自動焊接機器人專案的建議書

　　摘要：焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴塗）的工業機器人。根據國際標準化組織（ISO）工業機器人術語標準焊接機器人的定義，工業機器人是一種多用途的、可重複程式設計的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可程式設計的軸，用於工業自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最後一個軸的機械介面，通常是一個連線法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴塗。關鍵詞：自動化可行性伺服系統

　　1 研究目的及應用

　　1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表，特徵和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業機器人設想。1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，並申請了專利。該專利的要點是藉助伺服技術控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人。現有的機器人差不多都採用這種控制方式。1959年第一臺工業機器人在美國誕生，開創了機器人發展的新紀元。

　　工業機器人在工業生產中能代替人做某些單調、頻繁和重複的長時間作業，或是危險、惡劣環境下的作業，例如在衝壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、塗裝、塑膠製品成形、機械加工和簡單裝配等工序上。其中在汽車工業等部門中，焊接機器人可以完成對人體有害物料的焊接或工藝操作。

　　接下來我們將從焊接機器人的用途，特點，社會意義和經濟利益以及研發過程中的技術要求等方面來對焊接機器人進行可行性研究。

　　2 國內外相關技術水平

　　隨著科學技術的發展，焊接已從簡單的構件連線或毛坯製造，發展成為製造業中的精加工方法之一。隨著製造業的高速發展，傳統的手工焊接已不能滿足現代高科技產品製造的質量和數量要求；同時，在對環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機械化、自動化的方向發展。

　　焊接自動化主要是指焊接生產過程的自動化。其主要任務就是：在採用先進的焊接、檢驗和裝配工藝過程的基礎上，建立不需要人直接參與焊接過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。其核心說實現沒有人直接參與的自動焊接過程。焊接自動化主要包括兩方面：一是焊接工序的自動化，二是焊接生產的自動化。在焊接自動化方面主要的技術包括：機械技術、感測技術、伺服傳動技術、自動控制技術和系統技術。焊接自動化不僅可以大大提高焊接生產率，更重要的可以確保焊接質量，減少人為因素的影響，改善操作環境及對人的傷害。自動化焊接專機、機器人工作、生產線盒柔性製造系統在工程中的應用已成為一種不可阻擋的趨勢。據此，國內外發展有如下概況：

　　（1）高精度、高速度、高質量、高可靠性。由於焊接加工越來越向著“精細化”加工方向發展，因此，焊接自動化系統也向著高精度、高速度、高質量、高可靠性方向發展。這要求系統的控制器及軟體系統有很高的資訊處理速度，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）整合化。焊接自動化系統的整合化技術包括硬體系統的結構整合、功能整合和控制技術整合。現代焊接自動化系統的結構都採用模組化的設計，根據不同使用者對系統功能的要求，進行模組的組合。而且其控制功能也採用模組化設計，根據使用者需要，可以提供不同的控制軟體模組，提供不同的控制功能。

　　（3）智慧化。將現今的感測技術、計算機技術和智慧控制技術應用於焊接自動化系統中，使其能夠在各種複雜環境、變化的焊接工況下實現高質量、高效率的自動焊接。智慧化的'焊接自動化系統，不僅可以根據指令完成自動焊接過程，而且可以根據連續實測焊接工件坡口寬度，確定每層焊縫的焊道數及相關引數、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提升、變道、完成焊接。

　　（4）柔性化。大型自動化焊接裝備或生產線的一次投資相對較高，在設計這種焊接裝備時必須考慮柔性化，形成柔性製造系統，以充分發揮裝備的效能，滿足同類產品不同規格工件的生產需要。

　　（5）網路化。由於現代網路技術的發展，也促進那裡焊接自動化系統管控

　　一體化技術的發展。透過網路，利用計算機技術、遠端通訊技術等，將生產管理和焊接過程自動控制一體化，實現離線程式設計，遠端監控、診斷和檢修。

　　在自動化方面，各種焊接專機的應用也具有重要意義。焊接專機說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，其中直線焊縫佔70%，圓環形焊縫佔17.5，複雜的空間去西安焊縫相對較少，因此可以採用價格較低、結構不太複雜而又有一定控制水平的機械裝備實現焊接的機械化和自動化。當下，焊接專機以低成本自動化技術與裝置更適合發展中國家使用。

　　3 研究目標

　　自動焊接裝置的焊接執行部件，擬採用旋轉副驅動方式。因旋轉副摩擦力小於移動副摩擦力，運動靈活，可以靈活改變焊槍的姿態，更適用於全方位自動焊接。驅動同樣的焊接執行部件，電動機功率可以減小，進而減輕焊接機頭的質量。焊槍位置感測器儘量安裝在末級減速軸上，直接檢測焊槍的位置和姿態。這樣的安裝方式，不存在國內外全自動焊接裝置透過間接方式檢測焊槍位置的問題，控制精度更高。全自動焊機裝置上的儲存器，儲存焊點跟蹤控制程式和部分焊接引數，更多的焊接引數儲存在焊接電源內，以利於發揮焊接電源生產廠家的技術優勢。

　　對焊槍的驅動擬採用步進電機。步進電機是一種能將數字輸入脈衝訊號轉換為旋轉運動的電磁執行元件，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計誤差等優點，使他成為目前機電一體化產品中，唯一能使用開環控制技術的伺服和執行的元件。目前，高精度步進電機驅動技術已十分成熟，且具有控制系統結構簡單、工作可靠、成本低廉的優點。步進電機不是電壓控制型元件，而是頻率型控制元件。步進電機轉動的快慢、角度決定於數字脈衝訊號的頻率。即使放大器的“零漂移”使控制訊號的幅度改變，也不會改變步進電機的轉速。而採用計算機產生的控制訊號是很穩定的。因此，擬採用步進電機，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個自由度：X，Y，Z用於定位，偏轉角用於定向，能夠沿著三維曲線運動，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、

　　焊接軟體系統等）。為完成一項點焊機器人工程，除需要點焊機器人以外，還需要使用的後邊裝置。點焊機器人與周邊裝置組成的系統，稱點焊機器人整合系統。

　　焊槍位置控制：採用焊槍位置訊號、送死控制模板、弧壓控制模板、機械電弧擺動模板等實現焊槍位置的控制。在管道全方位自動焊接時，生產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：控制焊接工藝引數的旋鈕、按鍵都集中在控制盒或焊接機頭上，透過旋鈕、按鍵操作改變焊接工藝引數，因此，弧焊電源是一個專用的焊接電源。

　　對成熟焊接工藝的繼承和再現：焊接執行部件是焊接機頭，其在焊接過程中應作多種複合遠動，是焊槍保持一定的姿態。但受焊接機頭運動自由度的限制，不易實現多種的複合遠動。因此，焊接工藝引數的制定需要工藝試驗，一般採用分段法，需要生產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：系統運動方式的確定，伺服系統的選擇，執行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統的選擇等內容。應根椐設計任務和要求提出系統的總體方案，對方案進行總體分析和論證，最後確定總體方案。

　　系統運動方式的確定：焊接機械手按運動方式選用5軸聯動式。

　　伺服系統的選擇：旋轉、擺動機構採用開環控制系統，選用快速步進電機。開環控制系統無檢測元件，系統結構簡單，造價低，調整和維修都容易。

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