线三层电梯模型前所未有的创新。通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。以上所述慧鱼创意组合模型的魅力所在，也是慧鱼创意组合模型半个世纪以来在整个欧洲及北美的学校中盛行的奥秘所在。慧鱼创意组合模型1970年、1976年两度获得法国“OSCARDEJOUET”（奥斯卡金像奖）；1976年获荷兰最佳教具奖；1977年FISCHER博士因发明模型获德国政府颁发的杰出工程师奖；1991年获德国诺贝尔工程师奖；1996年被德国工业部长推为最佳玩具；在美国,被PLTW（ProjectLeadTheWay-非营利官方机构，即专为培训全国的中小学教师及学生组织）作为工程、项目教学实践和基础性研究的首选产品；在马来西亚，被列为政府采购的必备教具；在中国，作为"世界银行高等教育发展项目"的2002、2003年度中标产品，慧鱼正日益为广大中国教育界人士接受和认可！采用慧鱼构件进行机器人制作，需要经过如下4个阶段：培养手感阶段。在这一阶段中，主要熟悉慧鱼各种构件，并锻炼用双手熟练拆装。模仿阶段。在这一阶段中，使用搭建手册来辅助，按照手册上的顺序制作标准慧鱼机器人，学校各种经典的机构组合方式。创新阶段。在这一阶段，通过前面对慧鱼组合经验的积累，在标准慧鱼机器人的基础上进行改进，使之更简化或者能实现更多的动作，从而制作出不同的机器人，培养想象力和创造力。创新阶段。在前三个阶段的基础上，将所有知识综合运用，摆脱搭建手册的约束，创造出具有新的机构和功能的机器人。创新是一个民族进步的灵魂，而慧鱼创意组合模型就是我们期待的创新教育的理想学具！3.2.2基本构件基本构件主要用于固定和连接，是制作机器人身体最基础最常用的零部件。1．柱柱主要用于固定支撑和机器人的实体搭建（图3-1），可以从六个方面进行拼装，主要根据不同的长度进行种类区分，其中中间带孔的柱体可以作为轴的支撑。图3-1

2.板图3-1板的一侧具有平滑的平面，可以减少摩擦，通常用于制作平台和外形装饰，板的厚度比较薄，呈片状，其种类可以根据其长度和宽度进行区分，如图3-2所示。图3-2.块块比较厚，与柱体功能类似,只是受外形所限不能六面拼装（见图3-3）,主要用于固定和机器人的实体搭建,可以根据形状,角度的不同使用在不同的部位,制作出不同的外形效果。图3-34．轴轴主要用来连接各种运动部件，主体结构是断面为圆形的细长杆，棒状，可根据其长度的不同进行分类。此外，还有一种固定了小齿轮的轴，可以与电机和齿轮箱配套使用，是传递动力时必不可少的构件，如图3-4所示。图3-45.轴套普通轴套是内孔位圆形的短圆柱，可以套在轴上，主要用来固定轴上的零件。慧鱼构件中，还有一种特殊用途的轴套，左列与右列的零件成对使用，通过旋紧扣在轴上，可以将自身或齿轮等基础构件固定在轴上，随轴转动，安装时一定要注意旋紧，否则会出现打滑的现象，见图3-5所示。图3-56.齿轮齿轮主要用于传动（如图3-6），可以用来改变传动方向或者改变转动的速度，主要根据模数和直径来区分，相同模数不同直径的齿轮可以相互啮合。图3-67.孔条孔条是一种中间均匀分布有均匀装配孔德条状构件（图3-7），可以用来支撑轴和连接杆件，也可以用作外表装饰，负载比较轻时，也可以适当分担柱的工作，使用范围广泛。图3-78.连接件连接件的个体通常比较小（见图3-8），在结构制作中起衔接作用，可以连接柱、块、轴等不同的慧鱼构件，有固定连接和活动连接两种，可以用于轴的延长。关节活动和构件固定。图3-89．连接杆连接杆件为细条状（见图3-9），有均匀分布装配孔和仅在两端存在装配孔两种，可以根据其不同的长度进行分类，主要用来实现各种机构的连接，如组成连杆机构、凸轮机构等，以活动连接最为普遍，有时也用来稳固结构。

