汽車領(lǐng)域焊接機(jī)器人與“中國制造2025”

1、現(xiàn)代制造技術(shù)調(diào)研報告 汽車領(lǐng)域焊接機(jī)器人實際應(yīng)用與“中國制造2025”小組成員：xxxxx 指導(dǎo)老師：xxxIII摘 要本篇論文圍繞“中國制造2025”講解了工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是工業(yè)機(jī)器人在汽車焊接領(lǐng)域的應(yīng)用。第一章主要是簡單描述了國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。第二章具體的講解了焊接機(jī)器人在汽車生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用；通過在焊接點的軌跡規(guī)劃、車身焊接、焊點分配、以及焊接系統(tǒng)的應(yīng)用講述了工業(yè)機(jī)器人在汽車焊接領(lǐng)域的重要性。最后總結(jié)了工業(yè)機(jī)器人在未來汽車行業(yè)中的作用，以及對“中國制造2025“的深遠(yuǎn)影響。關(guān)鍵字： “中國制造2025”、焊接機(jī)器人、自動焊接系統(tǒng)Abstract

2、This thesis focuses on the application of industrial robot in the field of automobile manufacturing, especially the application of industrial robot in the field of automobile welding, which is based on the "made in China 2025". The first chapter mainly describes the application of industri

3、al robots in the automotive field. In the second chapter, the practical application of welding robot in the process of automobile production is described. The importance of industrial robot in the field of automobile welding is described through the application of the path planning, body welding, we

4、lding joint distribution and welding system. The role of industrial robots in the future automobile industry as well as the profound influence of "made in China" in the future are summarized in the end.【Keywords】： "Made in China 2025" plan welding robot Automatic weld system 目錄汽車

5、領(lǐng)域焊接機(jī)器人實際應(yīng)用與“中國制造2025”I摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1中國制造2025與汽車領(lǐng)域機(jī)器人聯(lián)系11.2 汽車領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀21.2.1 國外工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用21.2.2 國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用21.3本章小結(jié)3第二章 焊接機(jī)器人在汽車生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用42.1.1 引言42.1.2焊接機(jī)器人發(fā)展及類型42.2 機(jī)器人在車身焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用92.2.1 工件焊接92.2.2 工件夾持92.2.3工件搬運(yùn)92.2.4焊點檢測102.3汽車焊接機(jī)器人的車身工藝規(guī)劃102.4通過人的參與使機(jī)器人對焊點分配規(guī)劃112.4.1 旅行商

6、問題112.4.2 焊接領(lǐng)域?qū)τ诼眯猩谭椒ǖ倪\(yùn)用112.5機(jī)器人焊接系統(tǒng)的常見應(yīng)用方式14第三章 總結(jié)173.1 焊接機(jī)器人的作用173.2 焊接機(jī)器人在汽車工業(yè)的應(yīng)用趨勢17參考文獻(xiàn)18第1章 緒論1.1中國制造2025與汽車領(lǐng)域機(jī)器人聯(lián)系中國制造2025是2015年3月5日，十二屆全國人大三次會議在人民大會堂舉行開幕會，國務(wù)院總理李克強(qiáng)作政府工作報告上提出來的。李克強(qiáng)說，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)邁向中高端。制造業(yè)是我們的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。要實施“中國制造2025”，堅持創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，加快從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國。如圖1-1所示。圖1-1 中國制造2025 “中國制造2025”提出了我國

7、制造強(qiáng)國建設(shè)三個十年的“三步走”戰(zhàn)略，是第一個十年的行動綱領(lǐng)?！爸袊圃?025”應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，立足我國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式實際需要，圍繞創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展、人才為本等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及先進(jìn)制造、高端裝備等重點領(lǐng)域，提出了加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提升增效的重大戰(zhàn)略任務(wù)和重大政策舉措，力爭到2025年從制造大國邁入制造強(qiáng)國行列。在“中國制造2025”的響應(yīng)下下，汽車屬于在民營工業(yè)里是最重要的，因為它涉及材料、能源、機(jī)械、電子、信息等等，市場巨大，拉動力極強(qiáng)，所以國家戰(zhàn)略不應(yīng)該以能力定方向，而應(yīng)以需求為衡量標(biāo)準(zhǔn)。制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級必須包括汽車產(chǎn)業(yè)，并應(yīng)把汽車作為龍頭來抓。21

