焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的應(yīng)用

1、哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的應(yīng)用專 業(yè) 學(xué) 生 學(xué) 號 班 號 指導(dǎo)教師 開題日期 2017 年 9 月 17 日摘要為了促進(jìn)我國焊接機(jī)器人在焊接領(lǐng)域真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、成本低廉的自動(dòng)化、柔性化及智能化焊接，綜述了國內(nèi)外焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況以及我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀。焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的應(yīng)用，針對焊接機(jī)器人價(jià)格昂貴、編程復(fù)雜、尋位及清槍時(shí)間過長等問題，提出了我國焊接機(jī)器人技術(shù)的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢，即焊接機(jī)器人用弧焊電源技術(shù)、傳感技術(shù)、焊縫自動(dòng)識別與跟蹤技術(shù)、焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)、遙控焊接技術(shù)、離線編程與仿真技術(shù)以及多臺(tái)焊接機(jī)器人及外圍設(shè)

2、備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；管板連接；應(yīng)用AbstractIn order to promote our country in the field of welding robot to realize high quality, high efficiency and low cost welding, automatic, flexible and intelligent welding robot welding, the development of technology and application of welding robot in China the status

3、 quo at home and abroad are summarized. Application of welding robot in welding tube plate bracket, the welding robot is expensive, programming complex, searching and cleaning time, puts forward the research emphases and development trend of Chinese welding robot technology, the welding robot techno

4、logy, sensor technology and automatic seam welding power, recognition and tracking technology, quality control technology of weld welding technology, remote control, offline Programming and simulation technology, and the coordinated control technology of multiple welding robots and peripherals.Key w

5、ords: Welding robot; Tube plate connection; Application目錄摘要IAbstractII目錄III第一章 緒論11.1課題背景11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3研究目的及意義21.4本文研究的主要內(nèi)容2第二章 焊接設(shè)備和材料42.1焊接設(shè)備42.2焊接材料52.2.1 試驗(yàn)材料52.2.2 焊接性分析6第三章 焊接機(jī)器人的應(yīng)用93.1焊接機(jī)器人的組成及分類93.2焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程103.3焊接機(jī)器人的主要技術(shù)123.3.1焊接機(jī)器人的最新技術(shù)123.3.2應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義14第四章 焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的應(yīng)用174.1焊接機(jī)器人

6、在支架管板連接件焊接的應(yīng)用174.2焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的發(fā)展趨勢184.2.1機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)184.2.2焊接機(jī)器人的技術(shù)展望204.2.3焊接機(jī)器人未來研究的熱點(diǎn)及發(fā)展方向22結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25IV第一章 緒論1.1課題背景焊接是一項(xiàng)工作環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度大、對工作熟練程度要求高且對操作人員會(huì)產(chǎn)生潛在危害的工作。進(jìn)入21世紀(jì)20年代，伴隨國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提升，同時(shí)我國社會(huì)老齡化不斷加劇，一線焊接工人數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢。而根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的我國焊接材料的產(chǎn)量數(shù)據(jù)顯示，從2006年到2014年我國焊材產(chǎn)量在逐年增加，這就意味著焊接工作量在逐年增加。焊接機(jī)器

7、人的出現(xiàn)有效解決了這種供需矛盾，并且可以使更多人把工作時(shí)間投入到更具創(chuàng)造力的工作上。同時(shí)焊接機(jī)器人的使用可以提高焊接生產(chǎn)效率，改善工作人員的勞動(dòng)條件，穩(wěn)定和保證產(chǎn)品質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化生產(chǎn)，并能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化升級改造。焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展幾乎和典型關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展同步。各種機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究及應(yīng)用推動(dòng)著我國工業(yè)的快速發(fā)展。尤其是焊接機(jī)器人在各類機(jī)器人中占據(jù)非常重要的地位，約占工業(yè)機(jī)器人的1/3，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國焊接機(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。早在7

8、0年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動(dòng)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。一汽是我國最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的企業(yè)，1984年起先后從KUKA公司引進(jìn)了3臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，用于當(dāng)時(shí)“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機(jī)器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機(jī)器人車身總焊線。80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動(dòng)化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項(xiàng)目中都引進(jìn)了焊接機(jī)器人?？梢哉f90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)

9、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。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了工程機(jī)械行業(yè)的繁榮，工程機(jī)械行業(yè)也成為較早引用焊接機(jī)器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動(dòng)化焊接技術(shù)，焊接機(jī)器人逐漸嶄露頭角。鐵路機(jī)車行業(yè)由于我國貨運(yùn)、客運(yùn)、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機(jī)器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，全國共有各類焊接機(jī)器人1040臺(tái)，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%。在汽車行業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人的比例為3：2，其他