图3-910.辅助件辅助件一般形状各异，用途也不一样，仅列举齿轮箱、爪，如图3-10所示。图3-10由于慧鱼构件种类繁多，外观各异，篇幅有限不一一列举3.3“慧鱼”常用机构和拓展设计学习了一些关于慧鱼构件和组装的基本知识，要想脱离原有的搭建手册进行创意组合，可能对于机构的设计还有一些疑惑，这一节将从基本功能出发，介绍一些常用的机构和设计。常用的构件包括连杆、链条、履带、齿轮（普通齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮）、齿轴、齿条、蜗轮、蜗杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、齿轮箱、铰链等。由这些机械构件进行机械构件进行组合和设计，可以得到各种典型的传动机构。1．连杆机构连杆机构是许多构件用转动副或移动副连接组成的平面机构。通过连杆机构可以将电动机或齿轮箱输出的旋转运动转化为各种运动形式。图3-11最基本的连杆机构由四个转动副组成，它可以细分为以下三种：1)曲柄摇杆机构描述：将旋转运动变为摇摆运动或将摇摆运动转变为旋转运动。2)平行四连杆机构描述：两个连杆间可以保持相互平行的运动。3)双曲柄机构描述：两个连杆均可以做旋转运动。四杆机构中通常也可以包含一个或两个移动副，其典型代表便是曲柄滑块机构，在慧鱼机器人的实际设计中，同一机构可根据不同构件的特点灵活变通。制作时需注意，连杆机构中杆件太多运动链太长会导致连杆机构传动效率降低，因此，连杆机构在设计时应尽量减少杆数，最多不要超过8杆。2.链传动链传动通常运用于远距离两轴之间的运动和动力传递，可以传递打转矩，运动速度一般比较低。慧鱼构件中的链条既可以单独使用，也可以与履带片组合成传送带使用。履带及链轮经典组合是慧鱼机器人中一种很常用的连接方式。安装时注意保持链条合适长度，太长转动时易滑脱，太短则易卡死。使用中要根据实际情况增加或调节两轴之间的中心距离。3.齿轮机构在机器人结构中，齿轮机构以其传动准确可靠，传递动力打，传动范围广的特点而被广泛使用。根据传动方式的不同，齿轮机构可以分为如下几种：齿轮齿条传动机构1)齿轮、齿条机构可以将圆周运动变为直线运动或者将直线运动变为圆周运动。“慧鱼”中有两种不同尺寸的齿轮齿条，其常用的啮合方式有两种。比较经典的使用方法是齿轮做圆周运动，齿条作直线运动，有时为了增加运动长度，齿条可以拼接延长。2)直齿轮传动图3-12直齿轮传动，即直齿轮之间的啮合传动，直齿轮传动主要用于两轴之间转动速度的传递和交换，有时为了得到较大的传动比，也可以使用多个齿轮进行连接，进行多级变速（见图3-12）。3）锥齿轮传动主要用于垂直相交的两轴之间的动力传递，一般是成对使用。由于在慧鱼构件中锥齿轮的尺寸是同一的，因此锥齿轮只能进行90度的运动方向的转换，不能提供变速运动。4）蜗杆传动蜗杆传动实现的是在交叉垂直的两轴之间传递动力，而且可以得到较大的传动比，慧鱼构件中经常使用到蜗杆，如图3-13所示。图3-13在慧鱼构件中，与蜗杆啮合不需要专用的蜗轮构件，只要模数相同，蜗杆也可以与直齿轮配套使用。另外，蜗杆也可以与内部带螺旋的慧鱼构件配合，类似于螺杆和螺母，通过蜗杆的旋转，驱动滑块作一定方向上的直线移动。有时为了增加运动长度，蜗杆可以拼接延长，注意中间连接部分应紧密结合，否则在转动过程中和可能松脱或卡死。4.凸轮机构凸轮机构是一种由凸轮、推杆和机架组成的三杆机构，它可以将旋转运动转化为上下运动，在该机构中，使用凸轮构件，将其固定在旋转轴上，在凸轮的上部安装一个可移动的推杆，随着轴的转动，推杆可以做上下往复运动。