8、世紀(jì)：在規(guī)劃中，關(guān)于汽車部分，核心思想是，要利用“中國制造2025”這個契機(jī)，把汽車納入到國家的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中，以期將自主品牌做強(qiáng)。 “中國制造2025”的核心是，把中國的制造業(yè)做強(qiáng)。而中國制造業(yè)做強(qiáng)應(yīng)該有一個載體和抓手，所以汽車專家組認(rèn)為，汽車既是最好，又是最難的切入點。事實上，德國工業(yè)4.0也是以汽車業(yè)為切入點的。它由德國工程院牽頭，以弗勞恩霍夫協(xié)會作為顧問，寶馬、西門子、博世等汽車相關(guān)企業(yè)都參與其中。德國選擇以汽車為載體推行工業(yè)4.0的原因主要有兩個：第一，工業(yè)4.0的核心就是實現(xiàn)智能制造。智能制造越是在產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜、消費(fèi)者個性化需求高的產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)，其價值和效果也就越大。而汽車正是這樣的產(chǎn)業(yè)。第

9、二，汽車的關(guān)聯(lián)性、帶動性強(qiáng)，德國認(rèn)為如果汽車業(yè)實現(xiàn)了工業(yè)4.0，對整個制造業(yè)的轉(zhuǎn)型都將有絕對的引領(lǐng)和示范作用。未來中國制造業(yè)要想有大突破，如果汽車不能做強(qiáng)，那么會非常困難。像裝備制造業(yè)產(chǎn)出的機(jī)床，材料和工藝方面的進(jìn)步，電子信息技術(shù)的發(fā)展，都可以在汽車上找到“用武之地”，而且這些相關(guān)產(chǎn)業(yè)也必須做強(qiáng)才能最終造出好車。所以，從國家戰(zhàn)略高度出發(fā)，我們認(rèn)為必須把汽車列入“中國制造2025”里，即使現(xiàn)在汽車還比較弱，但作為龍頭，也作為載體，未來一定要做強(qiáng)。最終這些意見也得到了認(rèn)可。1.2 汽車領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀汽車生產(chǎn)的四大工藝以及汽車關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)都需要有工業(yè)機(jī)器人的參與。在汽車車身生產(chǎn)中，

10、有大量裝配、焊接、搬運(yùn)、包裝，檢測等應(yīng)用，這一些目前均由工業(yè)機(jī)器人參與完成，特別是焊接線，一條焊接線就有大量的工業(yè)機(jī)器人，自動化的程度相當(dāng)?shù)母摺Ｔ谄噧?nèi)飾件生產(chǎn)中，則需要表皮弱化機(jī)器人，發(fā)泡機(jī)器人，最后的產(chǎn)品切割機(jī)器人。由于汽車車身的噴涂由于工作量大，危險性強(qiáng)，通常都會采用工業(yè)機(jī)器人代替。所以，完成一輛汽車的制造，需要的機(jī)器人相當(dāng)多，工業(yè)機(jī)器人已成為汽車生產(chǎn)中關(guān)鍵智能化設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人在汽車產(chǎn)業(yè)中的重要地位。1.2.1 國外工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)、噴漆、檢測、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、

11、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代化智能裝備，即將成為制造業(yè)無法替代的高科技、高效率裝備。十幾年來，全球工業(yè)機(jī)器人需求快速擴(kuò)張。目前，國外上工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用范圍越來越廣闊，現(xiàn)已從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，從而推廣到諸如采礦、建筑、農(nóng)業(yè)、災(zāi)難救援等各種非制造業(yè)。但汽車工業(yè)仍是工業(yè)機(jī)器人的主要領(lǐng)域。據(jù)了解，美國60%的工業(yè)機(jī)器人用于汽車生產(chǎn)；全世界用于汽車工業(yè)的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到總用量的37%，用于汽車零部件的工業(yè)機(jī)器人約占24%。1.2.2 國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年我國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)主要受汽車行業(yè)發(fā)展帶動，未來將主要由“汽車+電子”雙輪驅(qū)動。2000年以來，隨著我國汽車

