(论文)焊接机器人的发展论文最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

37毕业设计论文毕业设计：焊接机器人的发展和应用 焊接机器人的发展和应用摘要：中国装焊生产线机械化自动化技术发展应用经历了仿制、自行研制和稳步发展三个阶段。焊接结构制造行业的大中型骨干企业焊接专机将得到普遍应用，焊接生产过程机械化与自动化程度将提高1020个百分点，焊接机械化与自动化程度将达到4050%，为了发展焊接现代自动化技术，中国在“九五”计划中已将围绕计算机技术的CIMS技术、CAD/CAM、CAPP、CAPM等技术列为重点推广项目。预计焊接生产在以计算机为基础的先进制造技术的带动下，将有一个很大的变化，焊接自动化也将以崭新面貌展现在人们面前。在汽车、船舶、锅炉、工程机械等制造行业重点推广采用焊接机器人、焊接中心、焊接柔性制造系统300400套，采用计算机辅助设计与制造及检查技术。骨干企业的焊接现代自动化技术将达到国际90年代初先进水平。当然，中国是发展中国家，科学技术水平和工业生产相对来说比较落后，焊接自动化水平只能逐渐提高，手工操作在近期内仍将占主导地位。本文从自动化焊接设备技术、焊接自动控制技术、焊接生产线机械化与自动化技术等方面，对建国50多年来中国焊接生产机械化、自动化技术发展的历程进行了回顾，并对中国焊接生产机械化与自动化技术今后的发展进行了展望。关键词：中国,焊接,机械化,自动化,发展the research on the technological design of Chinese jointing and assembling production lineAbstract：The development of welding mechanization and automation in China has experienced three steps of imitation,independent research and manufacturing and smooth development.This article makes a review on the achievements of welding mechanization and automation China has made in the past 50 years in terms of welding automation device,welding automatic control technology,mechanization and automation technology of welding production line.It also describes the prospects of the future development of welding mechanization and automation in China.Key words：China;welding;mechanization;automation;development 目录引 言51自动焊接设备技术的发展62焊接自动控制技术的状况研究103焊接机器人技术研究1631焊接机器人20311 焊接机器人的组成21312 焊接用机器人的主要结构形式及性能22313点焊机器人的特点243. 1. 4弧焊机器人的特点2732焊接机器人的应用29（1）焊接机器人工作站（单元）30（2） 焊接机器人生产线314我国焊接机器人技术335焊接机器人的最新应用技术3651 TCP(tool center point工具中心点)自动校零技术3652双丝焊接技术3753激光/电弧复合焊接技术386结论39参考文献40引 言装焊生产线包括焊接生产机械化与自动化，所包括的内容很多，可以指焊接生产过程焊接工序本身的自动控制机械化与自动化，也可以指焊接生产包括备料、运输、组装、清理、检验、精整等焊接辅助工序在内的全过程综合自动控制机械化与自动化。不同的焊接类型其机械化与自动化技术内容也不尽相同。1自动焊接设备技术的发展发展焊接生产机械自动化技术，首先是从发展自动焊接设备开始的。50年代初，中国首先引进、后仿制了熔化焊的自动或半自动焊机。1955年，上海电焊机厂和上海电器科学研究所电焊设备研究室(今为成都电焊机研究所)仿制成功自动和半自动埋弧焊机。到“一.五”计划末期，中国已能仿制生产自动焊机、半自动焊机，还发展了焊丝自动送给和焊枪自动行走的自动化技术。