畢業(yè)論文：專用焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、.1緒論1.1焊接機(jī)器人的發(fā)展自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UMMATE于1959年在美國誕生以來，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：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)用受到很大的限制。第二代是具有感知能力的機(jī)器人。這類機(jī)器人對(duì)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)境的情況下完成工作。第三代是智能機(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、推斷和決策的能力，能適應(yīng)外部對(duì)象、環(huán)境協(xié)調(diào)工作，能完成更加復(fù)雜的動(dòng)作，還具備

2、故障自我診斷及修復(fù)能力。焊接機(jī)器人就是焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，幫助人們解決了很多問題。焊接機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其一致性。采用機(jī)器人焊接時(shí)，對(duì)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，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長等會(huì)受人為因素的影響而發(fā)生變化，因此很難做到質(zhì)量的一致性；（2）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，人工焊接已經(jīng)無法適應(yīng)，必須使用機(jī)器人焊接；（3）改善了工人的勞動(dòng)條件。采用機(jī)器人焊接工人只是參與管理和控制焊接過程，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛

3、濺等；（4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品質(zhì)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）焊接機(jī)器人的制造技術(shù)不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），單機(jī)價(jià)格不斷下降。隨著工業(yè)跌的發(fā)展和各種技術(shù)的不斷革新以及對(duì)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，焊接機(jī)器人在各種行業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。目前，世界各國都在加大科研力度，對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行研究，從發(fā)展趨勢(shì)上看，焊接機(jī)器人和其他工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。國內(nèi)外對(duì)焊接機(jī)器人的研究主要體現(xiàn)在機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)、焊縫跟蹤和傳感技術(shù)、多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)、機(jī)器人專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技

4、術(shù)與焊接機(jī)器人工藝方法等方面。1.2 焊接機(jī)器人的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。截止2005年，全世界在役工業(yè)機(jī)器人約在91.4萬臺(tái)，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了50萬臺(tái)以上，成為“機(jī)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(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增強(qiáng)，僅2005年就達(dá)12.1萬臺(tái)。我國自上世紀(jì)70年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究

5、，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)得發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長勢(shì)頭，平均年增長率都超過40%焊接機(jī)器人的增長率超過了60%；2004年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400臺(tái)，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過9000臺(tái)，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了5000臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量6%，遠(yuǎn)小于韓國所占的15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的69%。這對(duì)于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)

6、器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前，焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提高；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力1。1.3 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 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(shì)看，焊接機(jī)器人和其他工業(yè)機(jī)器人一樣，在不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面2。1.3.1 機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)通過有限元分析、模態(tài)分析和仿真設(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)化設(shè)計(jì)。搜索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提

7、高負(fù)載/自重比。例如，以德國FGFI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減速器和交流伺服電機(jī)，是機(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(cè)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，兩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(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化

8、奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司、日本FANUC公司等已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。1.3.2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)得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，控制柜日漸小巧，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)式控制器已經(jīng)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外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)

9、，在某些領(lǐng)域的離線編程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。1.3.3 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(duì)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)境建模和決策控制，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、非平穩(wěn)和非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。1.

10、3.4 網(wǎng)絡(luò)通信功能日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)器人控制器實(shí)現(xiàn)了Canbus、Profibus、總線極為一些網(wǎng)絡(luò)的鏈接，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。1.3.5 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)行焊接或其他作業(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，即遙控加局部自助系統(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)用的最著名實(shí)例。多

11、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)延的晴空下，建立預(yù)先現(xiàn)實(shí)進(jìn)行遙控等。1.3.6 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?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。1.3.7 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)的可靠性有了很大的提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時(shí)，

12、可以滿足任何場合的需求。1.3.8 多智能體調(diào)控技術(shù) 這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系機(jī)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。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)、宇宙檢測(cè)、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)化的機(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(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能、對(duì)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?？梢灶A(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)

13、領(lǐng)域，成為人類的助手和伙伴。1.4 相貫線自動(dòng)焊接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)相對(duì)于國外焊接自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，我國在該焊接領(lǐng)域的研究起步較晚。到目前為止，我國的焊接自動(dòng)化率同發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比差距甚遠(yuǎn)。從二十世紀(jì)末開始，國家開始逐漸在各行業(yè)推廣自動(dòng)焊的基礎(chǔ)焊接方式氣體保護(hù)焊，以取代傳統(tǒng)的手工電弧焊。并以實(shí)現(xiàn)焊接過程的機(jī)械化、自動(dòng)化為戰(zhàn)略目標(biāo)，積極推動(dòng)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化和過程智能化，研發(fā)焊接生產(chǎn)線及柔性制造技術(shù)，將數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)等技術(shù)引入焊接生產(chǎn)，促進(jìn)可焊接自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，取得了一定的成果。在管件相交零件的焊接中，尤其是對(duì)環(huán)縫、馬鞍線焊縫的自動(dòng)化技術(shù)，在我國的科研生產(chǎn)中，已經(jīng)有了廣泛的研究和

14、應(yīng)用3。以下是兩種臥式焊槍自動(dòng)焊接機(jī)： 圖1-1 臥式雙焊槍環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī) Fig.1-1 Horizontal dual-torch automatic welding machine 圖1-2 臥式單焊槍環(huán)縫自動(dòng)焊Fig.1-2 Horizontal automatic welding machine除了臥式的焊接機(jī)，常用的結(jié)構(gòu)形式還有立式焊接機(jī)： 圖1-3 工件旋轉(zhuǎn)焊接機(jī)Fig.1-3 Welding machine with work piece rotating 圖1-4 馬鞍線焊接機(jī) Fig.1-4 Welding machine with saddle-shaped seam以上