12、行業(yè)新線不斷投產(chǎn)，電子行業(yè)固定資產(chǎn)投資增速持續(xù)處于高位，工業(yè)機(jī)器人在我國應(yīng)用數(shù)量得以迅速提升。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。如在毛坯制造（沖壓、壓鑄、）、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。據(jù)預(yù)計，我國到2025年，有5-15的制造業(yè)工人將被工業(yè)機(jī)器人取代，全球裝機(jī)量年均增速為25-30，高于過去20多年的增長水平，但低于2011年和2012年的增速。數(shù)據(jù)顯示，我國工業(yè)機(jī)器人需求快速增長：1999-2008年，安裝量每年都以超過20的速度增長，2010年，我國保有量為52290臺，2011年為743

13、17臺，實現(xiàn)了42的年增長。目前，實際保有量應(yīng)已超過十萬臺。2008-2012年，我國工業(yè)機(jī)器人平均每年安裝量約15000臺，即使在全球經(jīng)濟(jì)蕭條的2009年，銷量也在逆勢增長。2010年安裝量為14978臺、2011年為22027臺、2012年為24800臺。工業(yè)機(jī)器人在汽車裝配車間工作情況如圖1-2所示。圖1-2 工業(yè)機(jī)器人在汽車裝配車間工作情況1.3本章小結(jié)本章主要介紹了“中國制造2025”與汽車行業(yè)的聯(lián)系，并且圍繞“中國制造2025”這個主題，介紹了國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。18第二章 焊接機(jī)器人在汽車生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用2.1.1 引言依據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，自200

14、0年以來，中國汽車產(chǎn)銷量年均增長率超過20%，遠(yuǎn)高于全球平均增長率；而且年生產(chǎn)量占全球汽車生產(chǎn)量的比重持續(xù)上升，2009年我國汽車產(chǎn)銷量超過美國，成為全球汽車工業(yè)產(chǎn)銷量第一的國家；根據(jù)預(yù)測，我國汽車消費(fèi)市場仍會以較快的速度增長。汽車市場的增長對汽車生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求，催生工業(yè)機(jī)器人在汽車制造業(yè)中得到深入廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。汽車工業(yè)生產(chǎn)中采用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，不僅可以節(jié)約人力，降低成本，提高設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，更重要的是它可以保障工人安全，改善工作條件，減輕勞動強(qiáng)度，減少人員風(fēng)險，提高工作效率。在中國的汽車零部件生產(chǎn)中

15、，多年來一直是由手工焊，專機(jī)焊占據(jù)焊接生產(chǎn)的主導(dǎo)地位，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，焊接質(zhì)量不高，而且生產(chǎn)的柔性也很差，無法適應(yīng)現(xiàn)代的生產(chǎn)需要。隨著電子技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人用于生產(chǎn)的技術(shù)已日趨成熟，主要有以下優(yōu)點：穩(wěn)定、提高焊接質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率；改善工人勞動強(qiáng)度和條件；縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。在汽車零部件生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人的大量使用，提高了零部件的自動化水平及生產(chǎn)效率，同時使生產(chǎn)更具有柔性，焊接質(zhì)量得到保證，且機(jī)器人焊槍適合于多種高質(zhì)量的生產(chǎn)方式。工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中的沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大生產(chǎn)工藝過程中都有廣泛應(yīng)用，具體在汽車車身焊裝生產(chǎn)線中

16、的應(yīng)用主要有：點焊、弧焊、搬運(yùn)、裝配、檢測等。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為具有柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的主要自動化工具。在發(fā)達(dá)國家，工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線成套裝備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。2.1.2焊接機(jī)器人發(fā)展及類型(1)焊接機(jī)器人的發(fā)展近十多年來微電子學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)和人工智能控制的迅猛發(fā)展，為先進(jìn)制造技術(shù)水平的提高帶來了前所未有的機(jī)遇。焊接機(jī)器人是機(jī)電一體化的高科技成果，它對制造技術(shù)水平的提高起到了推動作用。自1962年美國推出世界上第一臺Unimate型和Versatra型工業(yè)機(jī)器人以來，1996年底全世界已有大約68萬臺工業(yè)機(jī)器人投入生產(chǎn)應(yīng)用，這其中大約有半數(shù)是焊

