附件四： 畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱 激光管材焊接機器人的結構設計課題類型 工程設計 Y 導師姓名學生姓名 學 號 專業(yè)班級一、選題依據(jù)：1、選題的目的及意義：隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，各種材料應運而生，相應的加工方法也層出不窮，各種新加工方法、新技術呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。管材件的應用越來越多,相應的加工方法也隨之增多.而且越來越多的場合對管材件的質量、精度等有了越來越高的要求?，F(xiàn)在的企業(yè)公司使用的火焰、激光切割機在很多情況下只能完成平面構件的加工切割，很難實現(xiàn)對三維實體表面的加工，而激光切割機器人的應用正好能夠適應這種變化，而且相關的技術發(fā)展也越來越快，并且這種機器人的開發(fā)對保證管材構件的切割質量、切割精度，延長管件的使用時間，降低管件相應的加工制造成本，都有著非常重要的意義。由于管材加工應用的場合日益增多，同時隨著人們對其認知度的提高，該產(chǎn)品將會有更加廣大的發(fā)展前景。現(xiàn)在，國外在這方面的技術基本成熟，但國內各單位對這些技術的了解有相當部分還停留在文獻上。所以應該從基本做起，開展一些基礎技術研究作為機器人課題的主要研究與開發(fā)內容之一。2、國內外研究現(xiàn)狀：（1）工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人開始于 70 年代初期，其發(fā)展過程大體可分為三個部分：70 年代的孕育期；80 年代的研發(fā)期；90 年代的應用期。而今經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。當前我國已經(jīng)制造出部分機器人的關鍵部件，開發(fā)出點焊、弧焊、裝配、搬運、沖壓、注塑、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已經(jīng)應用于國內很多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批與其相關技術的研究人員也涌現(xiàn)出來。部分有關科研機構以及企業(yè)院所已擁有了工業(yè)機器人控制、驅動系統(tǒng)的硬件設計技術；工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術；工業(yè)機器人的運動學和軌跡規(guī)劃技術；工業(yè)機器人軟件的設計開發(fā)和編程技術；點焊、弧焊以及大型機器人的自動生產(chǎn)線與周邊配套設備的研發(fā)和加工技術等。有些關鍵技術已經(jīng)達到或接近世界先進水平。在西歐等發(fā)達國家里，工業(yè)機器人的自動化成套設備已經(jīng)成長為自動化設備的標榜和未來的發(fā)展方向。國外在農(nóng)業(yè)機械、電子、汽車等行業(yè)已經(jīng)大規(guī)模應用了工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線，這不僅保證了產(chǎn)品質量，提高了加工效率，而且降低了工傷事故的發(fā)生率。全球很多國家在近半個多世紀的工業(yè)機器人的應用實踐說明，工業(yè)機器人的推廣應用是實現(xiàn)自動化制造生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)制造效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力向前發(fā)展的有效途徑和方法。日本工業(yè)機器人行業(yè)早在上世紀 90 年代就已經(jīng)大規(guī)模應用了第一和第二類工業(yè)機器人，并且達到了其工業(yè)機器人發(fā)展歷史的輝煌時期?，F(xiàn)如今已經(jīng)在發(fā)展三、四類工業(yè)機器人的道路上取得了舉世矚目的偉大成就。日本的下一代機器人發(fā)展重點包括：高速化技術、低成本技術、小型化技術、提高可靠性技術、計算機控制技術、高精度技術、網(wǎng)絡化技術、觸覺和視覺傳感器技術等。 根據(jù)日本在 2007 年制定的一份計劃，日本到 2050 年工業(yè)機器人規(guī)模將達到 1.4 兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。假如一個工業(yè)機器人等同于 10 個勞動力的話，其工業(yè)機器人的規(guī)模就相當于千萬個勞動力，是現(xiàn)在日本全部勞動人口的 15%。（2）焊接機及相關技術在機械制造過程中，零部件焊接常用方式包括手工焊接、半自動焊接及數(shù)控焊接。手工焊接簡單方便，但是手工焊接質量差、加工誤差大、浪費材料多、后續(xù)加工的工作量多，同時其勞動條件比較惡劣，生產(chǎn)效率很低。半自動焊接中的仿形焊接機，其焊接構件的質量好，因為其使用相關模具，不適合于單件小批量和大型件的加工。其它型號的半自動焊接機雖然降低了勞動者的勞動強度，但其功能簡單，只適合一些形狀比較規(guī)則的構件加工。數(shù)控焊接相對手動及半自動焊接來說，能有效地提高構件焊接的質量和效率，降低勞動者的勞動強度。 數(shù)控焊接機是根據(jù)圖樣以及數(shù)控裝置的相關規(guī)定，編制出焊接加工程序，由電腦根據(jù)程序的要求進行運算，控制割嘴沿著圖樣要求的軌跡運動進行焊接加工。1958 年，英國氧氣公司（BOC）研制出第一臺數(shù)控氣割機，使焊接領域進入了高科技自動化階段。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)控焊接機在焊接能源方面和數(shù)控控制系統(tǒng)方面都取得了很大的發(fā)展，焊接能源已經(jīng)由當初單一的火焰能源焊接發(fā)展為現(xiàn)在的多種能源( 激光、等離子、火焰、高壓水射流)焊接方式；數(shù)控焊接機的控制系統(tǒng)已經(jīng)由當初的功能簡單、編程復雜、自動化程度不高發(fā)展到具有功能齊全、網(wǎng)絡化、圖形化、智能化的控制方式； 驅動系統(tǒng)也從開始的步進驅動、模擬伺服驅動發(fā)展到今天的全數(shù)字式伺服驅動。我國的數(shù)控焊接機從 20 世紀 70 年代由分離元件開始起步，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成應用微機控制焊接機。生產(chǎn)制造公司也逐年增加，現(xiàn)在生產(chǎn)各類焊接機的公司已近 40 家，世界四大著名的焊接機專業(yè)制造商，也先后來到中國投資建廠生產(chǎn)多種規(guī)格的焊接機。