注意：凸轮与推杆之间为点接触，因此不能用于载荷较大的地方。5.皮带与带轮皮带与带轮可以在两个相距较远的轴之间传递动力，由于是靠摩擦力传递，因此在使用过程中可能出现打滑的现象，这一特性，也使得在传递的力矩过大时可以由于打滑空转而起到自动保护作用，降低零件变形损坏的几率。因此有的设计要避免打滑，而有的设计则要利用这一特性。在两轴所处的轴线平行时，根据两轴的旋转方向相同或者相反，皮带可以有两种安装形式：1）开口式带传动描述：两轴的旋转方向相同2）交叉式带传动描述：两轴的旋转方向相反。当两轴所处的轴线异面交叉或者夹角较小时，可以直接使用皮带轮传递动力，当夹角过大时，则需要在中间增加过轮，才能实现传递。上述带传动的转速比均为主从两个皮带轮的半径之比，特殊情况下，为了得到大的转速比，也可以使用多级皮带轮来进行动力传递

4“慧鱼”工业焊接机器人模型的建模及虚拟运动仿4.1零件建模4.1.1建立标准件由于Pro/E可以便捷地进行参数化建模和尺寸修改，所以，可以先建立三自由度焊接机器人所需零件的标准件，再去创建其他的零部件，下面以编号“32882”零件为例说明。1.设置工作目录（图4-1）。设置工作目录是关键的第一步，这关系到以后的保存，修改参数，调用，装配等。工作目录相当于零件的仓库，尽量把名称设为与内容相关的名字。图4-12．新建模板，点选零件；不选用缺省模板，键入零件名称（非汉字），点确定，选取“mms_part_solid”模板，如图4-2所示。图4-23.绘制草图（见图4-3）图4-4.拉伸特征并保存（图4-4）。图4-4由以上4个步骤，即可得到块零件的一个实体模型。其他的不同类型的零件标准件可以通过类似的建模方法创建出来，继而可以得到三自由度焊接机器人模型的一个标准零件库，该模型的其他零件可以通过修改标准件的几何参数来进行创建。4.1.2参数化建模对于某些比较复杂的零件可以通过修改尺寸驱动程序的参数来进行创建，下面以三自由度焊接机器人基座齿轮创建为例：1.测量基座齿轮的各项参数，计算出模数，选取模数m=1.5、齿数z=58。2.选取软件系统附带的符合国家标准齿轮库的直齿轮，并打开“关系”菜单栏，见图4-5。图4-53.修改参数，即得到基座齿轮，见图4-6。图4-64.1.3建立三自由度工业焊接机器人模型零件库通过上面的方法可以建立三自由度焊接机器人所需零件的零件库，将每个零件进行编号，并保存，为接下来进行的装配打好基础（本课题中所建零件库见附图1）4.2三自由度工业焊接机器人模型装配1．创建新的组件模板，并命名，不选用缺省模板，选取“mmns_asm_design”模板，如图4-7所示。图4-72．首先插入基座面板，选择“用户定义”，约束类型为缺省，状态即变为完全约束。因为基座面板是装配的第一个零件，也是其他零件进行装配的基础和参照，故约束类型为缺省，这也是整个装配过程中唯一约束类型为缺省状态的零件（图4-8）。图4-83.在前一步骤的基础上，继续插入零件，按照零件之间的关系进行装配（依次见下图）。此时应注意：由于零件之间有相对运动，所以在装配时，不同的运动关系有不同的连接方式和约束类型，如有相对转动的零件之间应装配成销钉连接，有螺旋运动的应装配成槽链接，有齿轮传动的应装配成齿轮啮合关系等（如见图4-10、4-12、4-13）图4-9图4-10图4-11图4-12图4-13图4-14图4-14图4-15图4-15即为装配完成后的图片，正确的装配为下一步的运动仿真打好了基础。4.3运动仿真1．在Pro/E工具栏点选择“应用程序”，在下拉菜单中选择“机构”，见图4-17。图4-162.机器人的能量来源为电动机，所以运动仿真首先应为运动副加伺服电机。下