15、是生產(chǎn)中常用的幾種管件相交焊縫的自動(dòng)化焊接機(jī)，采取工件立式（臥式）定位，氣動(dòng)壓緊，焊槍繞工件（工件繞焊槍）旋轉(zhuǎn)方式，由底座、立柱、壓緊氣缸座、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊槍手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、焊槍夾持機(jī)構(gòu)及電氣控制部分等組成。焊槍（工件）回轉(zhuǎn)速度無級(jí)可調(diào)，一遍不同直徑、材質(zhì)和厚度的工件可獲得最佳的焊接速度，適用于支管及管道筒體相交的相貫線（馬鞍線）接口或偏心的異性工件環(huán)縫的焊接。雖然目前對(duì)單個(gè)相貫線或多個(gè)相貫線但無障礙施焊的自動(dòng)化焊接技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用廣泛，但從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料看，尚沒有查到關(guān)于多相貫線連續(xù)焊接的避障式自動(dòng)焊接設(shè)備的信息。近期生產(chǎn)的自動(dòng)化焊接設(shè)備的設(shè)備精度和制造質(zhì)量已接近現(xiàn)代金屬切削機(jī)床。最值得注意的是，

16、大多數(shù)焊接設(shè)備采用了最先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等廣泛采用焊接機(jī)器人作為操作單元，組成焊接中心、焊接生產(chǎn)線、柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)。早在80年代，國外的焊接設(shè)備已向大型化和精密化發(fā)展。目前國外生產(chǎn)的重型焊接滾輪架最大的承載能力達(dá)1600T，自動(dòng)防竄滾輪架的最大承載能力達(dá)800T,采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為0. 5mm。變位機(jī)的最大的承載能力達(dá)400T，轉(zhuǎn)矩可達(dá)450000N·M?？蚣苁胶附臃D(zhuǎn)機(jī)和頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)的最大承載能力達(dá)160T。焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大承載能力達(dá)500T。立柱橫梁操作機(jī)和門架式操作機(jī)的最大行程達(dá)12m。龍門架操作機(jī)的最大規(guī)格

17、為8m ×8m?？v觀當(dāng)今世界自動(dòng)化焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，可以概括為如下幾個(gè)特點(diǎn)4:（1）采用高效的焊接方法中、大型焊件大多數(shù)為厚壁構(gòu)件，焊接工作量大，連續(xù)焊接周期長，因此必須采用高效焊接法，如高效埋弧焊、高效熔化極氣體保護(hù)焊、窄間隙焊、激光焊、電子束焊和等離子弧焊等。（2）適應(yīng)全數(shù)字控制基于大、中型焊件接縫裝配絕對(duì)誤差較大，接頭幾何形狀多變，且中、厚板接頭多道焊接過程中不可避免產(chǎn)生熱變形等特點(diǎn)，焊接機(jī)頭必須具有自適應(yīng)焊縫跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控，焊接操作機(jī)或焊接機(jī)器人、焊件變位機(jī)械、焊接電源和送絲機(jī)均應(yīng)采用全數(shù)字控制技術(shù)，才能完成上述任務(wù)。（3）智能化和焊接工藝

18、參數(shù)的優(yōu)化為實(shí)現(xiàn)厚壁接頭連續(xù)不間斷穩(wěn)定地焊接并確保接頭的焊接質(zhì)量，焊接機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)應(yīng)通過計(jì)算機(jī)軟件、實(shí)時(shí)檢測(cè)、自動(dòng)編程和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行智能化控制。例如湍典ESAB公司重型容器焊接中心的ABW系統(tǒng)，可以根據(jù)連續(xù)實(shí)測(cè)的坡口寬度，確定每層焊縫的焊道數(shù)、每道焊縫的熔敷量及相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)、焊道之間的搭隆量、蓋面層位置等，可實(shí)現(xiàn)厚壁接頭從坡口底部到蓋面層的所有焊道均由焊機(jī)自動(dòng)提升、變道完成。這種控制系統(tǒng)必須配用數(shù)字控制的焊接電源，以使每道焊縫的焊接工藝參數(shù)始終處于優(yōu)化狀態(tài)，能夠優(yōu)質(zhì)、高速、經(jīng)濟(jì)地完成整個(gè)接頭。（4）管控一體化當(dāng)前信息技術(shù)的快速發(fā)展己將傳統(tǒng)制造業(yè)推向電子制造(e-Manufacturing)

19、的時(shí)代。各工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)必將逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的集成一體化。因此在設(shè)計(jì)制造大型自動(dòng)化焊接設(shè)備時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮采用直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DNC)，以便在焊接設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)與主數(shù)計(jì)算機(jī)之間建立數(shù)據(jù)通訊聯(lián)絡(luò)，完成數(shù)控程序的管理、數(shù)控程序的分配、生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集、加工過程的監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷功能。(5)柔性化大型自動(dòng)化焊接設(shè)備或生產(chǎn)線的一次投資相對(duì)較高，在設(shè)計(jì)這種焊接設(shè)備時(shí)必須考慮柔性化，形成柔性制造系統(tǒng)，以充分發(fā)揮設(shè)備的效能，滿足同類產(chǎn)品不同規(guī)格工件的生產(chǎn)需要。自動(dòng)控制和信息技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用正在徹底改變傳統(tǒng)制造業(yè)的面貌，其中焊接生產(chǎn)過程的全自動(dòng)化已成為一種迫切的需求，它不僅可大大提高焊接生產(chǎn)

20、率，更重要的是可確保焊接質(zhì)量，改善操作環(huán)境。隨著整個(gè)制造業(yè)水平的提高，企業(yè)的經(jīng)營理念發(fā)生了很大變化，高產(chǎn)量己讓位于高質(zhì)量，勞動(dòng)密集型己逐步被知識(shí)密集型所取代。大量采用自動(dòng)化焊接專機(jī)、機(jī)器人工作站、生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)已成為一種不可阻擋的趨勢(shì)。1.5 空間相貫線自動(dòng)焊接的關(guān)鍵技術(shù)兩立體相交，在其表面產(chǎn)生的交線，稱為相貫線。根據(jù)兩相交立體形狀的不同，空間相貫線的形狀變化很大，其形狀取決于多個(gè)因素?？臻g相貫曲線焊接過程中焊縫形狀多樣，相貫工件形狀的不同和大小的不同都會(huì)使焊縫軌跡改變。即使簡單的量圓柱管相交，也分為正交、斜交和偏心交等多種情況，每一種情況下對(duì)應(yīng)的焊縫都有變化，設(shè)計(jì)一種通用型的自動(dòng)焊接設(shè)