10、行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主，主要分布在工程機(jī)械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機(jī)器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從中還能看出，我國焊接機(jī)器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。1.3研究目的及意義在化工、輕工、核能等設(shè)備中，管與管板的焊接接頭不僅數(shù)量多，操作難度大，而且焊接質(zhì)量要求高。目前上海某工廠管板焊接是手工操作的，生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。所以本文針對上述情況，設(shè)計(jì)出管板自動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的管板自動(dòng)焊接機(jī)器人，包括機(jī)械系統(tǒng)、視覺自動(dòng)定位系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和基于觸摸屏的人機(jī)交互界面。根據(jù)工件及焊接工藝要求，焊接基本參數(shù)通

11、過觸摸屏設(shè)定，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)初始定位精度調(diào)試,確定視覺傳感識別管孔中心并將位置信息傳遞給以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)，引導(dǎo)焊接初始位置自動(dòng)識別、焊接。實(shí)現(xiàn)了對管板焊接機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)化改造，使原來人工定位，人工控制焊接進(jìn)程的機(jī)械手變?yōu)橛刹竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，視覺定位和焊接過程自動(dòng)化控制的一整套焊接設(shè)備。1.4本文研究的主要內(nèi)容我國是一個(gè)制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來相當(dāng)長的時(shí)期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝

12、備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、低成本和高柔性等幾個(gè)方面。高效率、高精度工藝的一個(gè)典型例子是精密成形技術(shù)，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削，減少原材料的浪費(fèi)，同時(shí)提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用。柔性自動(dòng)化仍是機(jī)床業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。柔性自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng)敏捷生產(chǎn)模式，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單元

13、的動(dòng)態(tài)重組問題。另外，國外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢，并且在成套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化、柔性自動(dòng)化，并大量采用工業(yè)機(jī)器人，正向著智能化、集成化的方向發(fā)展。隨著我國貿(mào)易溶入全球化，我國裝備制造業(yè)從來沒有像今天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)激烈的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)的手段在新的市場競爭中求得生存和發(fā)展，已是我國裝備制造業(yè)不容回避的問題。同時(shí)溶入全球化也為我們提供了前所未有的機(jī)遇，我們必須抓住機(jī)遇迎頭趕上。第二章 焊接設(shè)備和材料2.1焊接設(shè)備焊接機(jī)器人是一種高度自動(dòng)化的焊接設(shè)備采用機(jī)器人代替手工焊接作業(yè)

14、是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。機(jī)器人焊接作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志己被國內(nèi)許多工廠所接受，并且越來越多的企業(yè)首選焊接機(jī)器人作為技術(shù)改造的方案。焊接機(jī)器人是裝上了焊鉗或各種焊槍的工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)涉及數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制理論等，內(nèi)容很多。采用機(jī)器人進(jìn)行焊接，光有一臺(tái)機(jī)器人是不夠的，還必須配備外圍設(shè)備。常規(guī)的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)由以5部分組成。1、機(jī)器人本體，一般是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 6 軸關(guān)節(jié)式操作機(jī)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證機(jī)械手末端（悍槍）所要求的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。2、機(jī)器人控制柜，它

15、是機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路，負(fù)責(zé)處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。3、焊接電源系統(tǒng)，包括焊接電源、專用焊槍等。4、焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)施。5、焊接工裝夾具。習(xí)慣上所說的電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，是指速度控制、伺服電動(dòng)機(jī)和檢測部件三部分；而且，將速度控制部分稱之為伺服單元或驅(qū)動(dòng)器。按照伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它通常有四種基本結(jié)構(gòu)類型：開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)及混合閉環(huán)。伺服單元的硬件一般由五部分構(gòu)成：1 實(shí)現(xiàn)軸伺服電機(jī)的PID控制、或FUZZY（模糊） 控制、或其它控制規(guī)律的伺服控制單片機(jī)；2 伺服控制模板，其功能是實(shí)現(xiàn)控制單片機(jī)輸出數(shù)字量的D/A轉(zhuǎn)換與輸入到單片

16、機(jī)的模擬量的A/D轉(zhuǎn)換；3 伺服驅(qū)動(dòng)功放，一般機(jī)器人的軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率多在100W1000W的范圍，多屬中等功率，為此，由伺服控制模板給出的控制信號必須經(jīng)功率放大才能推動(dòng)電機(jī)；4 伺服電機(jī)是焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)的控制對象。5 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置檢測裝置（轉(zhuǎn)速、位置傳感器）。轉(zhuǎn)速、位置檢測裝置的功能是實(shí)時(shí)檢測軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角位移量，并將實(shí)時(shí)檢測結(jié)果反饋給電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，以形成電動(dòng)機(jī)伺服的閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。即便是開環(huán)控制系統(tǒng)，一般也需要電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角位移量的實(shí)時(shí)檢測參數(shù)。因此，轉(zhuǎn)速、位置檢測裝置是機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)極重要的組成環(huán)節(jié)。焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為主從控