17、接機(jī)器人。隨著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和對焊接產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的需求 不斷提高，以焊接機(jī)器人為核心的焊接自動化技術(shù)已有長足的發(fā)展。焊接機(jī)器人是焊接自動化的革命性進(jìn)步，它突破了焊接剛性自動化的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動化生產(chǎn)方式，并且實現(xiàn)了在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上同時自動生產(chǎn)若干種焊件。從20世紀(jì)60年代誕生和發(fā)展到現(xiàn)在，焊接機(jī)器人可大致分為三代。第一代是指基于示教再現(xiàn)工作方式的焊接機(jī)器人，由于其具有操作簡便、不需要環(huán)境模型、示教時可修正機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的誤差等特點，在焊接生產(chǎn)中得到大量使用。第二代是指基于一定傳感器信息的離線編程焊接機(jī)器人，得益于焊接傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，這類機(jī)器人現(xiàn)已進(jìn)入應(yīng)用研究的階

18、段。第三代是指裝有多種傳感器，接受作用指令后能根據(jù)環(huán)境自行編程的高度適應(yīng)性智能焊接機(jī)器人，由于人工智能技術(shù)的發(fā)展相對滯后，這一代機(jī)器人正處于試驗研究階段。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使焊接機(jī)器人由單一的示教再現(xiàn)型向智能化的方向發(fā)展，成為科研人員追求的目標(biāo)。焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點有： 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均勻性； 提高勞動生產(chǎn)率； 改造工人勞動條件； 降低對工人操作技術(shù)的要求； 縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資； 可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化； 能在空間站建設(shè)、核能設(shè)備維修、深水焊接等極限條件下完成人工難以進(jìn)行的焊接作業(yè)； 為焊接柔性生產(chǎn)線提高技術(shù)基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外已有大量的

19、焊接機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于各類自動化生產(chǎn)線上，據(jù)1996年底的不完全統(tǒng)計，目前中國已有500臺左右的焊接機(jī)器人分布于各大中城市的汽車、摩托車、工程機(jī)械等制造業(yè)，其中55左右為弧焊機(jī)器人，45左右為點焊機(jī)器人。這焊接機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代的任務(wù)示教再現(xiàn)型，功能較為單一，工作前要求操作者通過示教盒控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，采用逐點示教的方式來實現(xiàn)焊槍空間位姿的定位和記錄。由于焊接路徑和焊接參數(shù)是根據(jù)實際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)定的，在焊接時缺少外部信息傳感和實時調(diào)整控制的功能，這類焊接機(jī)器人對作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，焊接時缺乏“柔性”，表現(xiàn)出不具備適應(yīng)焊接對象和任務(wù)變化的能力；對復(fù)雜形狀的焊接編程效

20、率低，占用大量生產(chǎn)時間；不能對焊接動態(tài)過程實時檢測控制，無法滿足對復(fù)雜焊件的高質(zhì)量和高精度焊件要求等明顯缺點。在實際焊接過程中，作業(yè)條件是經(jīng)常變化的，如加工和裝配上的誤差會造成焊縫位置和尺寸的變化，焊接過程中工件受熱及散熱條件改變會造成焊道變形和熔透不均。為了克服機(jī)器人焊接過程中各種不確定因素對焊接質(zhì)量的影響，提高機(jī)器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性，要求焊接機(jī)器人的在線調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實時控制，為了達(dá)到上述目標(biāo)，科研人員圍繞機(jī)器人焊接智能化展開了廣泛的研究工作。(2)焊接機(jī)器人的分類按用途分類1) 弧焊機(jī)器人 由于弧焊工藝早已在諸多行業(yè)中得到普及，弧焊機(jī)器人在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中得

21、到廣泛運(yùn)用?；『笝C(jī)器人是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，而不只是一臺以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動的單機(jī)，因而對其性能有著特殊的要求。在弧焊作業(yè)中，焊槍應(yīng)跟蹤工件的焊道運(yùn)動，并不斷填充金屬形成焊縫。因此運(yùn)動過程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項重要指標(biāo)。一般情況下，焊接速度約取550mm/s，軌跡精度約為±0.20.5mm，由于焊槍的姿態(tài)對焊縫質(zhì)量也有一定影響，因此，希望在跟蹤焊道的同時，焊槍姿態(tài)的可調(diào)范圍盡量大。2) 點焊機(jī)器人 汽車工業(yè)是點焊機(jī)器人系統(tǒng)一個典型的應(yīng)用領(lǐng)域，在裝配每臺汽車車體時，大約60的焊點是由機(jī)器人完成。最初，點焊機(jī)器人只用于增強(qiáng)焊作業(yè)（往已拼接好的工件上

