（机械制造及其自动化专业论文）平面型弧焊机器人的研究与开发.pdf

摘要 摘要 焊接是现代制造业中最重要的工艺技术之一，提高焊接质量的稳定性和可靠 性至关重要。限于经济和技术的原因，我国的焊接生产作业基本还是手工操作， 改变这种状况的唯一途径是采用自动焊接技术，焊接机器人是代替工人进行焊接 操作的最佳自动化工具。j 一 以焊接生产中最普遍的一种形式平焊缝为研究对象，根据其工艺要求， 研制了一种焊接质量优、可靠性高、通用性强、操作简便、成本低廉的平面型弧 焊机器人。主要内容如下： 介绍焊接机器人技术的应用现状与发展趋势。 分析平焊过程的工艺要求，明确平面型弧焊机器人设计的总体目标与方案。 设计多自由度的弧焊机器人机械结构。 按照“p c 机+ 运动控制卡”的方案，组建控制系统的硬件结构。 以v i s u a lb a s i c 语言开发运动控制系统软件。 机器人与通用的c 0 2 气体保护焊机配套进行焊接性能测试实验。 实验结果表明，弧焊机器人能实现平面形状焊缝的匀速自动焊接，焊缝成形 良好、效率高，控制系统运行准确、可靠，平面型弧焊机器人系统总体技术方案 合理，工作性能稳定。 关键词：焊接机器人，c 0 2 焊，运动控制卡，v i s u a lb a s i c a b s t r a c t a b s t r a c t w e l d i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to f m o d e r nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s i t i se s s e n t i a lt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fw e l d i n gq u a l i t y b e c a u s eo f e c o n o m i c sa n dt e c h n o l o g y , b a s i cw e l d i n gp r o d u c t i o ni sm a n u a li no u rc o u n t r y t h e u s eo fa u t o m a t i cw e l d i n gi st h eo n l yw a yt oc h a n g et h i ss i t u a t i o n t h ew e l d i n gr o b o t i st h eb e s ta u t o m a t i o nt o o l st or e p l a c em a n u a lo p e r a t i o n p l a n a rw e l d i n gi st h em o s tc o m m o nf o r mi nw e l d i n gp r o d u c t i o n ap l a n a r w e l d i n gr o b o t ，w h i c hi sl o w - c o s t ，u n i v e r s a la n dr e l i a b l e ，i se m p o l d e r e da c c o r d a n c e w i t hw e l d i n gt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t si n t h i sp a p e r m a i nc o n t e n t sa r e ： t h ed e v e l o p m e n tt r e n d sa n d a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f r o b o tt e c h n o l o g y t h ed e s i g ns c h e m ea n do b j e c t i v eo fw e l d i n gr o b o ta c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t so f t h ew e l d i n gp r o c e s s 。 m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ew e l d i n gr o b o tw i t hm u l t i - d e g r e e t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi na c c o r d a n c ew i t ht h e ”p c + m o t i o n c o n t r o lc a r d ”m o d e t h e d e v e l o p m e n t o fm o t i o nc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew i t hv i s u a lb a s i cl a n g u a g e t h ep e r f o r m a n c et e s to fw e l d i n gr o b