17、制方式：它是采用主、從兩級控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)軸伺服控制系統(tǒng)的管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作協(xié)調(diào)控制。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可采用所謂“分散控制系統(tǒng)”。對于小批量多品種、體積或質(zhì)量較大的產(chǎn)品，可根據(jù)其工件的焊縫空間分布情況，采用簡易焊接機(jī)器人工作站或焊接變位機(jī)和機(jī)器人組合的機(jī)器人工作站。以適用于“多品種、小批量”的柔性化生產(chǎn)。對于工件體積小、易輸送且批量大、品種規(guī)格多的產(chǎn)品將焊接工序細(xì)分，采用機(jī)器人與焊接專機(jī)組合的生產(chǎn)流水線，結(jié)合模塊化的焊接

18、夾具以及快速換模技術(shù)，以達(dá)到投資少、效率高的低成本自動(dòng)化的目的。2.2焊接材料2.2.1 試驗(yàn)材料本課題試驗(yàn)過程所用的是板厚為2 mm和4 mm的低碳鋼，其中Q235鋼的化學(xué)成分如表2-1所示。其鋼的力學(xué)性能如表2-2所示。表2-1 Q235鋼的化學(xué)成分(wt.%)化學(xué)成分名稱CSIMnSPCrNiCu含量0.170.22%0.35%1.40%0.045%0.045%0.045%0.045%0.045%表2-2 Q235鋼的力學(xué)性能牌號屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）伸長率(%)Q235235375500262.2.2 焊接性分析金屬材料的焊接性是一個(gè)相對的概念，它既與材料本身的材質(zhì)有關(guān)，

19、也與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)9。但可以從焊接的角度來分解出這種低碳鋼的性能，對這種低碳鋼的性能給出一個(gè)評定方法。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊目前在各個(gè)領(lǐng)域中都以得到了普及，已經(jīng)發(fā)展成一種不可或缺的焊接工藝 。1. 碳當(dāng)量分析 低碳鋼中的化學(xué)成分，對焊接成形后的接頭影響很大。比如對焊接的熱影響區(qū)更是有直接的關(guān)系。所以用化學(xué)成分來分析可以看出來很多的東西。根據(jù)國際焊接協(xié)會(huì)(IIW)所提出的碳當(dāng)量公式10知，Q235鋼的碳當(dāng)量為0.25，一般認(rèn)為，當(dāng)碳當(dāng)量小于0.42時(shí)，冷裂傾向較小。從碳當(dāng)量方面來看，Q235鋼具有優(yōu)良的焊接性。2. 冷裂紋和熱裂紋由焊接冷裂紋敏感指數(shù)知，Q235鋼冷裂紋敏感指數(shù)為0.155%，

20、一般認(rèn)為，當(dāng)冷裂敏感指數(shù)不大于0.200.25，冷裂傾向較小。從冷裂紋敏感指數(shù)來看，Q235鋼發(fā)生冷裂傾向很小。具有優(yōu)良的焊接性。良好穩(wěn)定的連接是實(shí)現(xiàn)可靠應(yīng)用的基礎(chǔ)，針對熔焊對接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文采用抗拉強(qiáng)度來評價(jià)鍍鋅板搭接接頭的連接質(zhì)量，并且分析了影響接頭性能的主要因素。熱裂紋是在焊接高溫度下產(chǎn)生的，其中的危害最嚴(yán)重的是結(jié)晶裂紋，因?yàn)榻Y(jié)晶裂紋是在結(jié)晶后期形成的，是由低熔點(diǎn)物質(zhì)所形成的液態(tài)薄膜而引起的，它與焊縫金屬的組成成分，主要是由碳、鎳、硫、錳等元素有著密切關(guān)系11。從化學(xué)組成可以知道，Q235鋼中的含有的碳非常的低，錳比較高。鋼材的 Mn/S 較高，因?yàn)榫哂蟹浅：每菇Y(jié)晶裂紋得性能，熱裂紋不

21、是低碳鋼的材焊接主要問題。3. 再熱裂紋再熱裂紋多發(fā)生的部位多為焊接時(shí)經(jīng)過12001450加熱，然后在消除應(yīng)力中又經(jīng)過500700溫度循環(huán)的地方12。焊接Q235鋼是在室內(nèi)進(jìn)行的，所以其反應(yīng)性很低，采用在焊接前，焊前預(yù)熱，再熱裂紋是可以抑制的。接頭的開裂位置是指斷裂層面在接頭中所參照的合適部位，這些部位包括基材內(nèi)層、母材與焊縫層面及焊縫。由于接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力分布及接頭在加載測試中的作用力狀態(tài)均和參與產(chǎn)物大的數(shù)量有關(guān)，因此反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量不僅影響接頭硬度的大小，而且也會(huì)形成接頭開裂位置的變化。4. 焊前預(yù)熱溫度焊前預(yù)熱是減慢焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)冷卻速度的最有效的措施，可以降低焊接接頭的硬度，使氫

