焊接机器人系统毕业设计论文

第1章绪论

1.1课题研究的目的及意义

焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段，发展成为制造业中一项基础工艺，一种生产尺寸精确的产品的生产手段。传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。近20年来，在半自动焊、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。焊接机器人的诞生是焊接自动化革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式，从而使中小批量的产品自动化焊接成为可[1]。

焊接机器人已经广泛应用于汽车、工程机械、摩托车等行业，极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。同时改善了工人的劳动环境[2]。但是，现在焊接领域中自动化程度最高的手臂式机器人在使用时有两个局限性：一个是它的活动范围较小，因为它像一个手臂，手臂长1.5~2米，也就是其活动半径，所以焊接的工件不能太长，最大范围也不能超过2米。二是它必须用编程或示教进行工作，对不规则的焊缝，特别是在焊接过程中焊缝发生形变时，则很难适应。然而，许多大型工件体积非常庞大，而且必须在工地和现场进行焊接。例如：石化工业中的大型储油罐、球罐，造船业中的各种轮船，对这类产品的焊接，就很难实现自动化，许多建设工作仍然采用人工焊接[3]。因此，给焊接机器人加装各种传感器，使它们具有焊接路径自主获取、焊缝跟踪以及焊接参数在线调整等能力，具有很高的实用价值。机器人焊接过程的自主化和智能化已经成为科研工作者的一个研究重点。移动焊接机器人由于其良好的移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，成为解决大型焊接结构件自动化焊接的有效方法[4]。尽管自主移动机器人的实用化研究还不够完善，但移动机器人是解决无轨道，无导向，无范围限制焊接的良好方案。

1.2国内外研究现状

自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，越来越多的工业机器人投入生产使用中。这其中大约有半数是焊接机器人。焊接机器人是在工业机器人上装备焊接系统，如送丝机、软管、焊枪、焊炬或焊钳，并配备相应

的焊接电源的自动化焊接装备[1]。

从20世纪60年代诞生和发展到现在，焊接机器人可大致分为三代：

第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其具有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用。

第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人，得益于焊接传感器技术和离线编程技术的不断改进，这类机器人现已进入应用研究的阶段。

第三代是指装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人，由于人工智能技术的发展相对滞后，这一代机器人正处于试验研究

阶段。

随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员追求的目标[5]。

焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采用交流伺服电机驱动，这种电机因为没有电刷，故障率很低。控制器中普遍采用32位的计算机，除可以控制机器人本体的5－6个轴外，还可以使外围设备和机器人协调联动。例如，日本安川公司的新型焊接机器人控制器NX100技术中，一台控制器能同时控制四台机器人共36轴（每台机器人有本体6个轴，3个外部轴），并且能够使用软PLC 对周围装置进行控制。与NX100配套的示教盒也采用了功能强大的Windows CE操作系统。而瑞士的ABB等其他公司也有类似的控制器产品，如ABB的第五代机器人控制器IRC5[6-7]。

配套焊接系统也有很多新的进展，在1993年的埃森展览会上，日本松下公司把旋转电弧焊技术用于弧焊机器人。由于采用旋转电弧焊时，焊丝能够以50Hz以上的频率旋转，所以用这种技术进行焊缝跟踪时，其跟踪精度比机器人经常采用的摆动焊（摆动频率小于10Hz）要高得多[8]。该公司还于1993年首先销售在控制柜中内藏焊机的机器人，依靠数字通讯技术实现了焊机和机器人的结合。并于2004年研制出了TAWERS机器人，实现了焊机和机器人的融合，即由机器人控制器直接控制焊接波形。其中焊机采用了频率为100kHz的逆变电源，体积小巧，控制精度高。焊机和机器人融合的优点主要有焊机和焊枪的动作能够实现同步的精确控制，便于实现缜密的焊接条件控制，并使焊接系统小型化。另外，该机器人把送丝机和机器人手臂做成一体，使送丝机能够配合焊枪的动作进行转动，以保证送丝始终顺畅。

焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，随着国外对工业机器人在焊接方面的研究应用，基于生产实践的需要，我国也开始了焊接机器人的研究。20世纪50年以来我国在焊缝自动跟踪方面有了长足发展，技术水平不断提高，并取得了许多应用成果。

我国已发展了各种类型的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双坐标发展到了多坐标。20世纪50～60年代多采用接触跟踪，西安交通大学和三桥机车车辆厂是中国从事接触跟踪和电磁跟踪研究较早的单位。60～70年代后期发展了电磁跟踪、光电跟踪、电弧跟踪、激光跟踪等非接触跟踪技术。华中科技大学与湖北造船厂合作研制

成功全位置电磁跟踪气体保护焊机，跟踪精度达±1mm。华南理工大学与广州造船厂共同研制的电磁立焊缝自动跟踪焊机，用在万吨轮的焊接上。天水电气传动研究所和上海造船工艺研究所合作，研制的光电跟踪装置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生产中。哈尔滨焊接研究所与辽阳钢厂合作研制的激光跟踪装置用于螺旋管焊接自动生产线等。20世纪80年代后期，微机跟踪和电视跟踪技术得到迅速发展，从而为传统焊接自动化向现代焊接自动化发展奠定了基础[9]。

从20世纪70年代末开始，清华大学潘际銮院士对电弧传感焊缝跟踪做了大量研究。80年代末，潘院士在电弧传感器结构及控制方面又进行了新的研究，研制出一种空心马达式高速旋转扫描电弧传感器，并成功地对一种无道轨的自动小车进行跟踪控制，获得了专利[[10]。

此外，哈尔滨工业大学研制成功了单片机控制高精度激光跟踪系统，西北工业大学研制成功微处理机控制熔化极脉冲窄间隙焊缝自动跟踪系统等，都获得了较好的自动控制效果[11]。计算机图像法控制技术也在80年代研究成功，如水电部电力建设研究所研制成功DL-64固态图像传感器进行焊缝跟踪的装置。

总的说来，我国的焊接研究人员对各种焊缝跟踪方法进行了研究，并在某些特定的应用中获得了成功。但是，由于种种原因，我国的焊缝跟踪技术大都还停留在实验室中，在生产中应用的绝大部分还是针对特定焊接对象、工艺和焊接状况的焊缝跟踪系统，能够形成商业化的产品非常少见，而这正是我国在焊缝跟踪领域与发达国家的最大差距所在[12]。