至“二五”计划期间，中国的一些主要大中型厂矿企业在焊接生产中已较普遍地应用自动焊机和半自动焊机技术1。在大型锅炉厂中自动焊的工作量约占40%，14300t远洋货轮上自动焊和半自动焊约占全部焊接工作量的60%以上，壁厚205mm的高压容器、3150t水压机压力缸、和平号机车锅炉及350t桥式吊车等也全都是采用自动焊完成的。60年代中期至70年代中期，中国坚持自力更生的方针，独立研究发展自动化焊接设备，其中以半自动CO2气体保护焊技术发展较快。中国的一些研究单位、高等院校和厂矿企业等自1958年研制成功半自动CO2气体保护焊机后，到60年代中期在焊接结构件生产实践中已得到广泛应用，如用于锅驼机筒身、炼钢炉壳等的焊接生产。在堆焊、电渣焊、对焊、缝焊、真空电子束焊等方面，也都发展了自动焊机。1978年中国实行改革开放后，焊接生产机械化与自动化技术研究开发进入了新的发展时期，走自主发展和引进技术相结合的发展道路。80年代至90年代初，中国从国外引进了一批先进或较先进的自动焊接设备和技术，如自动或半自动埋弧焊机、半自动CO2气体保护焊机、多头自动点焊机、窄间隙埋弧自动焊机等装置。通过消化、吸收与自行开发，中国的一些电焊机厂已能自制或与国外合作生产新型自动焊机，并开发出自动化水平较高的电焊机。在北京埃森焊接展览会上，中国展出的自动化焊接设备、辅机具与工业发达国家的展品差距已明显缩小。例如，哈尔滨焊接研究所研制了具有形变功能带机上淬火装置及自动去飞边装置的混合式摩擦焊机，配以自动上下料装置、无损检测装置等，可用在不同产品的生产线上；沈阳电焊机厂为一汽、二汽等企业提供了15种成套多头自动点焊机，其中单机最大容量达14100kVA，一次可焊(1.0+1.2)104个点，工序自动化比较先进。同期国内还研制出新型半自动CO2气体保护焊机、LH-300型及LG-400-1自动等离子弧焊机、自动高速或多丝窄间隙埋弧焊机、NBA1-500型半自动氩弧焊机等。到1995年，中国生产的自动和半自动焊机已占焊机总量的5.7%2，为发展焊接生产机械化自动化提供了坚实的基础。特别值得提到的是，50年代末至60年代，中国开始发展专用焊接自动机，例如开发了同时装焊双面连续式间断焊缝的T形梁装焊自动机，4个焊头同时对箱形梁的4条焊缝施焊的4级CO2气体保护自动焊机等。60年代末期，哈尔滨锅炉厂等单位开发成功的摩擦焊、一次穿透等离子弧焊和自动填丝TIG焊机，应用于直管接长。武汉锅炉厂、东方锅炉厂从德国BABCOCK公司引进了一次焊成壁厚为6mm的RRS76型直管接长TIG专用焊机。以后又发展了大量的专用焊接自动机，广泛应用在石油、化工、工程机械、摩托车、汽车、建筑等部门的焊接结构件生产中。中国在“七五”至“八五”计划期间，专用成套焊接设备发展较快。如电站锅炉压力容器部件的焊接，锅炉组成部件流水作业焊接生产线，包括工件下料、焊接、焊后清理、校正和焊后检查等工序。针对锅炉部件生产线的需要，经过不懈的努力，开发了十余种机械化和自动化程度比较高的系列专用成套焊接设备，基本上满足了国内生产的需要，改变了依赖进口的被动局面，加速了我国锅炉压力容器行业实现焊接过程机械化和自动化的进程。例如：(1)锅炉集箱焊接。1986年，武汉锅炉厂从德国BABCOCK公司引进了集箱管座TIG/SAW专用自动焊接装置，国内北京精艺焊接技术联合公司开发了类似德国BABCOCK公司集箱管座TIG/SAW专用自动焊接装置，应用在四川锅炉厂；(2)锅炉蛇形管焊接。“七五”计划期间，各锅炉厂从瑞典、美国等国家引进了各种管子全位置自动焊接设备，对固定位置管子实现机械化全位置焊接。同期，北京精艺焊接技术联合公司等单位研制成功锅炉蛇形管全位置TIG自动焊接设备，为适应不同管径规格，配备了系列焊接机头，并成功地运用于生产；(3)直管接长焊接。80年代末期，哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、东方锅炉厂等先后从日本KKK公司、瑞典ESAB公司、加拿大CE公司引进了相应的MIG/MAG、MIG/MAG/TIG、TIG热丝直管接长专用焊机，采用可编程控制器，对工件送进、对中定位、夹紧、焊枪到位、焊接、摆动、每层自动提升、停焊焊枪推出、管子松开、管子送出等焊接程序实现程序控制，各项焊接规范参数可以事先预置。北京精艺焊接技术联合公司、北京特种工艺研究所和成都电焊机研究所等单位也研制成功TIG加填丝、MIG/MAG/TIG和TIG热丝直管接长焊接设备，并应用于生产实际；(4)膜式水冷壁焊接。