22、比較易于從焊接處擴(kuò)散或逸出，防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，可以指出，預(yù)熱溫度如果過高，一方面會(huì)惡化了勞動(dòng)條件，另一方面也會(huì)在局部預(yù)熱的條件下，由于是產(chǎn)生了附加的應(yīng)力，反而是會(huì)加劇產(chǎn)生冷裂13。因此，并不是預(yù)熱溫度越高越是好，而應(yīng)該是合理選擇預(yù)熱的溫度。根據(jù)Pc可以確定防止冷裂紋的最低預(yù)熱溫度Q235鋼的Tp為-380。故不需要焊前預(yù)熱。5. 層狀撕裂撕裂與板厚有關(guān)，一般的板厚在16mm以下的就不會(huì)輕易產(chǎn)生層狀撕裂，從鋼材的本身來說，鋼中的片狀硫化物是與層狀硅酸鹽或這是大量成片地密集于同一個(gè)平面內(nèi)的氧化鋁夾雜物都能導(dǎo)致塑性的降低和層狀撕裂的產(chǎn)生14。目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的使用率已經(jīng)

23、大大提升。而我國氣體保護(hù)焊使用率也有顯著的增長，尤其是在造船及汽車工業(yè)。隨著各個(gè)大型企業(yè)的技術(shù)革新，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)在大型金屬結(jié)構(gòu)制造中已是被社會(huì)所認(rèn)可。使用這種焊接方法完成的焊接金屬結(jié)構(gòu)已是其他焊接方法的60，在生產(chǎn)工廠中處于中流砥柱的地位。二氧化碳焊半自動(dòng)焊用于短焊縫及曲線焊縫的焊接，采用短路過渡時(shí)，可以進(jìn)行全位置焊接，一般二氧化碳焊自動(dòng)焊使用于焊接長直焊縫和環(huán)縫，二氧化碳焊自動(dòng)焊主要用于水平位置的焊接，如想焊接立焊和橫焊需要有特殊裝備才能滿足焊接條件。既凡是能夠提供熱量的都有可能被開發(fā)用來作為焊接熱源；再加上，焊接方法與機(jī)械連接方法相比可以大大節(jié)省材料、實(shí)現(xiàn)接頭密封，而且生產(chǎn)周期短

24、、生產(chǎn)效率高其應(yīng)用范圍是幾乎不受限制的，低碳鋼不等厚板二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的時(shí)候工藝上應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題：1. 不同厚度的低碳鋼是鐵磁材料，當(dāng)焊縫輪廓大，延伸到焊接回路長度變大，焊接回路電感會(huì)相應(yīng)變大，使焊接電流減少，所以結(jié)果的熔核尺寸將減小，焊接時(shí)間必須注意這個(gè)問題，焊接要有一個(gè)合理的順序，找到電流和電極壓力，最大限度地減少對焊接回路電感造成的影響；2. 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊保焊時(shí)，由于是低碳鋼不等厚板的焊接，所以其剛度是不同的，如果焊接電壓、焊接電流等參數(shù)不當(dāng)，會(huì)容易發(fā)生變形，不易形成優(yōu)質(zhì)的的焊縫，因此要采用適當(dāng)?shù)膮?shù)來焊接，以便降低對最后成形外觀的影響。3. 因此焊接的范圍從小到微米級的分

25、子、原子，大到幾百個(gè)厚度的大厚板之間都是可以實(shí)現(xiàn)可靠性的連接，再加上，焊接方法與機(jī)械連接方法相比是可以大大節(jié)省材料、實(shí)現(xiàn)接頭密封，而且生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高其應(yīng)用范圍是幾乎不受限制。第三章 焊接機(jī)器人的應(yīng)用3.1焊接機(jī)器人的組成及分類焊接機(jī)器人的組成：完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成.機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人本體、控制柜、示教器;焊接系統(tǒng)，包括焊接電源、焊槍焊鉗、送絲機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)等;焊接輔助系統(tǒng)，包括焊接變位移動(dòng)裝置、焊接工裝夾具及擴(kuò)展設(shè)備等;焊接外部傳感系統(tǒng)，包括采集焊接環(huán)境信息的視覺傳感器、采集焊縫和焊接熔池信息的視覺傳感器以及反饋焊接電壓波動(dòng)的電弧傳感器等;焊接綜合處理與控制系