22、增加焊點），后來為了保證拼接精度，又讓機(jī)器人完成定位焊接作業(yè)。按結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系來分1) 直角坐標(biāo)型 這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制方案與機(jī)床類似，其到達(dá)空間位置的三個運(yùn)動（x、y、z）是由直線運(yùn)動構(gòu)成（見圖1），這種形式的機(jī)器人優(yōu)點是運(yùn)動學(xué)模型簡單，各軸線位移分辨率在操作容積內(nèi)任一點上均為恒定，控制精度容易提高；缺點是機(jī)構(gòu)龐大，工作空間小，操作靈活性較差。簡易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。2) 圓柱坐標(biāo)型 這類機(jī)器人在基座水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱作上下運(yùn)動并可在水平方向伸縮（見圖2）。這種結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點是末端操作可獲得較高速度，缺點是末端操作器外伸離開立柱軸心愈遠(yuǎn)，其線位移分辨精度愈低。3)

23、球坐標(biāo)型 與圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)相比較，這種結(jié)構(gòu)形式更為靈活。但采用同一分辨率的碼盤檢測角位移時，伸縮關(guān)節(jié)的線位移分辨率恒定，但轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)反映在末端操作器上的線位移分辨率則是個變量，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性（見圖3）。4) 全關(guān)節(jié)型 全關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)（見圖4），其優(yōu)點是機(jī)構(gòu)緊湊，靈活性好，占地面積小，工作空間大，可獲得較高的末端操作器線速度；其缺點是運(yùn)動學(xué)模型復(fù)雜，高精度控制難度大，空間線位移分辨率取決于機(jī)器人手臂的位姿。按受控運(yùn)動方式來分1) 點位控制（PTP）型 機(jī)器人受控運(yùn)動方式為自一個定位目標(biāo)移向另一個點位目標(biāo)，只在目標(biāo)點上完成操作。要求機(jī)器人

24、在目標(biāo)點上有足夠的定位精度，相鄰目標(biāo)點間的運(yùn)動方式之一是各關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)以最快的速度趨近終點，各關(guān)節(jié)視其轉(zhuǎn)角大小不同而到達(dá)終點有先有后；另一種運(yùn)動方式是各關(guān)節(jié)同時趨近終點，由于各關(guān)節(jié)運(yùn)動時間相同，所以，角位移大的運(yùn)動速度較高。點位控制型機(jī)器人主要用于點焊作業(yè)。2) 連續(xù)軌跡控制（CP）型 機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時作受控運(yùn)動，使機(jī)器人終端按預(yù)期的軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要實時獲取驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號。連續(xù)控制主要用于弧焊機(jī)器人。按驅(qū)動方式來分1) 氣壓驅(qū)動 使用壓力通常在0.40.6MPa，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于保養(yǎng)；主

25、要缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積小，定位精度不高。氣壓驅(qū)動機(jī)器人適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。2) 液壓傳動 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平衡，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速；其主要缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性與定位精度，而且污染環(huán)境，液壓系統(tǒng)需配備壓力源及復(fù)雜的管路系統(tǒng)，因而，成本也較高。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力較大、運(yùn)動速度較低的場合。3) 電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，以獲得機(jī)器人要求的運(yùn)動。由于具有易于控制、運(yùn)動精度高、使用方便、成本低廉、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電

26、氣驅(qū)動是最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。電氣驅(qū)動又可細(xì)分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、無刷直流電機(jī)驅(qū)動和交流伺服電機(jī)驅(qū)動等多種方式。后者有著最大的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比，由于沒有電刷，其可靠性極高，幾乎不需任何維護(hù)。20世紀(jì)90年代后生產(chǎn)的機(jī)器人大多采用這種驅(qū)動方式。（3）焊接機(jī)器人的系統(tǒng)組成機(jī)器人要完成焊接作業(yè)，必須依賴于控制系統(tǒng)與輔助設(shè)備的支持和配合。完整的焊接要機(jī)器人系統(tǒng)一般由機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計算機(jī)和相應(yīng)的完全設(shè)備等幾部分組成（見圖5）機(jī)器人操作機(jī)是焊接機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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)和實現(xiàn)其運(yùn)動。變位機(jī)作為機(jī)器人接生產(chǎn)線及