“七五”计划期间，上海锅炉厂、武汉锅炉厂等从德国引进了KOMESMA800型、1600型、P3200型膜式水冷壁专用成套焊接设备，哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂相继从日本三菱重工引进了膜式水冷壁管双面MAG专用成套焊接设备。90年代初，北京精艺焊接技术联合公司等单位自行开发成功适于管屏焊接的多头埋弧自动焊接设备和多头MAG自动焊专用系列焊接设备，至此，结束了我国膜式水冷壁专用焊机依赖进口的被动局面。现国内已有十多家工业锅炉厂使用国产膜式水冷壁专用焊接设备。2焊接自动控制技术的状况研究焊接自动控制是焊接生产机械化自动化的关键，50年来中国在焊接自动控制方面有了长足发展，技术水平不断提高，并取得了许多应用成果。在焊接过程的焊道(缝)自动控制方面，5060年代发展了有轨道小车自动焊机。70年代后期发展了无轨道小车自动焊机，并取得了专利。在焊缝跟踪方面，由于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。5060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之一。6070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，例如，华中理工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，等等。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。我国研制成功各种新型传感技术和视觉传感器后，焊接自 适应控制技术又有了较大发展。“五五”计划期间，冶金部建筑科学研究院研制成功电偶插入法(或红外法)，对熔池温度进行自适应控制。上海交通大学用光敏晶体管作熔透传感器，利用等离子焊接熔池背面高温辐射场或小孔效应的等离子焰流的变化来控制焊接速度，实现了等离子焊接过程中熔透度的自适应控制。70年代末3，清华大学潘际銮院士对电弧传感器跟踪焊缝做了大量研究，80年代末，潘院士在电弧传感器结构及控制方面又有新研究，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。清华大学研究的CCD图象处理传感器对焊缝背面横向温度的实时检测及图象处理在窄间隙MIG/MAG焊在线检测中的应用，做到适时焊接质量(熔透)控制。北京航空航天大学研究的CCD图象处理传感器在螺旋缝间隙调整中的应用，能较精确地检测焊缝间隙大小。现代焊接生产自适应控制离不开计算机应用技术。70年代末，中国开始发展焊接生产中微型计算机的应用技术，采用可编程序控制器和微处理机控制全位置自动焊和弧焊机器人电源，自动焊接过程的程序控制等，到80年代已取得实际应用成果。例如，上海交通大学研制的CMC-80型微处理机应用在超薄板焊接过程的控制系统中，实现了点位控制、熔透度适应控制、电流波形调节与恒流控制，并能显示出班产量及废品率等功能。黎明发动机制造公司研制的微处理机控制点焊质量技术，具有产生分流时能自动补偿、能探测电极端面磨损，并可将飞溅抑制在最小限度。北京工业大学研制成功利用光导纤维的红外成象电视监控及采用TP-801型微型计算机监控的TIG焊缝熔宽自适应控制技术。水电部电力建设研究所研制成功的微处理机应用在小径管脉冲TIG自动焊的控制系统中，实现了焊接顺序自动控制、工位自动转换及获得多种电流波形。研制的微处理机应用在多点焊的控制系统中，成功地解决了处于恶劣环境中的多点焊机的动作程序及自动焊接程序的控制，并可进行多点焊机的群控，从而提高了焊接生产自动化水平。北京航空工艺研究所将微处理机应用于电子束焊机上，实现了对程序中的时间、焊接规范、电子束偏转等的自动控制。此外，703所研制成功微处理机控制6轴TIG焊系统，哈尔滨工业大学研制成功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。计算机图象法控制技术也在80年代研究成功，如水电部电力建设研究所研制成功DL-64固态图象传感器进行焊缝跟踪的装置。80年代还发展了微型计算机图象处理焊缝对中技术和微型计算机模式识别自动检测焊缝缺陷技术，开发了计算机辅助设计CAD系统，并都已取得实际应用成果。焊接用机械手中国也于70年代末研制成功。上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作，研制成功用于上海牌轿车底盘焊接的直角坐标、四个轴的焊接机械手。哈尔滨焊接研究所研制的五轴示教型机械手是一种通用性很强的焊接自动化机械，可用于CO2焊、氩弧焊、等离子弧焊等多种焊接方法和切割。