26、統(tǒng)，主要包括焊接工藝數(shù)據(jù)庫、焊接任務(wù)自主規(guī)劃、編程仿真系統(tǒng)、傳感器信息處理系統(tǒng)及機(jī)器人焊接運(yùn)行的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。焊接機(jī)器人的分類：焊接機(jī)器人的分類形式多樣，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求從技術(shù)層次、工藝方法、結(jié)構(gòu)形式、受控方式、驅(qū)動(dòng)方式等多個(gè)角度對焊接機(jī)器人進(jìn)行分類。從技術(shù)層次角度，焊接機(jī)器人可分為以下3代:第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人。這類機(jī)器人操作簡單，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。第二代是具有感知能力的機(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

27、工作。第三代是智能型機(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(dòng)、記憶、推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復(fù)雜的動(dòng)作，智能機(jī)器人還具備故障自我診斷及修復(fù)能力。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。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。3.2焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程我國開發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國和日本，起于20世紀(jì)70年代，早期是

28、大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世。而在國外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時(shí)的國內(nèi)外形勢，國家“七五”攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)列入了計(jì)劃，對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機(jī)器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。與此同時(shí)于1986年將發(fā)展機(jī)器人列入國家"863"高科技計(jì)劃。在國家"863"計(jì)劃實(shí)施五周年之際，鄧小平同志提出了"發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化"的目標(biāo)。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動(dòng)下，以及對機(jī)

29、器人技術(shù)研究的技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時(shí)對主攻方向進(jìn)行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家"八五"和"九五"中。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)。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。早在70年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動(dòng)工具研

30、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。一汽是我國最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的企業(yè)，1984年起先后從KUKA公司引進(jìn)了3臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，用于當(dāng)時(shí)“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機(jī)器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機(jī)器人車身總焊線 。80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動(dòng)化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項(xiàng)目中都引進(jìn)了焊接機(jī)器人?？梢哉f90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

31、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。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了工程機(jī)械行業(yè)的繁榮，工程機(jī)械行業(yè)也成為較早引用焊接機(jī)器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動(dòng)化焊接技術(shù)，焊接機(jī)器人逐漸嶄露頭角。鐵路機(jī)車行業(yè)由于我國貨運(yùn)、客運(yùn)、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機(jī)器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，全國共有各類焊接機(jī)器人1040臺(tái)，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%。在汽車行業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人的比例為3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主，主要分布

32、在工程機(jī)械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機(jī)器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從中還能看出，我國焊接機(jī)器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。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(tái)數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺(tái)的數(shù)量增長。估計(jì)我國目前焊接機(jī)器人的安裝臺(tái)數(shù)在4000臺(tái)左右。汽車行業(yè)焊接機(jī)器人所占的比例會(huì)進(jìn)一步提高。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、瑞典的ABB、意大

33、利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產(chǎn)機(jī)器人主要是沈陽新松機(jī)器人公司產(chǎn)品。目前在我國應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，國產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量不足100臺(tái)，特別是近兩年新安裝的機(jī)器人焊接系統(tǒng)中已經(jīng)看不到中國機(jī)器人的身影，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，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，有以下幾個(gè)主要原因：國內(nèi)機(jī)器人價(jià)格沒有優(yōu)勢。近10年來，進(jìn)口機(jī)器人的價(jià)格大幅度降低，從每臺(tái)78萬美元降低到23萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機(jī)器人在價(jià)格上很難與之競爭。特別是我國在研制機(jī)器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機(jī)、減速機(jī)等需要進(jìn)口，使價(jià)格難以降低，所以機(jī)器人生產(chǎn)成本降不下來；我國焊接裝備水平與

34、國外還存在很大差距，這一點(diǎn)也間接影響了國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展。對于機(jī)器人的最大用戶汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進(jìn)，國產(chǎn)機(jī)器人幾乎找不到表演的舞臺(tái)。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。國外工業(yè)機(jī)器人是個(gè)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)。國內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機(jī)器人是個(gè)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，需要政府對機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機(jī)器人的

35、發(fā)展。3.3焊接機(jī)器人的主要技術(shù)3.3.1焊接機(jī)器人的最新技術(shù)1.TCP（tool center point工具中心點(diǎn)）自動(dòng)校零技術(shù)焊接機(jī)器人的工具中心點(diǎn)就是焊槍的焊絲的端點(diǎn)，因此TCP的零位精度直接影響著焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。但在實(shí)際生產(chǎn)中不可避免會(huì)發(fā)生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預(yù)見性因素導(dǎo)致TCP位置偏離。通常的做法是利用手動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人TCP校零，但一般全過程需要30min才能完成，影響生產(chǎn)效率。TCP自動(dòng)校零是用在機(jī)器人焊接中的一項(xiàng)新技術(shù)，它的硬件設(shè)施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當(dāng)焊槍以不同姿態(tài)經(jīng)過TCP支座時(shí)，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到CPU與最初設(shè)定值進(jìn)行比較與計(jì)算。當(dāng)