21、備具有重要意義和廣闊的市場前景。因而對(duì)空間相貫線進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字描述是進(jìn)行精確加工的第一步，也是極其重要的一步。在焊縫曲線表達(dá)式的獲取方法上，現(xiàn)在大多是根據(jù)相貫工件的幾何形狀和相關(guān)方式利用解析幾何的方法來求。對(duì)于形狀簡單、相貫方式規(guī)則的工件其相貫曲線焊縫是可以直接得到的。但是在實(shí)際加工過程中固定工件時(shí)往往存在位置誤差，理論上的坐標(biāo)原點(diǎn)和實(shí)際中的可能存在偏差。這樣在焊接過程中勢(shì)必會(huì)影響加工精度。而且對(duì)于工件偏心交方式形成的焊縫無法直接用解析幾何的方法得到。所以自動(dòng)焊接加工中的焊槍運(yùn)動(dòng)控制主要是根據(jù)焊縫的參數(shù)表達(dá)式應(yīng)用插補(bǔ)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。1.6 研究課題的提出在焊接生產(chǎn)中，錨鏈的焊接是一種常見的焊接形式

22、。對(duì)于大型船用錨鏈相貫線的焊接，很多工廠仍用手工焊來完成，制造周期長，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定；對(duì)于大型錨鏈在焊接的過程中，需要對(duì)焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，在高溫下人工操作環(huán)境非常惡劣。使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，有些機(jī)器人不是根據(jù)錨鏈焊縫而量身定做的專用焊接機(jī)器人使用起來需要克服很多困難，在使用過程中容易出現(xiàn)故障和損壞。還有一些機(jī)器人在焊接過程中，需要配合變位機(jī)使用，對(duì)于直徑大的錨鏈焊接，這些相貫線焊接機(jī)器人無法對(duì)焊槍姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最終導(dǎo)致焊縫的成形不夠完美，存在焊接缺陷等不足。從以上分析中，很多的錨鏈相貫線焊接機(jī)很難在焊接生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，主要原因是：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有針對(duì)性。作為

23、專用相貫線焊接的專機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)該結(jié)合使用的實(shí)際情況，考慮到使用過程中的困難因素，除了要求結(jié)構(gòu)輕便，還要體現(xiàn)出機(jī)器人開放式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。機(jī)器人可以滿足各種焊接環(huán)境條件下，絕大多數(shù)錨鏈的焊接。保證機(jī)器人在焊接過程中高質(zhì)、高效地完成焊接任務(wù)。 圖1-5 有檔普通錨鏈Fig.1-5 Common link 從機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)以及錨鏈焊接的特點(diǎn)來看，錨鏈專用焊接機(jī)設(shè)計(jì)需要具備以下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、易于搬運(yùn)。對(duì)于大型錨鏈焊件，這樣的結(jié)構(gòu)能提高工作的效率。不用花大量的時(shí)間搬運(yùn)和裝卡焊接機(jī)器人。（2）結(jié)構(gòu)模塊化。焊接機(jī)器人需要根據(jù)不同的焊接情況進(jìn)行改動(dòng)，使機(jī)器人滿足各種焊接工件的要求。不需要因?yàn)楸缓讣?/p>

24、太大或太小而將整個(gè)機(jī)器人更換。而只需要將其中的某個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行改裝就可以適應(yīng)焊接要求。（3）簡便的過程控制。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的可預(yù)見性增加，可以避免許多意外的情況發(fā)生。1.7 本文研究的主要內(nèi)容綜上所述，傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人在處理常規(guī)的焊接任務(wù)過程中有一定的優(yōu)越性，但在專用錨鏈焊接的過程中，由于環(huán)境、工件、操作，會(huì)給焊接過程帶來許多的困難，使焊接效率降低，焊接質(zhì)量無法得到保證，甚至無法完成焊接任務(wù)。為了解決上述存在的問題本課題在研發(fā)自動(dòng)焊接機(jī)的過程中，取長補(bǔ)短，借鑒傳統(tǒng)焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)其不足之處，擬自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)一臺(tái)專用的焊接機(jī)器人專機(jī)，專門針對(duì)錨鏈相貫線焊縫進(jìn)行焊接。本文從相貫線的特征出發(fā)，分析錨

25、鏈相貫線以及焊接過程中焊槍姿態(tài)變化，確定機(jī)器人的自由度，以及焊接機(jī)器人所采用的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，為了使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得簡單，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)，使焊接機(jī)器人的關(guān)機(jī)運(yùn)動(dòng)在控制上進(jìn)行解耦。每個(gè)關(guān)節(jié)控制的自由度對(duì)應(yīng)相貫線的一個(gè)特征變化，機(jī)器人的自由度運(yùn)動(dòng)直觀明了。整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也能用簡單的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，各部分機(jī)構(gòu)模塊化，控制的過程簡單化。在本課題中，主要對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了研究：(1)相貫線自動(dòng)焊接機(jī)機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。(2)相貫線自動(dòng)焊接機(jī)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)。(3)相貫線自動(dòng)焊接接各軸執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)。(4)相貫線自動(dòng)焊接機(jī)各軸模型的設(shè)計(jì)。(5)利用solidworks軟件對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。(6)利用Matlab軟件

26、對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。2錨鏈中檔焊縫曲線分析根據(jù)焊接的工藝特點(diǎn)，焊接對(duì)速度的穩(wěn)定性要求比較高，焊槍姿態(tài)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響比較大，焊槍相對(duì)焊縫的速度應(yīng)恒定;但焊接速度相對(duì)其它機(jī)械加工方式較低，一般情況下只有5mm/s 50mm/s,因此焊接接機(jī)床工作臺(tái)的速度相對(duì)一般數(shù)控機(jī)床而言并沒有較高要求;精度要求也低于數(shù)控銑床、車床等。因此在設(shè)計(jì)自動(dòng)焊接機(jī)床時(shí)，應(yīng)該綜合考慮上述因素，選擇合適的伺服控制方式，根據(jù)焊接的速度和精度要求來確定機(jī)床的脈沖當(dāng)量，等等。搭建自動(dòng)焊接機(jī)床及其伺服控制系統(tǒng)平臺(tái)的基本要求包括:能夠?qū)崿F(xiàn)空間曲線接縫的自動(dòng)焊接;機(jī)床能夠滿足正常焊接的速度、精度和穩(wěn)定性要求;伺服機(jī)構(gòu)盡可能結(jié)構(gòu)簡