27、接柔性加工單元的重要組成部分，其作用是將被焊工件旋轉(zhuǎn)到最佳的焊接位置，通過夾具來裝卡和定位，對焊件的不同要求決定了變位機(jī)的負(fù)載能力及其運(yùn)動方式?？刂破魇钦麄€機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)處理焊接機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。典型的焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。 2.2 機(jī)器人在車身焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用2.2.1 工件焊接工件焊接是目前最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。由于汽車制造業(yè)對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等指標(biāo)提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時的火花及煙霧等，對人體造成危害，因此，焊接過程的完全自動化已成為重要的研究課題，其中，最為重要的就是要應(yīng)用焊接機(jī)器人?，F(xiàn)

28、在工業(yè)生產(chǎn)中，各種焊接工藝和過程都可以使用工業(yè)機(jī)器人來執(zhí)行，以取代使用工人在實際惡劣的焊接環(huán)境下工作。機(jī)器人在點焊和弧焊過程中的應(yīng)用最為廣泛，在其他一些工藝焊接過程中的應(yīng)用還處在起步或摸索的階段。2.2.2 工件夾持在汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域，機(jī)器人除了在焊接工藝過程中有主要應(yīng)用之外，還在工件加持定位中有著廣泛的應(yīng)用。在實現(xiàn)汽車車身焊接生產(chǎn)的焊裝車間中，要實現(xiàn)車身工件高質(zhì)量的焊接，就要求必須對焊接過程進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，一方面要求焊接機(jī)器人對焊鉗的姿態(tài)和運(yùn)動軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確控制，另一方面要求各種夾具對待焊接工件進(jìn)行夾持定位。夾具種類很多，大部分的專用夾具只能用來實現(xiàn)非移動工件的定位，但不能實現(xiàn)移動工件的定位，

29、這需要采用夾持機(jī)器人（一種將工業(yè)機(jī)器人同小型夾具結(jié)合起來的，具有實現(xiàn)工件的定位和運(yùn)動功能的機(jī)器人）才能實現(xiàn)。2.2.3工件搬運(yùn)在汽車車身焊裝生產(chǎn)車間，焊接前物料的搬運(yùn)與轉(zhuǎn)移是一項很繁瑣的任務(wù)，這大部分都由專用叉車來完成，但專用叉車做的工作主要是將大量工件從儲存車間搬運(yùn)到焊裝生產(chǎn)線的兩側(cè)，將工件從生產(chǎn)線的兩側(cè)搬運(yùn)到生產(chǎn)線上的焊接夾具上以及工件在順序工位夾具上的傳遞工作都需要由動作靈活的工業(yè)機(jī)器人來完成，這不僅提高了生產(chǎn)效率，又減輕了工人的勞動強(qiáng)度。在自動化程度較低的車身焊裝生產(chǎn)車間里，這項工作都要通過人工來完成。2.2.4焊點檢測為了保證車身的整體焊接質(zhì)量，在車身焊接的過程中或整個焊接工作完成之

30、后，需要對車身上的一些重要部位的焊縫進(jìn)行檢查，又稱焊縫檢測。焊縫位置和形狀的復(fù)雜性給檢測工具的適應(yīng)性提出了要求。在自動化程度很高的焊裝生產(chǎn)線上，可以使用動作靈活的機(jī)器人代替工人攜帶專用的檢測裝置進(jìn)行焊縫檢測，一般的機(jī)械裝置就很難像機(jī)器人那樣執(zhí)行這一任務(wù)。如圖2-1為北汽車身焊接現(xiàn)場。圖2-1 北汽車身焊接現(xiàn)場2.3汽車焊接機(jī)器人的車身工藝規(guī)劃機(jī)器人自動化焊接工位是組成車身焊裝自動線的最基本、重要的單元。準(zhǔn)確地選擇機(jī)器人、焊鉗型號等設(shè)備，設(shè)計和驗證工位和整線的工藝規(guī)劃方案，是焊裝自動線工藝規(guī)劃的目的。在汽車車身制造中，焊接是應(yīng)用最多的連接方式，其中電阻焊占焊接工作量的70%以上，主要形式為點焊。