在引进国外技术的基础上，中国于70年代末开始发展焊接机器人及采用计算机对多台焊接设备进行群控的技术。1985年哈尔滨工业大学研制成功中国第一台HY-1型焊接机器人。1987年北京机床研究所为天津自行车二厂研制出用于焊接自行车前三角架的TJR-G1型弧焊机器人，为“二汽”研制出用于焊接东风牌汽车系列驾驶室及车身的点焊机器人。上海交通大学研制的“上海1号”、“上海2号”和广州机床研究所等研制的示教型机器人也都具有可供弧焊或点焊的功能，有的还有自动跟踪、寻找起始点和保持姿势等功能。90年代初，自行设计、开发、制造并投入运行的中国第一台点焊机器人，成功地应用在卡车驾驶室装焊生产线上。轿车车身焊装线上也应用了机器人技术。据1997年不完全统计4，全国使用焊接机器人的企业约70家，共约500余台，机器人焊接工作站约300个，其中国产的约占6%。中国工厂目前所安装的焊接机器人，其技术水平达到国际从70年代末到90年代初的不同水平。国内已具备点焊、弧焊机器人设计制造能力的厂家近10家，有10余所大学和研究所具有多年从事机器人焊接相关技术的研究历史，取得了许多达到国际先进水平的学术成果和较高水平的应用技术成果。1997年，沈阳第一机床厂与沈阳自动化研究所合作，北京首都钢铁公司与日本株式会社安川电机等合作，已开始建厂生产以焊接机器人为主的专门产业，合作发展焊接机器人。现代焊接自动化的主要标志是焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化。80年代中期，中国开始发展焊接专家系统和开发焊接智能技术。1986年前后，中国的一些高等学校已开始研究焊接软件，以后一些科研院所和企业也进行了焊接软件的开发工作。1988年南昌航空工业学院方宇洞等尝试用PROLOG语言开发出铝合金焊接方法的选择专家系统。同年清华大学施克仁等用LISP语言编写出一个焊接材料选择系统。以后，天津大学、上海交通大学、哈尔滨锅炉厂等也分别研制了焊接材料选择专家系统、低合金高强度钢冷裂纹专家系统演示原型。进入90年代后，中国加快发展焊接生产中计算机应用技术步伐，跟踪模拟与仿真、离线编程、人工神经元网络、模糊控制、机器人协调控制、柔性生产线等应用技术发展较快。仅焊接专家系统而言，到1993年中国已发表的焊接过程专家系统有近20个。1995年清华大学陈丙森等推出商品化的“通用型弧焊工艺专家系统”，该系统具有良好的适应性和简洁、方便、友好的人机接口装置。与此同时，使用计算机控制的焊接设备如管管板TIG自动焊机、球形储罐全位置自动焊机等先进的自动化焊接设备已在生产中使用，也有一些厂家利用CAD设计软件直接与数控切割机接口进行相贯线等复杂曲线工件的下料，大大提高了焊接结构的制造质量和生产率。需要指出的是，中国焊接软件的研制开发与应用，与国外相比还有很大差距，特别是真正形成商品化的软件很少。由于缺乏软件开发的经验，以及受到较多限制的原因，中国计算机软件的发展对比于国外相对滞后。即使开发了软件原型，也因种种原因而难以使研制的软件最终成为商品化的产品推广应用。还由于中国执行的焊接标准与国外有所不同，自主开发适应国情厂情的焊接应用软件是唯一可行的道路。计算机技术日新月异的发展已成为推动各行各业技术革命的主要力量。为了迅速开辟焊接生产中的计算机应用技术，焊接学会与焊接协会联合，分别于1992年9月及1996年10月在山西太原召开了“计算机在焊接生产中的应用与技术交流会”5，充分认识到开发焊接应用软件是在焊接生产中推广应用计算机技术的关键。商定组织有待发展的重要软件的协调开发，在有限的目标上跟踪和赶上世界高新技术发展。因此大大地推动了中国焊接工程应用计算机技术的进程。3焊接机器人技术研究建立流水式的焊接生产线为最大限度地实现焊接机械化与自动化创造了条件。中国的焊接生产，逐步发展了焊接自动机、焊接中心和焊接生产线机械化自动化技术。中国在60年代初期开始发展焊接生产线，例如哈尔滨锅炉厂、沈阳变压器厂等相继建立了锅炉蛇形管、变压器散热器管焊接件的自动生产线，取得了显著的成绩。70年代焊接生产线机械化自动化技术发展较快，例如：轻工行业的上海自行车厂、天津自行车厂等发展了自行车车架钎焊生产线，实现由管子和管接头等12个零件在自动控制下进行盐溶钎焊生产；汽车行业的南京汽车制造厂等发展了汽车后桥壳及总成装置生产线，车轮合成自动装焊生产线；锅炉行业的中小直径管(体)节焊接生产线；石油行业的直缝管、螺旋缝管焊接自动生产线；建筑行业的钢筋网装焊自动或半自动生产线等。