27、單、體積小而且維修方便;盡量減小焊接機(jī)床的成本。由于這類相貫線接縫較為復(fù)雜，并且根據(jù)焊接工藝，在自動(dòng)焊接過程中，焊槍的軸線應(yīng)與形成相貫線的兩實(shí)體表面之間保持一定的夾角，因此，焊槍除了要求具備平動(dòng)的功能之外，還需要對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行控制，這樣才能使焊槍瞄端在允許的誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤相貫線接縫，并通過控制焊槍姿態(tài)來保證接縫的焊接質(zhì)量。焊槍姿態(tài)是影響焊縫成形和焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素，特別是在全位置焊接條件下，對(duì)仰焊和立焊等特別位置的焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍姿態(tài)的影響尤為明顯。根據(jù)焊接工藝的實(shí)踐，焊縫處于平焊或船形焊或小角度的下坡焊位置最有利于保證優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量，焊縫偏離平焊位置越多，對(duì)于保證焊接質(zhì)量越困難，在

28、仰焊位置最難得到優(yōu)質(zhì)焊縫。而焊槍相對(duì)焊縫的姿態(tài)，同樣影響到焊接質(zhì)量。如手工電弧焊對(duì)接平焊時(shí)焊槍應(yīng)位于焊接件的垂直平面內(nèi)，沿焊縫方向運(yùn)動(dòng)并與焊縫保持65°-75°的傾角;T形接頭平焊時(shí)焊槍最好處手兩接板的平分面上，與焊縫的夾角保持在65°-80°，等等。因此，焊接位置和焊槍姿態(tài)的選擇是保證獲得良好的焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。2.1 空間相貫焊縫曲線2.1.1 空間相貫焊縫的形狀兩個(gè)待焊接的立體工件相交產(chǎn)生的曲線類型是空間相貫曲線，相貫線是指兩立體相交時(shí)在其表面產(chǎn)生的交線。相貫線具有三個(gè)特征：一是表面性，指的是相貫線位于兩立體表面；二是封閉性，指的是相貫線通常是封閉的

29、空間曲線，特殊情況下為平面曲線或直線；三是共有性，指的是相貫線是兩立體表平面的共有線。相貫線的形狀取決于三個(gè)因素：兩相貫體的形狀、相對(duì)大小和相對(duì)位置。根據(jù)兩立體相交情況（相對(duì)位置）的的不同，相貫線可分為正交、斜交、偏心交等，形狀也各不相同。從圖2.1中可以直觀的看到相貫線形式變化多樣5。 （a）正交 （b）斜交 （c）偏置 （d）斜交偏置圖2-1 兩管道相交時(shí)相貫線情況Fig.2-1 Welding seam of two pipe為了不失一般性，兩管道插接考慮斜交偏置時(shí)這種一般的情況。如圖2-2所示，主管（直徑較大的管）半徑為R，支管（直徑較小的管）半徑為r，兩關(guān)的相貫角為，偏心距為。主、支

30、管分別采用和建立坐標(biāo)系。和分別為兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，同向，在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（0, ，0，）。相貫線在兩個(gè)圓柱上的投影為圓，相貫線可以看成是點(diǎn)在兩個(gè)圓面上運(yùn)動(dòng)的合成。 圖2-2 管道插接的一般情況Fig.2-2 Pipe plug in general2.1.2 相貫線方程由于相貫線在主、支管兩個(gè)圓柱方向上的投影為圓，因此相貫線在兩個(gè)方向可表示為6： （2-1）將在支管投影圓方程用柱坐標(biāo)表示為： （2-2）根據(jù)坐標(biāo)變換，兩個(gè)坐標(biāo)系的位置關(guān)系為： （2-3）即： （2-4）將（2-4）式代入（2-1）式，并將（2-2）式代入后，分別得到在和兩個(gè)坐標(biāo)系下的相貫線方程為： （2-5） （2-6）（2-

31、5）、（2-6）式分別為和兩個(gè)坐標(biāo)系下的相貫線方程表示。其中，表示相貫線上點(diǎn)投影到支管坐標(biāo)系下與的夾角。在已知主管直徑R、支管直徑r、相貫角以及偏心距為后，可以通過公式，在給定后，得到焊縫在相應(yīng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置；或者已知相貫線上的點(diǎn)，亦可求出的值。求出相貫線的方程便于了解焊縫的特征以確定機(jī)構(gòu)所需要的自由度，才能得到焊接過程中的焊接姿態(tài)。2.2 馬鞍線焊縫的自動(dòng)焊接工藝過程分析本文所研究的是錨鏈和中檔正交所形成的馬鞍線焊縫的焊接。馬鞍線焊縫如圖2-3所示。為了便于描述，對(duì)馬鞍線的各特征點(diǎn)的位置用A到L的字母標(biāo)出。 圖2-3 馬鞍線焊縫 Fig.2-3 Saddle weld line具體工藝過

32、程如圖2-4所示，規(guī)定零件繞軸心旋轉(zhuǎn)的正方向是零件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向（從左視圖看），焊槍1沿Y軸移動(dòng)的正方向是焊槍1向右移動(dòng)的方向（從主視圖看），焊槍1繞垂直方向旋轉(zhuǎn)的正方向是焊槍1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向（對(duì)俯視圖看）。 (a)從A點(diǎn)到C點(diǎn) (b)從C點(diǎn)到E點(diǎn) (c)從E點(diǎn)到G點(diǎn) (d)從G點(diǎn)到I點(diǎn) (e)從I點(diǎn)到K點(diǎn) (f)從K點(diǎn)到A點(diǎn) 圖2-4馬鞍線焊縫焊接工藝過程示意圖Fig.2-4 Saddle wire weld process diagram首先焊槍1在圓柱面得最高點(diǎn)編前10mm處，焊槍移下后零件反向轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍1正向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿Y軸方向作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，在此5軸的聯(lián)動(dòng)配合下，焊槍1從A點(diǎn)引弧，經(jīng)

