自動(dòng)焊接機器人項目的建議書(shū)

　　摘要：焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術(shù)語(yǔ)標準焊接機器人的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動(dòng)控制操作機（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應不同的用途，機器人最后一個(gè)軸的機械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱(chēng)末端執行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)化 可行性 伺服系統

　　1 研究目的及應用

　　1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個(gè)詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表，特征和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機器人設想。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專(zhuān)利。該專(zhuān)利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節，利用人手對機器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機器人能實(shí)現動(dòng)作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人�，F有的機器人差不多都采用這種控制方式。1959年第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開(kāi)創(chuàng )了機器人發(fā)展的新紀元。

　　工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長(cháng)時(shí)間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上。其中在汽車(chē)工業(yè)等部門(mén)中，焊接機器人可以完成對人體有害物料的焊接或工藝操作。

　　接下來(lái)我們將從焊接機器人的用途，特點(diǎn)，社會(huì )意義和經(jīng)濟利益以及研發(fā)過(guò)程中的技術(shù)要求等方面來(lái)對焊接機器人進(jìn)行可行性研究。

　　2 國內外相關(guān)技術(shù)水平

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接已從簡(jiǎn)單的構件連接或毛坯制造，發(fā)展成為制造業(yè)中的精加工方法之一。隨著(zhù)制造業(yè)的高速發(fā)展，傳統的手工焊接已不能滿(mǎn)足現代高科技產(chǎn)品制造的質(zhì)量和數量要求；同時(shí)，在對環(huán)境和人身安全的考慮上，均讓我們認識到現代焊接加工正在向著(zhù)機械化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。

　　焊接自動(dòng)化主要是指焊接生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。其主要任務(wù)就是：在采用先進(jìn)的焊接、檢驗和裝配工藝過(guò)程的基礎上，建立不需要人直接參與焊接過(guò)程的焊接加工方法和工藝方案，以及焊接機械裝備和焊接系統的結構和配置。其核心說(shuō)實(shí)現沒(méi)有人直接參與的自動(dòng)焊接過(guò)程。焊接自動(dòng)化主要包括兩方面：一是焊接工序的自動(dòng)化，二是焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化。在焊接自動(dòng)化方面主要的技術(shù)包括：機械技術(shù)、傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和系統技術(shù)。焊接自動(dòng)化不僅可以大大提高焊接生產(chǎn)率，更重要的可以確保焊接質(zhì)量，減少人為因素的影響，改善操作環(huán)境及對人的傷害。自動(dòng)化焊接專(zhuān)機、機器人工作、生產(chǎn)線(xiàn)盒柔性制造系統在工程中的應用已成為一種不可阻擋的趨勢。據此，國內外發(fā)展有如下概況：

　�。�1）高精度、高速度、高質(zhì)量、高可靠性。由于焊接加工越來(lái)越向著(zhù)“精細化”加工方向發(fā)展，因此，焊接自動(dòng)化系統也向著(zhù)高精度、高速度、高質(zhì)量、高可靠性方向發(fā)展。這要求系統的控制器及軟件系統有很高的信息處理速度，電氣機械裝置有很好的控制精度。如，機器人和焊接操作機行走機構的定位精度可達0.1mm，移位速度的控制精度可達0.1%。

　�。�2）集成化。焊接自動(dòng)化系統的集成化技術(shù)包括硬件系統的結構集成、功能集成和控制技術(shù)集成�，F代焊接自動(dòng)化系統的結構都采用模塊化的設計，根據不同用戶(hù)對系統功能的要求，進(jìn)行模塊的組合。而且其控制功能也采用模塊化設計，根據用戶(hù)需要，可以提供不同的控制軟件模塊，提供不同的控制功能。

　�。�3）智能化。將現今的傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和智能控制技術(shù)應用于焊接自動(dòng)化系統中，使其能夠在各種復雜環(huán)境、變化的焊接工況下實(shí)現高質(zhì)量、高效率的自動(dòng)焊接。智能化的焊接自動(dòng)化系統，不僅可以根據指令完成自動(dòng)焊接過(guò)程，而且可以根據連續實(shí)測焊接工件坡口寬度，確定每層焊縫的焊道數及相關(guān)參數、覆蓋層位置等，而且從坡口底部到蓋面層的所有焊道均由焊機自動(dòng)提升、變道、完成焊接。

　�。�4）柔性化。大型自動(dòng)化焊接裝備或生產(chǎn)線(xiàn)的一次投資相對較高，在設計這種焊接裝備時(shí)必須考慮柔性化，形成柔性制造系統，以充分發(fā)揮裝備的效能，滿(mǎn)足同類(lèi)產(chǎn)品不同規格工件的生產(chǎn)需要。

　�。�5）網(wǎng)絡(luò )化。 由于現代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)那里焊接自動(dòng)化系統管控

　　一體化技術(shù)的發(fā)展。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，利用計算機技術(shù)、遠程通信技術(shù)等，將生產(chǎn)管理和焊接過(guò)程自動(dòng)控制一體化，實(shí)現脫機編程，遠程監控、診斷和檢修。