o t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp l a n a ru n i f o r m w e l d i n gs e a mc a nb ea c h i e v e d w i t ht h ew e l d i n gr o b o ta n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ew e l d i n gr o b o ti sr e li a b l ea n d s t a b l e k e yw o r d s ：w e l d i n gr o b o t ，c 0 2w e l d i n g ，m o t i o nc o n t r o lc a r d ，v i s u a lb a s i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰妲孝乏 签字日期：删年专月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：兰蚁拖 签字日期：剔年 ；月 2 - 日 聊躲幻f 3 伦 签字吼研年；月日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 国内外焊接机器人技术的应用现状与发展趋势 1 1 1 工业机器人的发展历程 工业机器人是当今世界上最引人注目的高新产品之一，机器人技术作为先进 制造技术的典型代表和主要技术手段，对提升企业技术水平、稳定产品质量、提 高生产效率等方面起到重要作用。机器人最早出现在美国，美国的g c 戴沃尔 于1 9 5 4 年发表了“通用重复性机器人”专利论文，第一次提出了“工业机器人” 和“示教再现的概念【2 】。 自从美国u n i m a t i o n 公司于1 9 5 9 年推出世界上第一台工业机器人以来，机 器入的应用和技术发展经历了三个阶段1 3 】： 第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈 能力，适应工作环境变化的能力差，目前仍在一些工业生产线上应用着。 第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能 力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整 工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。 第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、 行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更 加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。 1 9 6 7 年日本从美国引进u n i m a t e 和v e i s a t r a n 等类型的工业机器人以后，仅 用了1 0 年左右的时间，便形成了自己的机器人产业，成为世界上应用和生产机 器人最多的国家，其工业机器人的安装数量约占全世界的6 0 列4 1 。 我国机器人的研究和开发可追溯到六十年代。到七十年代中后期，国内开始 有少数研究所与大学，如中科院沈阳自动化所、哈工大、上海交大、北京机械工 业自动化所、大连组合机床所等，开展了基于示教再现或遥控操作的工业机器人 实验样机的研制。但是，到八十年代中期8 6 3 计划实施前，全国还没有一台示教 再现式关节型机器人产品问世。l9 8 6 年发展机器人技术被列为国家高科技发展 计划，把机器入主题的目标大胆定位于当时国际上关注的热点智能机器人 上，研究方向是积极跟踪世界先进水平。在8 6 3 计划实施5 周年的时候，邓小平 同志提出“发展高科技，实现产业化 的目标，在国内市场需求的推动下，将工 业机器人的应用工程作为研究的重点之一，提出以应用带动关键技术和基础研究 第一章绪论 的发展，以后又列入“八五、九五计划中，经过十几年的持续努力，在机 器人的基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并形成了适合 我国国情的工业机器人应用领域【5 1 。 】1 2 焊接机器人的应用现状 焊接机器入是从事焊接工作的工业机器人，它是在工业机器人的基础上发展 起来的一种先进的焊接设备，主要应用于工业自动化领域1 6 】。焊接机器人具有焊 接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工 程机械、通用机械、金属结构、化工和兵器工业等行业，主要用于完成焊接、装 配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。日本、北美、欧洲、韩国等工业经济 发达地区是工业机器人生产和应用的主要地区。从世界上工业机器人应用的统计 来看，目前全世界已有近1 0 0 万台机器人投入使用，其中主要应用领城是焊接， 尤其是在汽车生产国，焊接机器人占全部机器人的4 5 以上【7 】。