33、過B、C、D、E點(diǎn)后在G點(diǎn)收弧，如圖2-4 ac所示。然后平移氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)焊槍1向右平移20mm，使焊槍1移動(dòng)到圓柱面的最高點(diǎn)10mm處。焊槍1正向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿Y軸做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，在此5軸的聯(lián)動(dòng)配合下，焊槍1從G點(diǎn)引弧，如圖2-4 dr所示，從而完成整條焊縫的焊接。最后焊槍上移，零件和焊槍1（X、Z、Y）返回起始原點(diǎn)。2.3 焊接系統(tǒng)方案初步確定2.3.1 焊接系統(tǒng)所需自由度的分析如圖2-5所示，錨鏈的焊縫為空間馬鞍線，且兩側(cè)對(duì)稱，所以采用對(duì)焊（對(duì)焊是指利用電阻熱將兩工件沿整個(gè)端面同時(shí)焊接起來的一類電阻焊方法）的焊接形式。圖2-5 錨鏈Fig.2-5 Anchor理論上，馬鞍線曲線焊縫是空間曲線

34、焊縫，一般來說需要三個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)擬合；但此處馬鞍型曲線焊縫的垂直投影是圓，因此可以利用一個(gè)回轉(zhuǎn)軸來代替兩個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)。從機(jī)械角度看，在實(shí)際馬鞍線曲線焊縫的焊接中，只需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)便可以完成焊接；但是實(shí)際中考慮到錨鏈馬鞍線焊接過程中，焊槍與錨鏈易產(chǎn)生干涉，所以必須對(duì)焊槍的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，讓焊槍在不同的焊接位置時(shí)，姿態(tài)隨焊槍位置的不同而變化，從而使焊縫均勻，滿足焊接的工藝需求。同時(shí)需要對(duì)焊槍的初始位置進(jìn)行調(diào)整，這就需要一個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣，要完成錨鏈馬鞍線的焊縫的焊接至少需要四個(gè)自由度。焊接錨鏈馬鞍線焊縫，需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)完成焊接過程，其結(jié)構(gòu)示意圖（

35、圖2-6）。圖2-6 四周聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.2-6 Schematic diagram of four-axis linkage2.3.2 焊接系統(tǒng)所需機(jī)械結(jié)構(gòu)（1）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)馬鞍型曲線自動(dòng)焊接機(jī)采用的是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)焊接；為了保證焊接過程中焊接的準(zhǔn)確、穩(wěn)定，將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定下來，這樣回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以方便的實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)焊槍繞馬鞍線焊縫的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）徑向機(jī)構(gòu)馬鞍型自動(dòng)焊接系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)空間曲線焊縫的自動(dòng)焊接，只靠回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是不能實(shí)現(xiàn)的，還必須配合徑向機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。一般情況，馬鞍落差量（馬鞍型焊縫最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之差）相對(duì)于馬鞍型焊縫軌跡比較?。灰虼嗽趯?shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與移

36、動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，要保證徑向運(yùn)動(dòng)的精確性，選用了傳動(dòng)效率高、定位精確的滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。（3）擺動(dòng)機(jī)構(gòu)僅通過回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)可焊接出粗糙的馬鞍型曲線，但焊接的品質(zhì)和工藝需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)得不到滿足，因此需要擺動(dòng)機(jī)構(gòu)來控制焊槍的姿態(tài)，讓焊槍在不同的焊接位置時(shí)，姿態(tài)隨焊接位置的不同而變化，從而使焊縫均勻，滿足焊接的工藝需求。（4）升降機(jī)構(gòu)在馬鞍型自動(dòng)焊接系統(tǒng)的實(shí)際焊接過程中，只需要焊槍回轉(zhuǎn)與徑向運(yùn)動(dòng)便可以完成對(duì)馬鞍型焊縫的焊接，并不需要升降運(yùn)動(dòng)；但是改變錨鏈的半徑時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)升降位置，使其滿足不同錨鏈的焊接需求。2.3.3 焊接系統(tǒng)的控制一、 控制方式（1）自動(dòng)控制方式工作在自動(dòng)控制方式下，只需

37、設(shè)置好錨鏈半徑、中檔半徑、速度參數(shù)焊接電壓、焊接電流后，便可以根據(jù)馬鞍型曲線插補(bǔ)算法的插補(bǔ)運(yùn)算來控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與徑向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和徑向運(yùn)動(dòng)。（2）自動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的手動(dòng)控制方式在焊槍的自動(dòng)運(yùn)行中，為達(dá)到比較好的焊接結(jié)果，要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)?？梢哉{(diào)節(jié)升降軸、徑向軸。當(dāng)升降軸、徑向軸改變后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出新馬鞍型曲線軌跡，焊槍便沿著新的軌跡焊接。（3） 手動(dòng)控制方式當(dāng)焊槍暫停后、便可對(duì)焊槍進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，回轉(zhuǎn)軸、升降軸、徑向軸在暫停后均可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)各軸發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出馬鞍型曲線軌跡進(jìn)行焊接。馬鞍型曲線焊縫是復(fù)雜的曲線焊縫，焊接時(shí)要達(dá)到好的焊接效果，就需要在焊縫的不同段設(shè)

38、置不同的焊接參數(shù)。在焊接前，需要對(duì)不同段上的焊接參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；焊接過程中，焊機(jī)會(huì)按照實(shí)際設(shè)定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。對(duì)于焊接同半徑且焊接參數(shù)相同錨鏈時(shí)，可以將焊接參數(shù)保存；若用時(shí)隨時(shí)可以調(diào)出，不需要再重新輸入焊接參數(shù)。二、 控制參數(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化焊接控制技術(shù)日益完善，在自動(dòng)化焊接過程中，焊接參數(shù)的調(diào)整是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。在馬鞍型曲線自動(dòng)焊接系統(tǒng)中，焊接錨鏈的直徑、焊接電壓、焊接電流、焊接速度、焊槍姿態(tài)、送絲速度是幾個(gè)主要的控制參數(shù)。在這幾個(gè)控制參數(shù)中，當(dāng)焊接錨鏈中檔的直徑確定后，其他幾個(gè)參數(shù)便成為影響焊接質(zhì)量的主要控制參數(shù)7。 (1)焊接電流焊接電流是影響焊縫成形的主要因素之一。它決