到70年代末，相当多的批量较大的焊接结构生产，都程度不等地发展应用了各种类型的焊接生产线技术。由于自动控制系统、可编程序控制器、微处理机和计算机技术等在焊接生产中的应用，80年代以后，中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制，用自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接生产自动线，较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中，不断提高焊接生产的自动化程度。例如：发展了12极锅炉模式壁焊接中心、CA141车轮合成内环缝焊接中心、轻型汽车车轮合成内环缝焊接中心、EQ140车轮合成内环缝焊接中心等；焊接自动生产线有：汽车车轮合成冲焊自动装焊线，汽车车身装焊线，轻型越野汽车车身总成装焊线，汽车半轴合成闪光对接焊自动装焊线或双头CO2焊机多工位自动装焊线、摩托车车架装焊线等。汽车桥壳改成冲焊工艺后，重型汽车引进了奥地利斯太尔91系列桥壳工艺，建立了一条年产2万根桥壳的生产线。该线采用双头自动焊机焊接桥壳纵焊缝，做到不开坡口一次成形，焊透率达70%。后盖环缝采用Ar+CO2混合气体保护焊。湖北随州钢圈厂等建立了以型材卷圆机、闪光对焊机、挡圈扩切组合机和车轮试验台等组成的车轮轮辐合成生产自动线。80年代中期以后，汽车、摩托车等行业发展焊接生产线上应用机器人焊接技术突出，在中国现代的工厂里可以看到那一排排焊接机器人正在挥舞着钢铁的臂膀认真操作的场景。1986年嘉陵工业股份有限公司(集团)引进美国焊接机械手，与原有车架焊接生产线结合，形成了5条先进的专业生产线。“七五”计划期间，几乎所有主要汽车制造厂都对车身装焊生产线进行了改造，较多地在车身装焊线上应用机器人焊接技术。1987年在早先建成的CA141型驾室装焊线上装备了一台联邦德国KUKA公司的LR662/100点焊机器人，用来点焊车身顶盖上的99个焊点。南京汽车制造厂、北京汽车制造厂、天津汽车制造厂等新车身装焊线在改造后也采用了弧焊或点焊机器人。大客车和专用车的车身生产中传统手工钣金工作业已逐步由机械化代替，车身、车架装焊生产线机械化自动化程度大大提高。进入90年代后，中国焊接界把实现焊接生产机械化、自动化作为战略目标，已在各行业的科技发展规划中付诸实施。大力发展焊接生产自动化和过程控制智能化技术，发展焊接生产线和柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等。1993年6月在青岛召开的中国焊接学会第七次全国学术会议就是以“焊接先进技术与自动化”为主题内容，1995年5月在合肥召开了全国机械行业焊接自动化研讨会。这两次会议对中国焊接生产机械化自动化技术发展应用起到推动作用。到“八五”计划末期，国产CO2半自动焊机在全国推广使用的范围迅速扩大，自动钨极氩弧焊、垂直自动立焊与横焊、多头电阻点焊等得到较普遍应用。建立了如电站锅炉蛇形管组焊及系统弯管自动生产线、膜式水冷壁管排钢管组装和焊接自动生产线、锅炉钢结构H型钢焊接流水生产线等。东方锅炉厂周有培等研制投入生产实际的新二条蛇形管自动生产线于1995年通过鉴定，具有90年代国际先进水平。西安重型机械研究所研制的219mm钢管直缝高频连续焊接机组，由20余台单机和机组组成的全连续生产线采用PLC控制系统，实现了开卷矫平、剪切对焊、活塞储存等一系列动作的自动工作制，填补国内空白，达到国际同类产品水平。锅炉集箱密排短接管焊接生产线、推土机及挖掘机部件焊接生产线等都采用了机器人技术。“二汽”建立了以焊接机械手和机器人为主的东风牌汽车系列驾驶室及车身的焊接生产线，达到国际90年代先进水平。“一汽”副车架厂在几千平方米的面积上使用27台弧焊机器人，白山市轿车厂开发了奥迪车门铝合金弧焊机器人工作站，嘉陵工业股份有限公司(集团)开发了摩托车车架弧焊机器人焊接生产线。上海大众轿车厂等企业也发展了点焊机器人焊接汽车侧框(墙)柔性生产线技术，工程机械行业的山东潍坊推土机厂、合肥日立挖掘机厂等都发展了弧焊机器人焊接车架及框架组件。柳州工程机械厂、常州林业机械厂等厂的工程机械构件生产已建成5条较先进的机器人柔性焊接制造系统FMS，等等，说明中国焊接生产线机械化自动化技术发展应用，已由传统机械化自动化向现代自动化方向发展。31焊接机器人图1 焊接机器人的基本组成a)弧焊机器人 b)点焊机器人焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。