36、TCP發(fā)生偏離時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)運(yùn)行校零程序，自動(dòng)對每根軸的角度進(jìn)行調(diào)整，并在最少的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)TCP零位。2.雙絲焊接技術(shù) 近年來由于我國汽車、集裝箱、機(jī)車車輛、工程機(jī)械等行業(yè)的高速發(fā)展，對高速焊和高熔敷效率焊接的需求越來越多。雙絲焊是近年來發(fā)展起來的一種高速高效焊接方法，焊接薄板時(shí)可以顯著提高焊接速度，達(dá)到36m/min，焊接厚板時(shí)可以提高熔敷效率。除了高速高效外，雙絲焊接還有其他的工藝特點(diǎn)：在熔敷效率增加時(shí)保持較低的熱輸入，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊接氣孔率低等。由于焊接速度非常高，特別適合采用機(jī)器人焊接，因此可以說機(jī)器人的應(yīng)用也推動(dòng)了這一先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展。目前雙絲焊主要有兩種方式：一種是

37、Twin arc法，另一種為Tandem法。焊接設(shè)備的基本組成類似，都是由兩個(gè)焊接電源、兩個(gè)送絲機(jī)和一個(gè)共用的送雙絲的電纜。為了防止同相位的兩個(gè)電弧的相互干擾，常采用脈沖MIG/脈沖MAG焊法，并保持兩個(gè)電弧輪流交替燃燒。這樣一來，就要求一個(gè)協(xié)同控制器保證兩個(gè)電源的輸出電流波形相位相差180°。當(dāng)焊接參數(shù)設(shè)置到最佳時(shí)，脈沖電弧能得到無短路、幾乎無飛濺的過渡過程，真正做到“1個(gè)脈沖過渡1個(gè)熔滴”，每個(gè)熔滴的大小幾乎完全相同，其大小是由電弧功率來決定。Twin arc法的主要生產(chǎn)廠家有德國的SKS、Benzel和Nimark公司，美國的Miller公司。Tandem法的主要廠家有德國的C

38、loos、奧地利Fronius和美國Lincoln公司。據(jù)德國Cloos公司介紹，采用Tandem法焊接23mm薄板時(shí)，焊接速度可達(dá)6m/min，焊接8mm以上厚板時(shí)，熔敷效率可達(dá)24kg/h。3. 激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)是激光焊接與氣體保護(hù)焊的聯(lián)合，兩種焊接熱源同時(shí)作用于一個(gè)焊接熔池。該技術(shù)的研究最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末，但由于激光器的昂貴價(jià)格，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。隨著激光器和電弧焊設(shè)備性能的提高，以及激光器價(jià)格的不斷降低，同時(shí)為了滿足生產(chǎn)的迫切需求，激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)近年來成為焊接領(lǐng)域最重要的研究課題之一。激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)有多種形式的組合，有激光/T

39、IG、激光/MAG和激光/MAG等。激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)之所以受到青睞是由于其兼各熱源之長而補(bǔ)各自之短，具有1+1>2或更多的“協(xié)同效應(yīng)”。與激光焊接相比，對裝配間隙的要求降低，因而降低了焊前工件制備成本；另外由于有填充焊絲消除了激光焊接時(shí)存在的固有缺陷，焊縫更加致密。與電弧焊相比提高了電弧的穩(wěn)定性和功率密度，提高了焊接速度和焊縫熔深，熱影響區(qū)變小，降低了工件的變形，消除了起弧時(shí)的熔化不良缺陷。在這點(diǎn)上特別適合鋁及其合金的焊接。激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)是對激光焊接的重大發(fā)展，焊接同樣板厚的材料可降低激光功率一半左右，因此大大降低了企業(yè)的投資成本，該技術(shù)的發(fā)展對推動(dòng)激光焊接的普及將起重要的

40、作用。4. 伺服焊鉗技術(shù)的汽車裝焊工藝中的應(yīng)用伺服機(jī)器人焊鉗，就是利用伺服電機(jī)替代壓縮空氣做為動(dòng)力源的一種新型焊鉗。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 提高車身的表面質(zhì)量 伺服焊鉗由于采用的是伺服電機(jī)，電極的動(dòng)作速度在接觸到工件前，可由高速準(zhǔn)確地調(diào)整到低速，這樣，就可以形成電極對工件的軟接觸，減輕電極沖擊所造成的壓痕，從而也減輕了后序車身表面修磨處理量，提高了車身質(zhì)量。而且，應(yīng)用伺服控制技術(shù)可以對焊接參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化控制管理，可以保證提供出最適焊接參數(shù)數(shù)據(jù)，保證焊接質(zhì)量。(2) 改善作業(yè)環(huán)境 由于電極對工件的是軟接觸，可以減輕沖擊噪聲，也不會(huì)出現(xiàn)使用氣動(dòng)焊鉗時(shí)所造成的排氣噪音。改善了現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境。(3)