39、定焊道的熔深，電流增加熔深增大，反之熔深減小；電流對(duì)熔寬也有一定的影響，但效果不明顯。(2)焊接電壓焊接電壓是影響焊縫成形的重要因素。它主要決定焊縫金屬的熔寬，電壓增加熔寬增大。電壓對(duì)焊縫金屬的熔深也有一定的影響。焊接中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)焊縫金屬不能覆蓋到焊道的兩個(gè)邊緣。究其原因，一方面是焊槍擺動(dòng)寬度不夠，另一方面就是焊接電壓太小。(3)焊接速度焊接速度是影響焊縫成形的另一個(gè)重要因素。速度太快焊縫金屬的熔深和熔寬都將減小，而且容易造成未熔合、咬邊等缺陷；反之，容易造成焊縫熔池金屬溫度過高，不易快速成形，導(dǎo)致熔池金屬流淌，成形不好。(4)焊槍姿態(tài)焊槍姿態(tài)是影響焊接質(zhì)量和焊縫成形的關(guān)鍵因素。在焊接過程中存

40、在平焊，下坡焊和上坡焊等不同的焊接條件，軌跡的不同位置的焊接條件變化很大，因此，需要根據(jù)焊接位置的變化來控制焊槍姿態(tài)。(5)送絲速度送絲速度也是影響焊接質(zhì)量的又一因素。當(dāng)進(jìn)行下坡焊時(shí)，由于重力的作用，電弧熔化后的母材金屬向下流淌，因此送絲速度應(yīng)較?。欢M(jìn)行上坡焊時(shí)，送絲速度應(yīng)較大。由于焊接質(zhì)量和焊縫成形對(duì)焊槍的進(jìn)給速度十分敏感，因此系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定的速度控制能力。為了滿足焊接工藝的需求，實(shí)現(xiàn)最佳的焊接效果，控制參數(shù)的具體控制要求如下：（1） 機(jī)頭回轉(zhuǎn)直徑：3001000mm。（2） 機(jī)頭回轉(zhuǎn)速度：0.070.8r/min。（3） 馬鞍落差量：0100mm。（4） 焊槍傾角：±45&#

41、176;。（5） 焊絲直徑：36mm。（6） 額定焊接電流：1000A。（7） 送絲速度范圍（cm/min）：下降特性型（40450），雙特性型（20600）。3自動(dòng)焊接機(jī)的方案設(shè)計(jì)錨鏈相貫線是一種復(fù)雜的空間馬鞍線，馬鞍型曲線焊縫的位資隨著焊接位置的不同而不斷變化，這對(duì)焊接過程中工藝需要較高的要求。焊接機(jī)要完成復(fù)雜的焊接工藝，需要對(duì)控制系統(tǒng)提出較高的要求。而控制系統(tǒng)的難易程度，往往取決于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式。對(duì)于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，除了要考慮完成焊接任務(wù)相匹配的機(jī)構(gòu)自由度外，還需要考慮注入焊接環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)備、焊槍姿態(tài)、焊接工藝、結(jié)構(gòu)裝配等各方面的問題。對(duì)焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)選擇，要從結(jié)構(gòu)、剛度、精度以及平穩(wěn)性哥哥方

42、面去考慮。焊接機(jī)既要設(shè)計(jì)合理，又要滿足開放性、實(shí)用性的要求。3.1 焊接機(jī)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題3.1.1 剛度剛度是指機(jī)身在外力的作用下抵抗變形的能力。它是用外力在外力作用方向上的變形量之比來度量的。變形越小，剛度越大。為提高焊接機(jī)剛度，應(yīng)該在設(shè)計(jì)過程中注意以下幾點(diǎn)：(1)根據(jù)受力情況，選擇合理的形狀和尺寸。(2)提高支承剛度和接觸剛度。(3)合理布置作用力的位置和方向。3.1.2 精度焊接機(jī)精度主要集中反映在焊槍的位置精度上。它與機(jī)身的位置和結(jié)構(gòu)都有密切的聯(lián)系?？紤]焊接工作時(shí)性能的影響，應(yīng)該對(duì)焊接機(jī)的精度稍加注意。3.1.3 平穩(wěn)性焊接機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，由于質(zhì)量較大，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又經(jīng)常發(fā)生變化

43、時(shí)，將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。這不僅影響焊槍的精確定位，甚至?xí)p壞焊機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使焊機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該采取措施，提高工作時(shí)的平穩(wěn)性：(1)結(jié)構(gòu)力求緊湊、質(zhì)量輕，以減少慣性力。(2)注意運(yùn)動(dòng)部件各部分的質(zhì)量重心對(duì)轉(zhuǎn)軸支承的分布情況。3.1.4 其它在焊接過程中，焊接機(jī)器人控制的核心是對(duì)焊槍姿態(tài)的控制。如果在色劑機(jī)構(gòu)的過程中，各個(gè)關(guān)節(jié)可以采用解耦控制設(shè)計(jì)，對(duì)焊接機(jī)器人的控制就會(huì)變得簡單、可靠。在傳動(dòng)系統(tǒng)上，也應(yīng)該力求簡短，以便提高精度和效率。各驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)條件、管線系統(tǒng)及各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制元件要求合理緊湊，操作維護(hù)要方便。3.2 焊接機(jī)設(shè)計(jì)的原則一、焊接機(jī)應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)功能、運(yùn)動(dòng)性能、工作性

44、能、經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)緊湊性等評(píng)價(jià)指標(biāo)。（1）系統(tǒng)功能：實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)現(xiàn)工藝動(dòng)作的準(zhǔn)確性。采用交流伺服系統(tǒng)與合理的機(jī)械機(jī)構(gòu)滿足要求。（2）運(yùn)動(dòng)性能：運(yùn)動(dòng)速度、行程可調(diào)性、運(yùn)動(dòng)精度等。設(shè)計(jì)中要求各軸轉(zhuǎn)速無級(jí)可調(diào)、運(yùn)動(dòng)精度±0.1mm。（3）動(dòng)力性能：承載能力、增力特性、傳力特性、振動(dòng)噪音等。設(shè)計(jì)出的機(jī)械產(chǎn)品承載力滿足要求、噪音要滿足要求。（4）工作性能：效率高低、壽命長短、可操作性、安全性、可靠性應(yīng)用范圍等。要求設(shè)計(jì)出的焊接機(jī)的工作效率是人工焊接的5倍、零件中易損件要少，各零件應(yīng)容易更換。（5）經(jīng)濟(jì)性：加工難易、能耗大小、制造成本等。各機(jī)械零件應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或通用件，多數(shù)零部件