据国际机器人联 合会及联合国欧洲经济委员会统计，1 9 9 6 年到2 0 0 0 年期间，工业机器人的需求 量以每年1 3 的速度增长瞵j 。 一。 目前，国际上商品化工业机器人的厂家比较多，按地域主要分布在德国、瑞 典、意大利、奥地利、美国、日本等国家和地区。日本品牌的焊接机器人具有较 好的价格优势；欧美企业大多关注大型项目，针对大型的工矿企业提供，比如全 套的汽车焊接生产流水线，采取多机器人协调、离线编程或者虚拟示教等方式进 行工作；而亚洲企业的客户多是“散户”，针对中小型企业。 我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术和关键元器件方面取得重大进 展，形成了点焊焊接机器人，实现了小批量生产。随着我国制造业的兴起，我国 企业对工业机器人的需求快速增长。目前，日本、美国、瑞典、德国等国家的机 器人企业大都在中国设立办事处或者生产基地，进而抢占中国的工业机器人市 场。比如，松下公司在唐山设立唐山松下产业机器有限公司，发那科公司在上海 设立办事处，这对我国企业来说既是挑战更是机遇。作为国外企业来说，进入中 国市场必需能够提供适合我国生产企业状况的产品，然而目前进口机器人自动化 生产线存在严重的“水土不服 ，“2 0 0 0 年仅从瑞典和日本两国就引进机器人 1 0 0 0 台。但是，在引进的机器人自动化生产设备中，有近一半处于不能正常运 行的状态，其中问题较大的占3 3 ，根本不能用的高达1 6 ”p j 。 据分析，进口机器人“水土不服”的主要原因是：国外系统不适合国内企业 的工艺现状：国内人员素质较低，培训跟不上；系统选型不合理，配置不当；缺 乏足够的售前和售中技术支持，售后服务跟不上；国外机器人配件订货周期较长， 甚至影响企业的正常生产。专家指出，国外机器人产品不仅价格昂贵，而且使用 2 第一章绪论 效果并不理想，国内工业机器人在价格、技术支持、售后服务和工程设计、实施 等方面占据较大优势。这为我国自主生产机器人，满足国内市场需求，发展国产 机器人及其自动化成套装备产业，提供了良好的机遇【9 1 。 1 j 1 3 焊接机器人技术的研究现状 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术，典型的焊接机器人系统主要包括机械结构、 焊接设备、运动控制器、交流伺服电机、控制算法以及路径规划、示教以及配套 的变位机等方面，这些技术经过若干年的发展，已经比较成熟，能够达到工业应 用的要求。 1 焊缝跟踪技术 焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接条件的变化要求焊接机器人能够实时检 测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝跟 踪技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主，其中传感技术的研究又以电弧 传感器和光学传感器为主。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差 信号，实时性好，焊枪运动灵活，符合焊接过程低成本自动化的要求，适用于熔 化极焊接场合。光学传感器的种类很多，主要包括红外、光电、激光、视觉、光 谱和光纤式，光学传感器的研究又以视觉传感器为主，激光跟踪传感具有优越的 性能，成为最有前途、发展最快的焊接传感器f l 。 2 离线编程与路径规划技术 离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立 起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作， 在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技 术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术j 。离线编程技术 的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件的模型，离线编程系统中的专家 系统会自动制定相应的工艺过程，最终生成整个加工过程的机器人程序 1 2 - 1 3 j 。 3 多机器人协调控制技术 多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成 一体的系统。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调l l 。当给 定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任 务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效地合作。 当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变为如何保持机器人间的运动协调 一致，即多机器人协调。智能体技术是解决这一问题的最有力的工具，多智能体 系统是研究在一定的网络环境中，各个分散的、相对独立的智能子系统之间通过 第一章绪论 合作，共同完成一个或多个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协调控制是目 前的一个研究热点问题1 1 3 。 