31、據(jù)統(tǒng)計，一輛載貨車身約2000多個焊點，一輛轎車車身約40005000個焊點。用機(jī)器人實現(xiàn)車身自動線工藝規(guī)劃特點有：（1）高質(zhì)量的工藝設(shè)計及優(yōu)化。焊裝自動線的工藝設(shè)計及優(yōu)化是保證焊裝節(jié)拍和白車身焊接整體質(zhì)量的重要途徑，包括設(shè)備選型、焊點分配、焊接方式（如點焊、中頻焊接或激光焊接等）及生產(chǎn)節(jié)拍平衡等。（2）高自動化率。提高自動線的自動化率可以在降低人工勞動強(qiáng)度的情況下，保證車身的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍，國外已經(jīng)實現(xiàn)白車身焊接工作量的90%以上由機(jī)器人完成。（3）數(shù)字化驗證技術(shù)。該技術(shù)是保證焊裝自動線設(shè)計質(zhì)量和工藝規(guī)劃可行性的必要手段，可大大降低設(shè)計成本。為了保證設(shè)計質(zhì)量，要求超過95%的實際制造過程

32、被模擬和仿真，從而縮短調(diào)試與試運(yùn)行時間。在上述3大部分中可以看出在整個車身自動線工藝規(guī)劃上，工業(yè)機(jī)器人起著重要的作用。首先就是要完成機(jī)器人對焊槍、修磨器等設(shè)備的選型，并最終確定各設(shè)備的布局安裝；其次是仿真驗證所有工位中每個機(jī)器人的制造過程，提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。2.4通過人的參與使機(jī)器人對焊點分配規(guī)劃2.4.1 旅行商問題旅行商問題的一般描述為：旅行商從駐地出發(fā)，經(jīng)過所有目的地一次后返回原地，應(yīng)如何安排其旅行線路，才能使旅行距離（或時間、費(fèi)用等）最少。旅行商問題存在多種類型的求解算法，其中包括窮舉搜索法、動態(tài)規(guī)劃法、遺傳算法和啟發(fā)式方法等。但是它們都有它們各自的優(yōu)缺點：窮舉搜索法的優(yōu)點是找

33、到的優(yōu)化路徑一定是全局最優(yōu)的解，其致命缺點為驚人的計算開銷。動態(tài)規(guī)劃法（Dynamic Programming Method）的主要特點是將一個問題分為若干互相聯(lián)系的階段，每個階段進(jìn)行決策優(yōu)化。對于求解對象較多的情形，動態(tài)規(guī)劃法的計算量十分巨大，往往難以付諸實踐。遺傳算法（Genetic Algorithms）是借鑒自然選擇和自然進(jìn)化的原理，模擬生物進(jìn)化過程所形成的一種優(yōu)化求解方法，是具有“生存并檢測”的迭代搜索算法。遺傳算法具有很強(qiáng)的搜索能力，能以很大概率找到問題的全局最優(yōu)解。但是群體規(guī)模過小則會影響解的精確程度。啟發(fā)式方法（Heuristics Method）是通過對經(jīng)驗的歸納推理以及試驗

34、分析來解決問題的辦法，是建立在經(jīng)驗和判斷的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)了人的主觀能動作用和創(chuàng)造力。2.4.2 焊接領(lǐng)域?qū)τ诼眯猩谭椒ǖ倪\(yùn)用焊接領(lǐng)域的旅行商算法是指一臺機(jī)器人的工作原點位姿（即焊鉗原點位姿）從作業(yè)原點出發(fā)，焊接所有焊點組，回到作業(yè)原點，求路程或時間最短。這是目前該領(lǐng)域路徑規(guī)劃最常用的方法。結(jié)合車身焊接的特點，分析機(jī)器人焊接路徑優(yōu)化問題的特點如下：（1）車身的焊點數(shù)量多，但經(jīng)過焊點分組之后群體規(guī)模大大減少。（2）從規(guī)劃的需要出發(fā)，結(jié)合工程實際（如避免焊接機(jī)器人之間以及機(jī)器人與夾具、工件、支撐裝置等固定設(shè)備的碰撞等問題）的修正因素，追求過高的精度沒有意義（通常會被修正）。（3）要求通過數(shù)學(xué)方法對問題