1311 焊接机器人的组成焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。312 焊接用机器人的主要结构形式及性能图2 焊接用机器人的基本结构形式a) 平行四边形式机器人 b) 侧置式（摆式）机器人世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节式机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如图2a、b所示。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人，已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载100150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。 上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺取电机通过摆线针轮（RV）减速器（13轴）及谐波减速器（16轴）驱动。在80年代中期以前，对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而80年代后期以来，各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点（TCP）的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹，如图3所示。图3 有无自动优化路径功能的机器人其运动轨迹的对比度313点焊机器人的特点点焊机器人（如图4所示）的基本功能 点焊对所用的机器人的要求是不很高的。因为点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。对于用与变压器分离的焊钳，3045kg负载的机器人就足够了。但是，这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接；另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一般都选用100150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。图4 120公斤点焊机器人图5 电伺服点焊钳示意图 点焊机器人的焊接装备，由于采用了一体化焊钳，焊接变压器装在焊钳后面，所以变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器可以用50Hz工频交流，而对于容量较大的变压器，已经开始采用逆变技术把50Hz工频交流变为600700Hz交流，使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600700Hz交流电焊接，也可以再进行二次整流，用直流电焊接。焊接参数由定时器调节，参见图1b。新型定时器已经微机化，因此机器人控制柜可以直接控制定时器，无需另配接口。点焊机器人的焊钳，通常用气动的焊钳，气动焊钳两个电极之间的开口度一般只有两级冲程。而且电极压力一旦调定后是不能随意变化的。近年来出现一种新的电伺服点焊钳，如图5所示。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，码盘反馈，使这种焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置。而且电极间的压紧力也可以无级调节。这种新的电伺服点焊钳具有如下优点： 1）每个焊点的焊接周期可大幅度降低，因为焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程、焊钳就可以开始闭合；而焊完一点后，焊钳一边张开，机器人就可以一边位移，不必等机器人到位后焊钳才闭会或焊钳完全张开后机器人再移动； 2）焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞或干涉尽可能减少张开度，以节省焊钳开度，以节省焊钳开合所占的时间。 3）焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，减少撞击变形和噪声。3. 1. 4弧焊机器人的特点弧焊用机器人（如图6所示）的基本功能 弧焊过程比点焊过程要复杂得多，工具中心点（TCP），也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。