4 专用弧焊电源 焊接机器人一般采用熔化极气体保护焊( m i g 焊、m a g 焊、c 0 2 焊) 或非 熔化极气体保护焊( t i g 、等离子弧焊) 方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要 使用晶闸管电源与逆变电源。近年来，弧焊逆变器的技术己趋于成熟，机器人用 的专用弧焊逆变电源大多为单片微机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的 波形控制和模糊控制技术，工作频率在2 0 5 0 k h z ，最高的可达2 0 0 k h z 。还有一 些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金t 1 g 焊的方波交流电源、带有专家系 统的焊接电源等。目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好保证焊缝 熔宽和熔深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减少焊接缺陷。弧焊电源 不断向数字化方向发展，其特点是焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器 件老化等因素的影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成型良好【1 0 1 。 5 仿真技术 机器人在研制、设计和实验过程中，经常需要对其运动学、动力学性能进行 分析以及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动 学和动力学问题十分复杂，计算难度都很大。若将机械手作为仿真对象，运用计 算机图形技术、c a d 技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显 示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环 境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，这样就可以很好地解决研 发机械手过程中出现的问题【1 0 】。 6 机器人用焊接工艺方法 目前，焊接机器人普遍采用气体保护焊方法，主要是熔化极气体保护焊，其 次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限、比例较低。 国外先进国家的焊接机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气 体保护焊、t i m e 焊、热丝t i g 焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工 艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至 几十倍【l o 】。 7 嵌入式控制技术 嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在焊接机器人 控制领域得到了应用，嵌入式控制系统具备网络和人机交互能力，可以取代以往 基于微处理器的控制方式【l6 1 。嵌入式控制器具有液晶显示器，可以替代c r t 显 示器在控制系统中所扮演的角色，键盘响应也具有很高的实时性，满足信息的输 入和对控制系统的干预等工作。经实验和实际应用表明，嵌入式控制器比基本的 4 第一章绪论 模糊控制器具有更好的控制性能。 8 遥控焊接技术 遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程 监视和控制，从而完成完整的焊接工作。在核电站设备的维修，海洋工程建设以 及未来的空间站建设中都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现 场，而目前的技术水平还不可能实现完全的自动焊接；因此需要采用遥控焊接技 术。目前美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业 大学也正在进行这方面的研究f1 2 】。 当前焊接机器人技术的研究也面临着很多问题。首先，由于我国的工业机器 人技术起步较晚，对国际上成熟的焊接机器人产品以及关键技术掌握不足，尤其 是在焊接机器人新技术的发展上无法及时跟进。第二，国内数字焊机研究还处于 起步阶段，数字化焊机的研制主要集中在少数高校3 1 ，数字焊机发展面临着如 何从实验室走向市场实现商品化问趔1 4 】。第三，运动控制器是制约焊接机器人 应用的另一个重要因素，目前我国己经有多轴控制器产品，但是这些设备在可靠 性、稳定性上需要进一步检验，必须和工业机器人生产企业进行结合。第四，由 于我国现在交流伺服电机技术并不成熟，使用交流伺服电机时多采用国外成熟品 牌产品，这增加了生产成本，降低了选型的灵活性和市场竞争力。但是，国内机 器人产品的开发和应用，成功改变了国外品牌价格虚高的情况，国外产品价格从 每台7 8 万美元降到2 3 万美元【b 】。