41、高生產(chǎn)效率 伺服焊鉗的加壓開放動(dòng)作由機(jī)器人來自動(dòng)控制。與氣動(dòng)焊鉗相比，伺服焊鉗的動(dòng)作路徑可以控制到最短化，縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。(4) 目前，從投資的角度來考慮，購買伺服焊鉗設(shè)備的一次投入較高，因此，伺服焊鉗還不能被廣泛采用。但是，考慮到伺服焊鉗的優(yōu)勢，如伺服焊鉗的軟接觸化，對工件的沖擊可減輕，從而可以相對減少焊接夾具夾緊機(jī)構(gòu)的數(shù)量，削減夾具的費(fèi)用等，也可以減少生產(chǎn)線的整體投資額，伺服焊鉗仍有其廣闊的應(yīng)用空間。因此，隨著發(fā)展，伺服焊鉗會(huì)越來越多應(yīng)用于生產(chǎn)線上。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。特別是焊接機(jī)器人在高質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。隨

42、著我國加入WTO后國際競爭更加激烈，對工業(yè)機(jī)器人的需求會(huì)越來越大，我國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來自國外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國躋身于機(jī)器人強(qiáng)國之列而努力奮斗。3.3.2應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義焊接機(jī)器人之所以能夠占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上，與焊接這個(gè)特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時(shí)由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機(jī)器人有下列主要意義：穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定

43、作用。采用機(jī)器人焊接時(shí)，對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。改善了工人的勞動(dòng)條件。采用機(jī)器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點(diǎn)焊來說工人不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人沒有疲勞，一天可24h連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。（5）可縮短產(chǎn)品改型換代

44、的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資。可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)、焊接技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的融合，焊接機(jī)器人能否在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)越的特性，取決于人們對上述技術(shù)的融合程度。經(jīng)過近10年的努力，我國在機(jī)器人焊裝夾具設(shè)計(jì)方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器人周邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，具有年產(chǎn)300余套焊接機(jī)器人工作站的能力?？梢哉f國內(nèi)的系統(tǒng)集成商在機(jī)器人工作站及簡單的焊裝線的設(shè)計(jì)開發(fā)方面具有了與國外系統(tǒng)集成商抗衡的能力，近幾年為國內(nèi)汽車零部件等企業(yè)提供了大量的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。但是另外一個(gè)嚴(yán)重的事實(shí)是，我們還不具

45、備制造高水平的機(jī)器人成套焊裝線的能力。國內(nèi)幾大汽車廠的車身焊裝線都是由國外機(jī)器人系統(tǒng)集成商設(shè)計(jì)制造的。作為焊接機(jī)器人的最大用戶，預(yù)計(jì)未來的10年我國汽車年產(chǎn)量要達(dá)到千萬輛，現(xiàn)在的焊接裝備遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)需求，對焊接裝備的需求量將大幅增加，焊裝生產(chǎn)線要求更加自動(dòng)化和柔性化，以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)要求，機(jī)器人將大量應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線中。對我國的機(jī)器人系統(tǒng)集成商來說如何抓住機(jī)遇是當(dāng)前要解決的重要課題，從另一方面講也決定著國產(chǎn)焊接機(jī)器人的命運(yùn)。(1)實(shí)行企業(yè)聯(lián)合。機(jī)器人系統(tǒng)集成商與汽車制造商聯(lián)合，消化吸收國外汽車焊裝線。(2)建立自己的焊接裝備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)模，提高設(shè)計(jì)水平和效率。(3)加強(qiáng)人才培養(yǎng)建

46、設(shè)。機(jī)器人焊接生產(chǎn)線是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械、電氣、物流傳輸、計(jì)算機(jī)、汽車設(shè)計(jì)制造、機(jī)器人技術(shù)、焊接技術(shù)等多種學(xué)科，而我國目前還沒有關(guān)于這方面較為系統(tǒng)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。(4)加強(qiáng)與國外公司的合作，通過合作學(xué)習(xí)提高自己的設(shè)計(jì)水平。第4章 焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的應(yīng)用4.1焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的應(yīng)用在化工、輕工、核能等設(shè)備中，管與管板的焊接接頭不僅數(shù)量多，操作難度大，而且焊接質(zhì)量要求高。作為柔性焊接設(shè)備的焊接機(jī)器人正逐浙成為焊接過程自動(dòng)化的一個(gè)重要部分，是提高關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量的重要手段。管板焊接機(jī)器人的應(yīng)用，不僅提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率，而且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，作業(yè)環(huán)境也得以