所以，弧焊用机器人除了前面所述的一般功能外，还必须具备一些适合弧焊要求的功能。 虽然从理论上讲，有5个轴的机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状的焊缝，用5个轴的机器人会有困难。因此，除非焊缝比较简单，否则应尽量选用6轴机器人。 弧焊机器人除前面图2提及的在作“之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接时，其轨迹应能贴近示教的轨迹之外，还应具备不同摆动样式的软件功能，供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机器人也应自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。 弧焊机器人用的焊接设备 弧焊机器人多采用气体保护焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等的焊接电源都可以装到机器人上作电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。近年来，国外机器人生产厂都有自己特定的配套焊接设备，这些焊接设备内已经播人相应的接口板、所以在图1a中的弧焊机器人系统中并没有附加接口箱。应该指出，在弧焊机器人工作周期中电弧时间所占的比例较大，因此在选择焊接电源时，一般应按持续率100来确定电源的容量。 送丝机构可以装在机器人的上臂上，也可以放在机器人之外，前者焊枪到送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝的稳定性，而后者软管校长，当机器人把焊枪送到某些位置，使软管处于多弯曲状态，会严重影响送丝的质量。所以送丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的问题。图6 弧焊机器人32焊接机器人的应用国际上80年代是焊接机器人在生产中应用发展最快的10年。我国工厂从90年代开始，应用焊接机器人的步伐也显著加快。应该明确，焊接机器人必须配备相应的外围设备组成一个焊接机器人系统才有意义。国内外应用较多的焊接机器人系统有如下几种形式：（1） 焊接机器人工作站（单元）如果工件在整个焊接过程中无需变位，就可以用夹具把工件定位在工作台面上，这种系统既是最简单不过的了。但在实际生产中，更多的工件在焊接时需要变位，使焊缝处在较好的位置（姿态）下焊接。对于这种情况，变位机与机器人可以是分别运动，即变位机变位后机器人再焊接；也可以是同时运动，即变位机一边变位，机器人一边焊接，也就是常说的变位机与机器人协调运动。这时变位机的运动及机器人的运动复合，使焊枪相对于工件的运动既能满足焊缝轨迹又能满足焊接速度及焊枪姿态的要求。实际上这时变位机的轴已成为机器人的组成部分，这种焊接机器人系统可以多达7-20个轴，或更多。最新的机器人控制柜可以是两台机器人的组合作12个轴协调运动。其中一台是焊接机器人、另一台是搬运机器人作变位机用。焊接机器人工作站由图7所示的各单元构成图7 IGM焊接机器人一机双工位工作站（2） 焊接机器人生产线焊接机器人生产线（如图8所示）比较简单的是把多台工作站（单元）用工件输送线连接起来组成一条生产线。这种生产线仍然保持单站的特点，即每个站只能用选定的工件夹具及焊接机器人的程序来焊接预定的工件，在更改夹具及程序之前的一段时间内，这条线是不能焊其他工件的。另一种是焊接柔性生产线（FMS-W）。柔性线也是由多个站组成，不同的是被焊工件都装卡在统一形式的托盘上，而托盘可以与线上任何一个站的变位机相配合并被自动卡紧。焊接机器人系统首先对托盘的编号或工件进行识别，自动调出焊接这种工件的程序进行焊接。这样每一个站无需作任何调整就可以焊接不同的工件。焊接柔性线一般有一个轨道子母车，子母车可以自动将点固好的工件从存放工位取出，再送到有空位的焊接机器人工作站的变位机上。也可以从工作站上把焊好的工件取下，送到成品件流出位置。整个柔性焊接生产线由一台调度计算机控制。因此，只要白天装配好足够多的工件，并放到存放工位上，夜间就可以实现无人或少人生产了。工厂选用哪种自动化焊接生产形式，必须根据工厂的实际情况及素要而定。焊接专机适合批量大，改型慢的产品，而且工件的焊缝数量较少、较长，形状规矩（直线、圆形）的情况；焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。