第五，焊接机器人手臂的形状不规则而且 体积较大，这给机械制造提出了新的问题。第六，路径规划技术，现在大多采用 示教以及轨迹重现的方式，因此，从应用角度来说技术的差异并不是很大，但是 国外己经推出了成熟的产品，而国内现在只有哈尔滨新松机器人公司能够推出成 套的焊接机器人系统。第七，示教方式、多机器人协调等，国外企业在满足现有 生产应用的同时，不断开发新技术来提高工业机器人应用水平，这些技术无疑是 推广工业机器人应用的有效手段，将工业机器人与其它生产资源相结合，进一步 提高了生产效率，而国内企业多采用示教方式，还未见到采用离线编程的产品。 1 1 4 焊接机器人技术的发展趋势 随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人 也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工系统 方向发展【1 7 1 8 】。 1 离线编程、虚拟示教 现有工业机器人多采用示教盒示教，需要生产人员现场参与，占用了生产时 间，降低了劳动生产率，而且焊接精度依赖于操作工人的经验，但是相对来说比 第一章绪论 较简单直接。离线编程是利用计算机图形学的成果，建立起机器人机器工作环境 的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作在脱离生产线的情况下对 机器人的轨迹进行轨迹规划【1 9 】。离线编程是一种相对高级的编程方式，包括了 建模、算法、仿真等相关专业的知识，开发难度大、周期长，。但是可以远程操作， 示教过程不占用生产时间，实现复杂运动轨迹的编程，使用规划技术可以实现最 佳路径规划。虚拟示教是在离线编程基础上发展起来的，它吸取了离线编程和直 接示教的优点。虚拟示教就是借助于虚拟现实系统中的人机交互装置操作计算机 屏幕上的虚拟机器人动作，然后利用应用程序界面记录示教点位置、动作指令并 生成作业文件，最后下载到机器人控制器后，完成机器人的示教1 2 们。 2 视觉控制 焊接机器人视觉控制技术是通过对焊接区图像进行采集，产生视频信号送至 图像处理机，对图像进行快速处理并提取跟踪特征参量，进行数据识别和计算， 通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值，最后控制高精度的末端执行机 构，调整机器人的位姿。视觉控制的关键在于视觉测量，在焊接过程中视觉技术 分为直接视觉传感和间接视觉传感二种形式。直接视觉传感技术是一种常用的非 接触式传感形式，其主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信 息量大，通用性强。早先，研究人员直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获 取焊接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光强度的闪烁来实现焊接过程 中的焊缝跟踪；典型的例子是利用带有c c d 摄像机的微型计算机控制系统对焊 接熔池行为进行观察和控制；现在，基于激光三角形的视觉系统具有高度的灵活 性，价格低，精度高，获取信息能力强，且不受周围噪声和电弧产生的高温影响， 其获得的信息可以用于多种自适应功能【2 0 】。 3 焊接过程的动态控制、熔池信息提取 熔池信息提取是决定和检验焊接质量的关键环节。尽管焊接机器人焊接质量 有良好的一致性，但是焊接过程中实时信息的提取，对于在焊接过程中实时校正 焊接质量有重要意义【2 1 1 。熔池信息提取主要有两种方式：一是建立在传热学理 论基础上的温度场计算，由于在设计其考虑因素时忽略了一些影响因素，从而使 得模型与实际有区别，因而使用这种数学分析的方法不能得到满意的结构；二是 利用传感器进行温度场检测，这主要是利用红外c c d 摄像机，这是焊接领域中 研究的一个热点问趔2 2 2 3 】。 4 模糊控制技术 由于焊接机器人系统具有非线性和时变特点，难以用精确的数学模型进行描 述，用传统的控制方法难以实现最佳控制，而模糊控制具有自适应和鲁棒性等特 点，它为机器人焊接控制提供了一个理想的控制方法。模糊控制是智能控制的较 6 第一章绪论 早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模 糊关系、模糊推理和决策等工具，巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经 典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合能够实现较满意的控制。在模糊控制 一理论方面，人们对常规模糊控制进行了改进，设计了一些高性能模糊控制器，有 效解决精度较低、自适应能力有限及设备产生振荡现象等问题1 2 。 5 神经网络控制技术 神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构、机理以及人的知识和经验对系 统进行控制，它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透1 2 0 。用 神经网络设计的控制系统适应性、鲁棒性均较好，能处理时变、多因素、非线性 等复杂焊接过程的控制问题。