35、進(jìn)行較為合理的解答。如圖2-2所示，如本工位中所具有焊點分布圖，在圖中可以看出，焊點被分為上下兩大部分，在下車身中所有的焊點又被分為3組，應(yīng)用了第一條特點，將焊點進(jìn)行分組。應(yīng)用旅行商算法，在規(guī)劃機(jī)器人路徑時將焊點盡可能均分布給同一側(cè)的兩個機(jī)器人，在劃分焊點時并不是均分而是需要考慮以下3個方面：1）由于本工位是由多臺機(jī)器人一起共同完成焊接任務(wù)，同時有3臺機(jī)器人負(fù)責(zé)抓放抓手，所以首先保證盡可能的所有機(jī)器人在同一時間完成焊接任務(wù)，并保證本工位所需要的焊接時間最短。2）結(jié)合不同機(jī)器人不同任務(wù)，將不需要抓放抓手的機(jī)器人多負(fù)責(zé)一部分焊點，保證作業(yè)時間均衡。3）考慮機(jī)器人位姿，并不是每一組的焊點需要同一個機(jī)

36、器人完成焊接，如圖2-3所示，在本組焊點中，同一個機(jī)器人完成上下兩側(cè)焊點對于機(jī)器人的姿態(tài)會產(chǎn)生很大的變化，所以將本組焊點分為兩組，以45°線為基準(zhǔn)分為上下兩部分，分別有2臺機(jī)器人完成焊接任務(wù)。a）b）a）車身側(cè)圍焊點分布 b）車身頂蓋焊點分布圖2-2 多工位焊點分布圖至此完成了本工位機(jī)器人焊點分配，對于整條生產(chǎn)線，每個工位的分組，則由具體的工藝部門進(jìn)行完成。圖2-3 同一組焊點分配2.5機(jī)器人焊接系統(tǒng)的常見應(yīng)用方式 按照焊接機(jī)器人系統(tǒng)在汽車底盤零部件焊接的夾具布局的不同特點，及外部軸等外圍設(shè)施的不同配置，焊接機(jī)器人系統(tǒng)可分為以下幾種形式。圖2-4 滑軌+焊接機(jī)器人的工作站示意圖

37、60;    圖2-4所示兩套夾具固定在滑動小車上，由氣缸驅(qū)動使裝有工件的兩個夾具輪流進(jìn)入機(jī)器人焊接區(qū)焊接，操作人員在另一面上、下料。兩個工作站交叉進(jìn)行，使機(jī)器人焊接時間與工件上、下料時間同步，這種方式可以節(jié)約變位器旋轉(zhuǎn)時間。雙夾具滑軌形式的焊接機(jī)器人系統(tǒng)利用兩副滑軌輪流為焊接機(jī)器人送料，可靠性較高，但對被焊工件的外形尺寸有一定限制，通常焊接工件直徑小于0.6m。在桑塔納后橋焊接生產(chǎn)線、POLO下?lián)u臂焊接生產(chǎn)線上均有應(yīng)用實例。圖2-5 單（雙）夾具固定式+焊接機(jī)器人工作站示意圖 圖2-5所示該結(jié)構(gòu)形式簡單，夾具由變位機(jī)進(jìn)行變位，來實現(xiàn)機(jī)器人焊槍不同位置的焊接。系統(tǒng)

38、故障率低，但由于在裝卸工件過程中機(jī)器人處于等待狀態(tài)，因而機(jī)器人的利用效率一般低于80%，所以在新的焊接線上較少利用。該系統(tǒng)在帕薩特后橋焊接生產(chǎn)線及桑塔納前懸掛焊接和生產(chǎn)線有成功應(yīng)用。圖2-6 帶變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺+焊接機(jī)器人工作站示意圖     圖2-6所示該形式由兩副夾具帶變位器和一個轉(zhuǎn)臺組成，結(jié)構(gòu)緊湊。兩副夾具可以進(jìn)行不同的焊接程序以實現(xiàn)不同的工藝要求。機(jī)器人在其中一副夾具上焊接工件時，操作工可以在另一副夾具上裝卸工件，機(jī)器人的利用率較高，一般大于90%，是目前最廣泛使用的一種形式。該系統(tǒng)在別克副車架焊接線、賽歐后橋焊接線、帕薩特副車架焊接線均有廣泛應(yīng)用。圖2-7 搬運(yùn)機(jī)器人+焊接機(jī)器人工作站示意圖圖2-7所示兩部機(jī)器人之間的配合所體現(xiàn)的主要優(yōu)點是能適應(yīng)各種不規(guī)則焊縫的焊接。但缺點是由于兩部機(jī)器人配合的不協(xié)調(diào)所導(dǎo)致的故障率較高。圖2-8 協(xié)調(diào)運(yùn)