柔性焊接线特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况，目前国外企业正在大力推广无（少）库存，按订单生产（JIT）的管理方式，在这种情况下采用柔性焊接线是比较合适的。图8 焊接机器人生产线4我国焊接机器人技术我国制造业中焊接机器人的应用主要是在20世纪90年代以后(个别企业在80年代中期)，经历了摸索阶段，近5年来焊接机器人的数量增加很快，特别是在汽车制造业。根据到2001年的统计，全国共有各类焊接机器人1040台，其中弧焊机器人多于点焊机器人，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76，是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人较少；而零部件厂弧焊机器人多，点焊机器人较少。该行业中点焊与弧焊总的比例约为3：2。其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械(10)、摩托车(6)、铁路车辆(4)、锅炉(1)等行业。焊接机器人分布在全国各个经济地区，但主要集中在东部沿海和东北地区。东部的上海和东北的长春这两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。今后应重点放在扩大应用领域，使更多行业用上焊接机器人。 我国从上世纪80年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近20年来取得不少的成果。但是由于没有和企业联合，长期没能形成有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人主要由高校或科研单位组织生产，还没能形成批量。因此，我国企业装备的焊接机器人90以上是从世界各知名机器人厂家进口的。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台7-8万美元降低到2-3万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得所生产的机器人需要配套进口的零部件，使价格难以降低。 日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。日本的工业机器人是在几家原本就具备机器人相关技术的企业的基础上发展起来的，例如FANUC原本是生产数控设备的，YASKAWA原本是制造伺服电机的，PANASONIC原先就是著名的电器厂商。他们与高校结合，很快就能形成工业机器人的规模生产能力，加上政府用政策与资金支持企业扩大应用工业机器人，促进了日本机器人产业的迅速发展。我们应从中吸取日本发展机器人整个过程的各方面成功经验。当前世界各国在发展工业机器人产业方面有三条不同的道路：(1)机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，而各行业需要的机器人成套系统，一般由其子公司或社会上的工程公司来设计制造，并完成交钥匙工程(暂称为“日本模式”）；(2)机器人制造厂商自己既生产机器人又设计制造用户所需要的系统，完成交钥匙工程(暂称为“欧洲模式”）；(3)本国基本不生产一般工业机器人，企业需要的机器人系统由工程公司用进口的机器人自行设计制造外围设备并成套，完成交钥匙工程(暂称为“美国模式”)。目前我国需要研究我们的机器人产业应走什么道路的问题。我们认为应从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是，我国已经形成一批焊接自动化系统集成工程公司，可以完成焊接机器人工作站的设计、设备集成与技术咨询工作。现在我国使用的焊接机器人工作站有近20是在国内由中国的工程师采用进口的机器人，配合自行设计的外围设备而集成的。但是比较复杂的焊接机器人生产线或焊接FMS大多还需要全套从国外进口。今后，应促使这些工程公司做大做强，政府应以政策鼓励企业采用我国自行成套的焊接机器人系统，而我国的工程师应进一步加强和国外的机器人厂家和集成公司的合作与技术交流，使国内应用的焊接机器人系统中自行成套的焊接机器人工作站迅速增多，促进我国机器人产业的成长。5焊接机器人的最新应用技术51 TCP(tool center point工具中心点)自动校零技术焊接机器人的工具中心点就是焊枪的焊丝的端点，因此TCP的零位