在机器人焊接质量控制中可采用神经网络建立焊接 过程模型从而解决线性控制方法所不能克服的问题，弥补传统专家系统以及模糊 控制的不足，现在焊接机器人神经网络控制系统中使用较多的是前馈式多层神经 网络【2 4 2 6 1 。 以上这些研究热点，一般来说研发周期比较长，研发难度比较大，而且研发 出来的成果需要接受具体工况的考验，对于企业来说，其应用成本也比较高。因 而，短期内很难出现商品化的应用。但是可喜的是，我国已经逐步跟进这些研究 热点，如成都电焊机研究所、哈尔滨焊接研究所以及南昌大学在焊缝跟踪和熔池 信息提取方面进行了深入的研究。 1 2 课题来源及研究意义 1 课题的提出 通过上述对国内外焊接机器人技术的应用现状及发展趋势的分析可知，焊接 作为机械制造工业的基本生产手段之一，提高焊接质量的稳定性和可靠性至关重 要。限于经济和技术的原因，我国的焊接生产作业基本还是手工操作，手工焊接 操作存在着工人工作量大、焊接生产率低、质量波动大、操作环境恶劣、劳动条 件差、强度大等缺点。因此改善焊接工作环境非常迫切，而采用自动焊接技术， 是改变上述状况的唯一途径，焊接机器人代替工人进行焊接操作的最佳自动化设 备。目前，通用型焊接机器人由于价格昂贵，一次性投资风险大，结构体积大、 重量大、不便灵活使用，加之我国焊接工人的知识结构所限，难以掌握复杂的机 器人语言编程开发控制程序，这在很大程度上制约通用型焊接机器人的应用和推 广。因此，在我国目前条件下，开发价格便宜、体积小、重量轻、结构紧凑、操 作简便的小型弧焊机器人，将具有广泛的市场前景。 课题来源于广西机电职业技术学院于2 0 0 6 年在广西教育厅立项的课题平 第一章绪论 面型弧焊机器人的研究与开发，该课题由广西机电职业技术学院课题组承担研 究，课题组根据工作单位现有开发条件，结合实际，理论研究和工程实践相结合， 完成课题的研究。 2 课题的研究意义 我国是当前世界上最大的焊接钢结构制造国，2 0 0 5 年我国3 4 9 亿吨的钢产 量中，焊接结构的用钢量突破1 3 亿吨，相当于美国一年的钢产量。我国的焊接 机构生产仍以手工焊接为主要生产工艺，焊接机械化、自动化率仅为3 5 ，相 当于日本2 0 世纪7 0 年代末的水平【8 】。由于手工电弧焊对操作人员技能要求高、 劳动强度大、生产环境差、材料和能源消耗高、生产效率低、质量稳定性差，严 重制约了企业产品的质量、规模、效益提升和产品竞争力，因此形成焊接结构生 产企业渴望实现焊接自动化的内在需求。 据统计，从2 0 0 1 年至2 0 0 5 年，全国在用焊接机器人台数仅从1 0 4 0 台增加 到2 7 0 0 台左右，与日本3 5 6 万台的使用量相距很大【8 1 。这是因为：自上世纪8 0 年代起，我国连续投入几亿元的资金，花了近2 0 年的时间，都尚未能实现具有 自主知识产权焊接机器人的国产化，致使焊接机器人价格昂贵、居高不下。且焊 接机器人对企业而言，存在使用人员素质要求高、维修难度大、功能过剩等多方 面的问题，致使企业对引入工业焊接机器人工作站实现焊接自动化心存疑虑，从 而形成供需矛盾。 广西的工业底子非常薄弱，先进的现代化机械加工设备较少。近年来广西的 工业发展与落后的生产设备形成了突出的矛盾。据了解，广西的制造业重点行业， 如汽车、工程机械、建筑机械、电力，都是焊接结构用钢大户，其中很多都是焊 接结构年用钢量达万吨以上的大型企业。经过对玉柴机器股份公司、广西建筑机 械厂、东风柳汽、上汽通用五菱、柳州工程机械等企业的调研了解到，广西建筑 机械厂的焊接工作任务非常饱满，由于设备落后，全部是手工操作焊接，只能靠 增加工人解决问题，该厂负责人十分希望研制适应他们工厂使用的自动焊设备。 玉柴机器股份公司工程机械公司的小型挖掘机、起重机产品很畅销，但其弯梁的 焊接仍靠手工操作，该公司有实力购买国外先进的机器人，但是，一次性投资大， 不一定适应该厂的生产，况且按目前工人的素质，也很难胜任先进焊接机器人的 操作。因此，如果研制出符合焊接工艺要求、价格便宜、操作方便的弧焊机器人， 肯定深受企业的欢迎，将具有较高的实用价值与经济效益。 因此，利用机电一体化技术与计算机硬件、软件相结合，选择已商品化的运 动控制卡研制开发可编程控制系统，配套目前企业普遍使用的c 0 2 气体保护焊 机、埋弧焊机等，可以实现低成本实用弧焊机器人的产品化，以填补本地区在焊 接自动化装备研制方面的空白，满足相关企业对高效、优质、低成本实现焊接自 8 第一章绪论 动化的市场需求。同时，该产品将对相关行业企业提高产品焊接质量、生产规模、 经济效益、改善生产环境、降低生产能耗、提高企业的经济效益具有重大意义， 为通用焊接机器人的应用与推广，提供有价值的参考。 1 3 课题研究的主要内容 1 研究总体目标 研制开发满足平面焊缝焊接工艺要求的平面型多自由度弧焊机器人，弧焊机 器入至少具有四个自由度，具备开发价格便宜，体积小、质量轻、结构紧凑，控 制软件开发简便，操作与调试维护方便，运行可靠性高的特点，能与通用的c 0 2 气体保护焊机等焊接设备配套使用，替代焊接工人去完成繁重、有害的焊接操作， 降低生产作业劳动强度，提高焊接工作质量，促进焊接机器人的应用和推广。 