45、應(yīng)易于制造。（6）結(jié)構(gòu)緊湊性：尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等。整機(jī)結(jié)構(gòu)要求緊湊、復(fù)雜程度中等。通過對(duì)焊接機(jī)的整體功能進(jìn)行分解，確定各運(yùn)動(dòng)功能模塊后，需對(duì)各部分的運(yùn)動(dòng)那個(gè)進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，使局部與系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。二、執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，一般遵循以下原則：（1）滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作先后的順序性要求根據(jù)焊接的工藝規(guī)范和流程，確定各功能部分動(dòng)作的順序，以順利協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)焊接任務(wù)。 (2)滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作在時(shí)間上的同步性要求焊接時(shí)，因?yàn)槭莾砂押笜尩乃妮S聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方案，要保證雙焊槍運(yùn)動(dòng)的同步性要求和控制信號(hào)時(shí)間同步。（3） 滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的合理布局，以使系統(tǒng)結(jié)

46、構(gòu)簡單合理。（4）滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在操作上的協(xié)同性要求（5）各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作安排要有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率（6）各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高三、設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，從以下方面考慮：（1）滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝要求和運(yùn)動(dòng)要求（2）盡量簡化和縮短運(yùn)動(dòng)鏈（3）盡量減小機(jī)構(gòu)尺寸（4）選擇合適的運(yùn)動(dòng)副形式（5）考慮運(yùn)動(dòng)源的形式（6）使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動(dòng)力特性（7）使機(jī)械具有良好的傳力和運(yùn)動(dòng)特性（8）保證機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)3.3 方案的提出與比較方案一：通過分析馬鞍線型焊縫曲線的特性，得出需要兩個(gè)自由度來走出馬鞍線的軌跡，同時(shí)需要兩個(gè)自由度對(duì)焊槍的姿態(tài)進(jìn)行控制。方案一如圖3-1所示：圖3-1

47、方案一結(jié)構(gòu)Fig.3-1 The structure of a program工作原理：（1）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：電機(jī)帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與大齒輪嚙合，從而帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪上裝有焊槍，焊槍的旋轉(zhuǎn)完成一個(gè)馬鞍線（錨鏈的焊接只需焊一邊）的一個(gè)自由度。具體工作過程：電機(jī)通過減速器來減到一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，帶軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸一端連有小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合，帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)減低了轉(zhuǎn)動(dòng)速度。大齒輪定位在定位支架上，齒輪上開有寬度大于錨鏈中檔直徑的槽以便于錨鏈的裝夾和定位。結(jié)構(gòu)如示意圖3-2所示。 圖3-2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3-2 Slewing(2)平移機(jī)構(gòu)：平移臺(tái)是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠與螺母的配合，將轉(zhuǎn)

48、動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)，定位支架固定在平移臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)焊槍的直線移動(dòng)，達(dá)到馬鞍線的另一個(gè)自由度。結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：圖3-3 平移機(jī)構(gòu)Fig.3-3 Translation agencies (3)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：在焊接錨鏈馬鞍線過程中，由于受到錨鏈本身形狀特征的限制，焊槍的姿態(tài)要隨著焊縫位置的不同而變化，本文采用了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的形式，用來調(diào)整焊槍的姿態(tài)?；剞D(zhuǎn)部分和擺動(dòng)部分分別采用伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。如圖3-4所示。雖然這個(gè)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)控制焊槍姿態(tài)，但是存在幾個(gè)缺點(diǎn)：(1)電機(jī)價(jià)格貴，采用電機(jī)較多。(2)由于在此處要裝兩個(gè)電機(jī)，結(jié)構(gòu)體積較大。(3)安裝焊槍后，由于容易產(chǎn)生干涉，所以擺動(dòng)角度不大。圖3

49、-4 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3-4 Swing mechanism(4)定位夾緊機(jī)構(gòu)：如圖3-5所示，采用定位支架對(duì)錨鏈中檔進(jìn)行定位，齒輪中間開有寬度大于中檔直徑的槽便于錨鏈的裝卸，然后用壓板將錨鏈壓在帶槽的平臺(tái)上，用螺栓緊固。當(dāng)錨鏈的直徑改變時(shí)，只需換套夾具就可以對(duì)不同錨鏈進(jìn)行焊接。圖3-5 定位夾緊機(jī)構(gòu)Fig.3-5 Positioning clamping institutions方案二：通過第二章的分析，自動(dòng)焊接機(jī)的設(shè)計(jì)過程分為五大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括：徑向機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、定位夾緊機(jī)構(gòu)。各部分機(jī)構(gòu)的功能如下：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：完成焊槍的回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)相貫線小于180°焊接；此外

50、，當(dāng)焊縫的位置發(fā)生改變時(shí)，用于調(diào)整焊槍的姿態(tài)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：控制焊槍的姿態(tài)，讓焊槍在不同的焊接位置時(shí)，姿態(tài)隨焊接位置的不同而變化，從而使焊縫均勻，滿足焊接的工藝需求。徑向機(jī)構(gòu)：配合回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)馬鞍形曲線焊縫焊接。升降機(jī)構(gòu)：調(diào)整焊接部分的整體位置，當(dāng)改變錨鏈的半徑時(shí)，焊機(jī)的整體結(jié)構(gòu)不用改變，只需調(diào)整升降絲杠。定位夾緊機(jī)構(gòu)：用于錨鏈與中檔焊接時(shí)，定位夾持錨鏈的機(jī)構(gòu)，以保證焊接過程的平穩(wěn)性。焊接機(jī)簡圖如圖3-6所示，該機(jī)構(gòu)能對(duì)焊槍位置和焊槍姿態(tài)單獨(dú)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相貫線焊接。其中，徑向機(jī)構(gòu)B和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C，這兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍位置進(jìn)行調(diào)整；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)D和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)E這兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整；升降機(jī)