　　在自動(dòng)化方面， 各種焊接專(zhuān)機的應用也具有重要意義。焊接專(zhuān)機說(shuō)在世界焊接工程結構中，大多數焊縫具有一定規則的角焊縫和對接焊縫，其中直線(xiàn)焊縫占70%，圓環(huán)形焊縫占17.5，復雜的空間去西安焊縫相對較少，因此可以采用價(jià)格較低、結構不太復雜而又有一定控制水平的機械裝備實(shí)現焊接的機械化和自動(dòng)化。當下，焊接專(zhuān)機以低成本自動(dòng)化技術(shù)與設備更適合發(fā)展中國家使用。

　　3 研究目標

　　自動(dòng)焊接設備的焊接執行部件，擬采用旋轉副驅動(dòng)方式。因旋轉副摩擦力小于移動(dòng)副摩擦力，運動(dòng)靈活，可以靈活改變焊槍的姿態(tài)，更適用于全方位自動(dòng)焊接。驅動(dòng)同樣的焊接執行部件，電動(dòng)機功率可以減小，進(jìn)而減輕焊接機頭的質(zhì)量。焊槍位置傳感器盡量安裝在末級減速軸上，直接檢測焊槍的位置和姿態(tài)。這樣的安裝方式，不存在國內外全自動(dòng)焊接設備通過(guò)間接方式檢測焊槍位置的問(wèn)題，控制精度更高。全自動(dòng)焊機設備上的存儲器，存儲焊點(diǎn)跟蹤控制程序和部分焊接參數，更多的焊接參數存儲在焊接電源內，以利于發(fā)揮焊接電源生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)優(yōu)勢。

　　對焊槍的驅動(dòng)擬采用步進(jìn)電機。步進(jìn)電機是一種能將數字輸入脈沖信號轉換為旋轉運動(dòng)的電磁執行元件，它本身所特有的高精度、無(wú)漂移、無(wú)累計誤差等優(yōu)點(diǎn)，使他成為目前機電一體化產(chǎn)品中，唯一能使用開(kāi)環(huán)控制技術(shù)的伺服和執行的元件。目前，高精度步進(jìn)電機驅動(dòng)技術(shù)已十分成熟，且具有控制系統結構簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機不是電壓控制型元件，而是頻率型控制元件。步進(jìn)電機轉動(dòng)的快慢、角度決定于數字脈沖信號的頻率。即使放大器的“零漂移”使控制信號的幅度改變，也不會(huì )改變步進(jìn)電機的轉速。而采用計算機產(chǎn)生的控制信號是很穩定的。因此，擬采用步進(jìn)電機，以使焊槍的位移更準確。

　　4 總體構思

　　4.1 焊接機械手的組成

　　所謂焊接機器人，一般指6軸機器人本體，夾持重量為6kg，也就有6個(gè)自由度：X，Y，Z用于定位，偏轉角用于定向，能夠沿著(zhù)三維曲線(xiàn)運動(dòng)，到達任意角度的任意位置；另外，還包括一套控制系統和焊接系統（焊接電源、焊槍、

　　焊接軟件系統等）。為完成一項點(diǎn)焊機器人工程，除需要點(diǎn)焊機器人以外，還需要使用的后邊設備。點(diǎn)焊機器人與周邊設備組成的系統，稱(chēng)點(diǎn)焊機器人集成系統。

　　焊槍位置控制：采用焊槍位置信號、送死控制模板、弧壓控制模板、機械電弧擺動(dòng)模板等實(shí)現焊槍位置的控制。在管道全方位自動(dòng)焊接時(shí)，生產(chǎn)工人需要跟隨焊接機頭對焊槍位置作適當的調整。

　　焊接電源：控制焊接工藝參數的旋鈕、按鍵都集中在控制盒或焊接機頭上，通過(guò)旋鈕、按鍵操作改變焊接工藝參數，因此，弧焊電源是一個(gè)專(zhuān)用的焊接電源。

　　對成熟焊接工藝的繼承和再現：焊接執行部件是焊接機頭，其在焊接過(guò)程中應作多種復合遠動(dòng)，是焊槍保持一定的姿態(tài)。但受焊接機頭運動(dòng)自由度的限制，不易實(shí)現多種的復合遠動(dòng)。因此，焊接工藝參數的制定需要工藝試驗，一般采用分段法，需要生產(chǎn)工人跟隨焊接機頭對焊槍位置作適當的調整，對成熟焊接工藝的繼承和再現性差。

　　4.2總體方案的確定

　　機械手系統總體方案的內容包括：系統運動(dòng)方式的確定，伺服系統的選擇，執行機構的結構及傳動(dòng)方式的確定，計算機系統的選擇等內容。應根椐設計任務(wù)和要求提出系統的總體方案，對方案進(jìn)行總體分析和論證，最后確定總體方案。

　　系統運動(dòng)方式的確定：焊接機械手按運動(dòng)方式選用5軸聯(lián)動(dòng)式。

　　伺服系統的選擇：旋轉、擺動(dòng)機構采用開(kāi)環(huán)控制系統，選用快速步進(jìn)電機。開(kāi)環(huán)控制系統無(wú)檢測元件，系統結構簡(jiǎn)單，造價(jià)低，調整和維修都容易。

　　執行機構傳動(dòng)方式的確定：為保證系統的傳動(dòng)精度和工作平穩性，運動(dòng)機構為擺動(dòng)機構及其減速機構和旋轉機構

　　5 詳細設計方案

　　5.1 步進(jìn)電機

　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點(diǎn)講：當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。

　　5.2 步進(jìn)電機的基本工作原理

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