2 研究的技术路线与方法 ，一 一 通过对项目的可行性与市场需求进行分析，根据焊接对象即平面焊缝焊接的 工艺要求，确定弧焊机器人的总体方案设计，进而对弧焊机器人的机械结构和控 制系统的硬件、软件进行设计，待机械零件制造完成、控制系统的硬件准备完成 后即可组装样机，安装系统的控制软件并进行测试，最后对弧焊机器人系统进行 调试，选择通用焊机与之配套进行实验。分析弧焊机器人性能实验的结果，对存 在问题采取有效措施进行改进，最终形成弧焊机器人产品。 3 弧焊机器人的主要技术指标 ( 1 ) 实现x 、y 两轴运动，x 轴方向焊接范围5 0 0 m m ，y 轴方向焊接范围 3 0 0 m m ； ( 2 ) 适用于平面任意形状焊缝的自动焊接； ( 3 ) 焊枪焊接角度可调； ( 4 ) 可以实现无级调速； ( 5 ) 焊完自动抬起焊枪。 5 论文主要内容 ( 1 ) 介绍国内外焊接机器人技术的应用现状与发展趋势，给出课题的目标和 任务。 ( 2 ) 弧焊机器人的总体方案设计与机械结构设计。 ( 3 ) 弧焊机器人运动控制系统的硬件设计。 ( 4 ) 弧焊机器人控制系统的软件设计。 ( 5 ) 弧焊机器人与c 0 2 气体保护焊机配套进行平面焊接性能测试实验。 ( 6 ) 总结分析弧焊机器人设计的情况和焊接实验结果。 9 第二章弧焊机器人的总体方案设计及机械结构设计 第二章弧焊机器人的总体方案设计及机械结构设计 2 1 引言 在进行弧焊机器人系统的详细开发之前，必须进行系统的总体设计，总体设 计必须满足所开发系统的基本需求，对系统的各个硬件组成部分以及组成部分之 间的相互关系要有全局的理解，对每个组成部分做出详细的功能定义，为下一步 的详细设计构建一个合理的整体框架。， 2 2 焊接对象分析 焊接是机械制造工业的基本生产手段之一，通过深入到机械制造行业企业调 研了解到，焊接生产作业基本还是手工操作。在工业生产应用的诸多焊接方法中， 电弧焊是应用最为广泛、也是最重要的现代焊接方法之一。焊接生产中，由于平 焊位置时熔池处于最稳定的位置，容易得到成形良好、质量高的焊缝，因此，平 焊是焊接生产中最普遍的一种形式。考虑到平面结构焊接的普遍性，且结构相对 简单，具有一定通用性。因此，在设计过程中，选择如直线、斜线、方形、圆形 等形状的平面焊缝为研究对象，根据其工艺要求来设计弧焊机器人。 2 3 总体设计目标 研制开发一种能实现平面焊缝自动焊接工作的弧焊机器人。弧焊机器人的机 械结构应具有多个自由度，结构紧凑合理、通用性强，体积和重量较小，便于安 装调试，且功能具有扩展性；控制系统硬件构成合理，控制软件开发简便，可扩 展性强。弧焊机器人系统整体具备开发价格便宜，结构紧凑，使用操作简便，运 行可靠性高，焊接质量稳定等的特点，能与通用的c o ：气体保护焊机等焊接设 备及焊接装配夹具配套使用，控制系统的人机控制界面可视化，操作简便。 弧焊机器人系统能实现对平面多节点焊接结构部件上不同形状焊缝的均匀 焊接，可替代3 “名熟练焊接工人去完成任务繁重且有害的焊接操作，生产效率 比手工操作提高5 0 以上，焊缝表面平滑均匀、成形美观，焊缝质量优，达到焊 缝返修率 二是平行四边形结构，由上下臂组成，其上臂通过一根与下臂平行的拉 杆来驱动。 在机械结构设计过程中，考虑了以下的几种情况：一是在现有常用焊接机械 手基础上，加以改造，加装控制系统后，使其符合加工的需要；二是设计一种简 易型的悬臂式多自由度机械结构，满足一般小型工件平面或曲面焊接加工的需 要；三是考虑针对专门的工件及使用场合，设计专用的多自由度机械结构。 经分析对比，根据平面焊缝焊接时焊枪运动的分析，在同样的空间条件下， 侧置式结构要比平行四边形结构有更大的相对空间和绝对工作空间，结构紧凑， 动作和轨迹更灵活，也考虑到今后功能的扩展，因此弧焊机器人采用侧置式的机 械结构。 2 6 3 机械主体结构设计 根据弧焊机器人设计的总体目标与方案，其机械机构的设计要能满足平面焊 接的运动实现要求，机械结构的运动能带动焊枪达到工作的任意位置和姿态，同 时又考虑运动实现的功能扩展需要，各个运动机构的分配遵循以下原则：各轴运 动独立性强，运动之间的关联性小，各轴可以独立控制。 弧焊机器人的机械结构设计示意图如图2 2 所示，图2 3 为机械结构组成原 理图，图2 - 4 为样机主体机械结构外观图。弧焊机器人机械结构整体由五个轴组 成，整体结构主要包括支架、立柱、x 轴工作台、y 轴工作台、枪摆机构( 件 l 1 0 ) 等组成，各个轴都是采用步迸电机通过蜗杆涡轮减速机构驱动作往返或直 接作回转运动，通过x 、y 、z 、l 、s 这五个轴及枪摆机构的联合运动，可满足 不同形状的平面焊缝焊接的运动实现需要。 第= 章弧焊机器人的总体方案设计及机械结构设计 酶盘 崎尸属 固2 0 弧焊机器人的机械结构设计示意 ， - 1 0 2 ”1 4 51 7t b 2 1 i 焊枪；2 螺钉；3 寿央块4 右夹块5 摆动板6 固定臂；7 - 转盘8 琏接授 9 - z 步进电机；1 0 弯扳；】1 伸缩轴：1 2 外套：i3 上f l 轴；1 4 - l 步进电机；i5 - 旋转轴； 】6 - x 步进电机：1 7 s 步进电机；】8 - 导轨；1 9 支承架；2 0 沟槽：2 1 一y 步进电机 固2 - 3 弧焊机器 机械结构组成原理 图2 4 弧焊机器人样机主体机械结构 第二章弧焊机器人的总体方案设计及机械结构设计 弧焊机器人机械运动结构如下： 1 x 轴运动机构 x 轴即图2 3 的主视图左右方向，x 轴步进电机( 件1 6 ) 能驱动伸缩轴( 件 l1 ) 运动作左右移动，从而使焊枪( 件1 ) 作同样方向运动，可调整焊枪与立柱 之间的半径距离，用来调整焊接加工半径变化的要求。 