47、改善。歸納起來采用管-板焊接機(jī)器人有下列主要意義：（1）提高焊接質(zhì)量。焊接參數(shù)如焊接電壓、電流、焊接速度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用管-板焊接機(jī)器人焊接時(shí)對于每個(gè)管孔的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小, 因此降低了對工人操作技術(shù)的要求，使焊接質(zhì)量提高。而人工焊接時(shí)，由于焊接速度、干伸長等因素都是變化的，因此很難做到焊接質(zhì)量的均一性。（2）改善了工人的勞動(dòng)條件。采用管-板機(jī)器人焊接工件時(shí)，工人只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、飛濺等。對于焊接工人來說他們不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從強(qiáng)度非常大的體力勞動(dòng)中解脫出來。（3）提高企業(yè)生產(chǎn)率。管-板焊接機(jī)器人沒有疲勞，一天可以24小時(shí)連

48、續(xù)生產(chǎn)，而且隨著高速又高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用管-板焊接機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。（4）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期, 減小相應(yīng)的設(shè)備投資。可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。（5）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。管-板焊接機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。4.2焊接機(jī)器人在支架管板連接件焊接的發(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)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：4.2.1機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

49、設(shè)計(jì)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。例如，以德國KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的

50、拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。（1）機(jī)器人控制系統(tǒng)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性?？刂葡到y(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之

51、外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)，在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。（2）機(jī)器人傳感技術(shù)：機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問

52、題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。（3）網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。（4）機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù)在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接或其它作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)

53、用的最著名實(shí)例。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。（5）虛擬機(jī)器人技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。（6）機(jī)器人性能價(jià)格比：機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在

54、已達(dá)到5萬小時(shí)，可以滿足任何場合的需求。（7）多智能體調(diào)控技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將

55、會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。4.2.2焊接機(jī)器人的技術(shù)展望為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，國際機(jī)器人界都在加大科研力度，對機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，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）視覺控制技術(shù)焊接機(jī)器人視覺控制技術(shù)是通過對焊接區(qū)圖像進(jìn)行采集，產(chǎn)生視頻信號送至圖像處理機(jī)，對圖像進(jìn)行快速處理并提取跟蹤特征參量，進(jìn)行數(shù)據(jù)識別和計(jì)算，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置給定值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)器人的位姿。視覺控制的關(guān)鍵在于視覺測量，在焊接過程中視覺技術(shù)分為直接視覺傳感和間接視覺傳感

56、二種形式。直接視覺傳感技術(shù)是一種常用的非接觸式傳感形式，其主要優(yōu)點(diǎn)是不接觸工件，不干擾正常的焊接過程，獲取的信息量大，通用性強(qiáng)。早先，研究人員直接利用電弧光照射熔池前方的工件間隙獲取焊接區(qū)焊縫信息，根據(jù)熔池前方不同遠(yuǎn)近處電弧光強(qiáng)度的閃爍來實(shí)現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤；典型的例子是利用帶有CCD攝像機(jī)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對焊接熔池行為進(jìn)行觀察和控制；現(xiàn)在，基于激光三角形的視覺系統(tǒng)具有高度的靈活性，價(jià)格低，精度高，獲取信息能力強(qiáng)，且不受周圍噪聲和電弧產(chǎn)生的高溫影響，其獲得的信息可以用于多種自適應(yīng)功能。弧焊中使用激光視覺系統(tǒng)可以抗電弧輻射、火焰、熱金屬飛濺、振動(dòng)、沖擊和高溫，這種傳感器正在成為智能自適應(yīng)

57、焊接機(jī)器人焊接優(yōu)先選用的視覺系統(tǒng) 。（2）模糊控制技術(shù)由于焊接機(jī)器人系統(tǒng)具有非線性和時(shí)變特點(diǎn)，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，用傳統(tǒng)的控制方法難以實(shí)現(xiàn)最佳控制，而模糊控制具有自適應(yīng)和魯棒性等特點(diǎn)，它為機(jī)器人焊接控制提供了一個(gè)理想的控制方法。模糊控制是智能控制的較早形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具，巧妙地綜合了人們的直覺經(jīng)驗(yàn)，從而在其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場合能夠?qū)崿F(xiàn)較滿意的控制。將模糊控制理論和實(shí)際焊接過程相結(jié)合，發(fā)展成為專用焊接控制器，進(jìn)一步發(fā)展成為了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有較完善的控制規(guī)則，但模糊控制綜合定量知識的能力較差，當(dāng)對象動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機(jī)干擾的影響都會(huì)影響模糊控制的效果。因此，在模糊控制理論方面，人們對常規(guī)模糊控制進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一些高性能模糊控制器，有效解決精度較低、自適應(yīng)能力有限及設(shè)備產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象等問題 。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究