我國焊接機行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展歷程，在專業(yè)技術上有了很大的提高。當前，具有一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力的公司有金鳳公司、無錫華聯(lián)、中船 611 所及深圳博力昌等企業(yè)，年產(chǎn)數(shù)控火焰焊接機達2000 余套。其產(chǎn)品性能已經(jīng)接近國外同類產(chǎn)品的標準，并且有少數(shù)指標超過了國外標準，產(chǎn)品質量在逐步提高，完全有能力滿足國內不同用戶需求，代替了部分進口產(chǎn)品，還有部分產(chǎn)品出口。但在某些特殊焊接及專用系統(tǒng)開發(fā)方面同外國公司相比還有一定的差距。從各種類型的數(shù)控焊接機的應用情況來看，國內生產(chǎn)制造的數(shù)控焊接機的整機性能、技術水平等各種參數(shù)水平都取得了很大的進步，逐步趕上了國際的先進水平，滿足了用戶的需求，進一步提升了市場競爭力。國內部分產(chǎn)品在很多方面已經(jīng)形成了各自獨有的特點，實現(xiàn)了“ 多功能、自動化和高可靠性”。在有些方面，產(chǎn)品的技術性能參數(shù)已經(jīng)超越了國外的產(chǎn)品。 （ 3） 激光焊接及相關技術激光焊接加工技術廣闊的應用市場，另外加上現(xiàn)代相關的科學技術的高速發(fā)展，促使國內外相關的科技工作者對激光焊接加工技術進行不斷深入的研究開發(fā)，推動著激光焊接技術不斷地向前更好、更快的發(fā)展。焊接機器人廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)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(yè)機器人約為 91.4 萬臺，其中日本裝備的工業(yè)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(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數(shù)量在迅速增加，僅 2005 年就達 12.1 萬臺。我國自上世紀 70 年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術和應用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過40％，焊接機器人的增長率超過了 60％；2004 年國產(chǎn)工業(yè)機器人數(shù)量突破1400 臺，進口機器人數(shù)量超過 9000 臺，其中絕大多數(shù)應用于焊接領域：2005 年我國新增機器人數(shù)量超過了 5000 臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6％，遠小于韓國所占的 15％，更遠小于日本所占的 69％。這對于我國的經(jīng)濟發(fā)展速度以及經(jīng)濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應用程度的提高受到限制。當前，焊接機器人的應用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術的發(fā)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(chǎn)品質量和增強企業(yè)競爭力，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大前景。3、主要參考文獻[1] 邱宣懷等編 .機械設計(第三版). 北京:高等教育出版社,1989.10[2] 張展主編.機械設計通用手冊 .機械工業(yè)出版社.北京:機械工業(yè)出版社,1994.5[3] 邱麗芳等編 .機械原理.北京:機械工業(yè)出版社,2004[4] 宗光華等編.機器人的創(chuàng)意設計與實踐 .北京:北京航空航天大學出版社,2004[5] 劉延俊.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.[6] 林明星.電氣控制與可編程控制器[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.[7] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.[8] 濮良貴 紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2001.二、 研究(設計)內容： 針對常見截面形狀（如圓形、方形、三角形、橢圓形等） 、常見截面尺寸管材，設計利用激光進行工件焊接的專用機器人的主體結構。收集資料，了解國內外焊接設備、激光焊接技術、管材加工設備、機器人技術的發(fā)展現(xiàn)狀，設計機器人主體結構，選定合理參數(shù)，進行必要的強度和剛度校合，繪制相關裝配圖和必要零件圖，完成論文翻譯和畢業(yè)設計說明書。三、研究(設計)方法及技術路線：本設計以增強設備局部專用性，簡化設備結構為指導思路，同時采用新型結構方案，增強其通用性。開發(fā)出針對常見截面形狀（如圓形、方形、三角形、橢圓形等） 、常見截面尺寸管材進行焊接加工的，能滿足各種型材焊接加工的空間要求，并能進行一些成形工件焊接的，一種簡易的激光焊接專用機器人。1) 查閱相關資料，了解管材激光焊接專用機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。2）掌握設計過程所需的基本知識，為設計作好充分準備。3）畫出結構草圖，根據(jù)自己的思路進行設想，構建機械模型并在草稿紙上體現(xiàn)出來。查閱相關手冊，選擇合理的機械零件。4）進行設計計算、受力分析，在此基礎上確定零件尺寸；并對關鍵零件尺寸進行校核。5）繪制總裝圖及零件圖。6）撰寫設計說明書。7）整理各種設計資料，按照要求裝訂入袋。四、時間安排：第 7 周～第 9 周：畢業(yè)實習，查閱資料、外文翻譯、文獻綜述第 9～10 周：熟悉課題，撰寫開題報告第 10 周：確定設計方案，完成機器人的總體結構設計第 11 周～第 13 周：畫裝配圖和零件圖第 14 周：撰寫設計說明書第 15 周～第 16 周：驗收評閱、答辯及成績評定五、預期成果：通過此次畢業(yè)設計，鞏固機械設計專業(yè)有關機構和機械設計的知識，對機械系統(tǒng)設計的相關知識得到強化。所設計機器人應能比較方便地完成以圓管為代表的管材的焊接加工。不少于 3 張零號圖，設計說明書 1 份。指導教師意見：指導教師： 年 月 日注：課題類型填寫：工程設計、技術開發(fā)、軟件工程、理論研究等，同時注明 X—真實課題；Y —模擬課題；Z —虛擬課題。