51、構(gòu)A用于焊機(jī)焊接不同直徑的錨鏈時(shí)，用于調(diào)整焊槍的上下的位置，以滿足不同直徑錨鏈的焊接需求。圖3-6自動(dòng)焊接機(jī)簡圖 Fig.3-6 Automatic welding machine diagram自動(dòng)焊接機(jī)的主體結(jié)構(gòu)要完成旋轉(zhuǎn)、上升下降、徑向等功能。在設(shè)計(jì)過程中力求結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)簡單。如圖3-7所示，為本文設(shè)計(jì)的馬鞍線焊接機(jī)主體結(jié)構(gòu)。圖3-7 自動(dòng)焊接機(jī)主體結(jié)構(gòu) Fig.3-7 The main structure of automatic welding machine工作原理：（1）徑向機(jī)構(gòu)：采用一套導(dǎo)軌絲杠機(jī)構(gòu)，如圖3-8所示，由于絲杠本身具有自鎖功能，因此直線傳動(dòng)部分更平穩(wěn)、可靠。將直

52、線位移機(jī)構(gòu)安裝在升降臺(tái)上，直線平移臺(tái)與升降臺(tái)組合后，控制焊槍的位置。圖3-8 直線平移機(jī)構(gòu)Fig.3-8 Linear translation agencies （2）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：支架與主軸靠螺釘緊固，主軸靠減速機(jī)帶動(dòng)，以此帶動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)簡單可靠。在工作過程中，由于采用對(duì)焊形式，支架只能做小于180°的旋轉(zhuǎn)，與直線平移機(jī)構(gòu)配合使焊槍到達(dá)焊縫的位置。如圖3-9所示。圖3-9 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3-9 Slewing （3）升降機(jī)構(gòu)：由于升降機(jī)構(gòu)并不參與工作中焊槍位置調(diào)整，而是在焊接前根據(jù)錨鏈的直徑調(diào)整好焊接部分的位置，所以本文中對(duì)升降機(jī)構(gòu)的調(diào)整采用手動(dòng)形式，通過絲杠導(dǎo)軌調(diào)整升降高度。（

53、4）擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：在焊接錨鏈馬鞍線過程中，由于受到錨鏈本身形狀特征的限制，焊槍的姿態(tài)要隨著焊縫位置的不同而變化，本文采用了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的形式，用來調(diào)整焊槍的姿態(tài)?；剞D(zhuǎn)部分和擺動(dòng)部分分別采用伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。如圖3-10所示。雖然這個(gè)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)控制焊槍姿態(tài)，但是存在幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）電機(jī)價(jià)格貴，采用電機(jī)較多。（2）由于在此處要裝兩個(gè)電機(jī)，結(jié)構(gòu)體積較大。（3）安裝焊槍后，由于容易產(chǎn)生干涉，所以擺動(dòng)角度不大。圖3-10 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3-10 Swing mechanism（5）定位夾緊機(jī)構(gòu)：如圖3-11所示，采用U形塊對(duì)錨鏈中檔進(jìn)行定位，然后用壓板將錨鏈壓在帶槽的平臺(tái)上，用螺栓緊固。這種

54、定位方法簡單方便，而且有利于錨鏈的拆卸，當(dāng)錨鏈的直徑改變時(shí)，只需換套夾具就可以對(duì)不同錨鏈進(jìn)行焊接。圖3-11 定位夾緊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3-11 Schematic diagram of positioning clamping方案選取：經(jīng)過比較和選擇分析，本文選取方案二，原因：(1)方案一在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，不易做出實(shí)物，而且工藝要求較高。(2)大齒輪僅靠中間的定位支架進(jìn)行定位，定位不夠穩(wěn)定，在加工過程中，如果焊槍受力較大，便會(huì)產(chǎn)生震顫，導(dǎo)致加工精度達(dá)不到。(3)小齒輪與大齒輪的嚙合完全暴露在空氣中，不易潤滑，且齒輪和滑動(dòng)軸承之間也不能潤滑，嚴(yán)重的摩擦不僅使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，而且影響焊縫的焊接精度。(

55、4)大齒輪尺寸過大，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中焊槍有可能與錨鏈發(fā)生干涉。綜上所述，所以本文選取方案二，對(duì)方案二的具體零部件進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)。4自動(dòng)焊接機(jī)主要零部件的選擇和校核4.1 軸承的選擇滾動(dòng)軸承使用維護(hù)方便，工作可靠，起動(dòng)性能好，在中等速度下承載能力較高。且具有摩擦阻力小，功率消耗小，機(jī)械效率高，尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，具有互換性，便于安裝拆卸，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，精度高，轉(zhuǎn)速高，磨損小，使用壽命長，適用于大批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用滾動(dòng)軸承，由于與之相配合的軸的尺寸為30mm，所以選擇軸承的內(nèi)徑為30mm，根據(jù)強(qiáng)度要求所選軸承為7207C。如圖4-1所示。圖4-1 滾動(dòng)軸承Fig.4-

56、1 Rolling bearing4.2 聯(lián)軸器的選擇由于支架的旋轉(zhuǎn)速度較低，從而產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩，凸緣聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，裝拆方便，剛性好，傳遞轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用了凸緣聯(lián)軸器。另外，凸緣聯(lián)軸器還可以連接兩個(gè)直徑不同的軸。如圖4-2所示。圖4-2 聯(lián)軸器Fig.4-2 Coupling4.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選取類型與特點(diǎn)考慮到被控對(duì)象焊槍的運(yùn)動(dòng)速度比較低，而且又要對(duì)焊接的整個(gè)過程進(jìn)行控制，我們?cè)谶@里選用直流伺服電機(jī)。一般直流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min或3000r/min，甚至達(dá)到6000r/min，這需要使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪減速后去拖動(dòng)焊槍旋轉(zhuǎn)。在這里我們盡量選取一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)被控對(duì)象。直流力矩電動(dòng)機(jī)既是為了滿足上述低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載要求而設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)機(jī)。它可以低速運(yùn)行甚至長期堵轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩。目前生產(chǎn)的直流力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)幾千牛·米，而轉(zhuǎn)速可低至10r/min左右。 下面來介紹一下直流力矩電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)8:(1)響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)特性好決定過渡過程快慢的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)是機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù)。雖然直流力矩電動(dòng)機(jī)電樞直徑大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，但是它的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大、空載轉(zhuǎn)速很低，