2 y 轴运动机构 y 轴即图2 3 的左视图的前后方向，y 轴步进电机( 件2 1 ) 转动使导轨上的 机构整体作前后方向运动。 3 l 轴升降机构 l 轴即图2 3 的上下方向，l 轴步进电机为升降步进电机。它转动时通过上 升轴( 件1 3 ) 使轴套( 件1 2 ) 、x 步进电机( 件1 6 ) 、伸缩轴( 件1 1 ) 及枪摆机 构作上下运动，并带动焊嘴( 件1 ) 作同样运动。升降机构保证焊接工作过程中 焊枪与工件垂直方向的变化要求。 4 s 轴水平旋转机构 s 轴即绕z 轴旋转的方向，s 轴步进电机( 件1 7 ) 驱动机构上体绕z 轴转动， 水平旋转机构的作用是满足焊缝曲线水平投影的形状变化的要求，也可以使机器 人满足焊接位于机器入两侧工件的需要，提高生产率。 5 z 轴焊枪旋转机构 z 轴即绕枪摆机构垂直方向旋转的方向，z 轴步进电机( 件9 ) 使焊嘴( 件 1 ) 作一定角度的旋转，满足矩形焊缝平角焊时的需要。 6 枪摆机构和焊枪夹持机构 枪摆机构安装在悬臂上，枪摆机构可以满足焊接角度变化的要求。焊枪( 件 1 ) 由左夹块( 件2 ) 与右夹块( 件3 ) 夹持，通过螺钉( 件2 ) 夹紧在机体上。 人工松开或锁紧固定臂( 件6 ) ，可使摆动板( 件5 ) 作左视图的m 、n 方向摆 动，调整焊枪的角度。 2 7 小结 以平面形状焊缝为研究对象，根据焊接的工艺要求，提出设计弧焊机器人的 总体设计目标，确定了弧焊机器人由机械结构、控制系统以及通用焊机组成。同 时根据平面焊缝焊接的运动实现要求，设计了一种侧置式、具有五个运动轴的弧 焊机器人的机械结构。 第三章弧焊机器人运动控制系统硬件设计 3 1 引言 第三章弧焊机器人运动控制系统硬件设计 根据弧焊机器人的总体设计方案及其运动控制的方式，如何搭建运动控制系 统的硬件方案是机器人设计的关键，运动控制卡作为控制系统的硬件核心，其工 作原理与性能须了解清楚，同时步进电机及其驱动器作为控制系统的执行元件， 直接关系运动控制的实现。 3 2 控制系统方案设计 3 2 1 控制系统的总体功能要求 1 弧焊机器人的控制要求 弧焊机器人的应用，对提高焊接质量的稳定性和可靠性、减轻工人的劳动强 度、提高生产效率和经济效益起到重要的作用。为了实现上述的目标，对弧焊机 器人的控制提出了更高的要求： ( 1 ) 焊接工作性能稳定性； ( 2 ) 操作的简便性； ( 3 ) 控制系统的软、硬件系统都应具有开放性，系统通过增加减控制模块即 可用于其它相近类型设备的控制； ( 4 ) 具有多种控制方式，适应不同的工艺要求，可以采用手动方式和自动方 式相配合完成焊接工作。 2 控制系统的总体功能要求 ( 1 ) 能够完成自动焊接加工，具有参数设置、手动调整等功能； ( 2 ) 控制软件开发简单，能适应弧焊机器人结构改变或焊接工艺变化的需要； ( 3 ) 可视化的人机界面友好，操作方便，有关参数、工作状态能实时显示； ( 4 ) 焊接速度可以实现无级调速，能加速和减速，焊接速度能实时显示； ( 5 ) 在焊接过程中，焊接参数具有可选性和可调性，通过改变输入参数，能 使控制系统能适应不同焊接对象的需要； ( 6 ) 焊枪的运动轨迹能实时动态显示，焊接完成焊枪能自动返回初始点位置； ( 7 ) 在自动焊接过程中具有暂停功能，停止点具有“记忆 功能，以满足焊 接过程中工艺过程参数调整需要和遇到故障须停止工作的要求。 1 6 第三章弧焊机器人运动控制系统硬件设计 3 2 2 控制系统方案的选择 随着电子技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，数控技术也在不断 更新，应用在焊接机器人上的控制系统也在发展之中，目前常用的焊接机器人控 制系统有以下几种。 1 基于单片机的控制系统 一采用单片机开发的控制系统成本低，但是单片机系统开放性差，软硬件资源 有限，并且机床操作不方便、人机界面不友好，因此，一般都用来开发简易的经 济型数控焊接机【” 3 6 】。 2 基于可编程控制器( p l c ) 的控制系统 目前，可编程控制器在数控焊接机控制系统、尤其是在半自动加工的焊接机 控制系统中应用广泛，其操作简单、实时性好、现场的适应力强。为了使入机交 互友好和满足复杂的焊接工艺要求，在数控焊接机上，采用p l c 作为下位机直 接与硬件交互，采用触摸屏实现显示，从而开发出基于p l c 的弧焊机器人控制 系统【3 7 3 引。 3 基于工业控制计算机( p c ) 的控制系统 p c 机由于具有一系列较为完善和成熟的设计、加工及信号接口标准，并且 拥有丰富的软硬件支持，性能和可靠性不断提高，工业p c 机是开放式数控系统 的首选系统平台。但是，p c 机难以满足实时控制的要求，特别是强实时控制系 统的要求。另外，在实际生产中也有基于上位机( 工控机) 、下位机( p l c ) 的焊接 机控制系统。 4 基于“p c 机+ 运动控制卡”的控制系统 p c 机一般都采用工业控制计算机，运动控制卡则选用已商品化了的多轴运 动控制卡，p c 机可完成实时性要求不高的任务，而插补计算、速度控制、位置 控制等实时性要求高的任务由高速运动控制卡完成。人们对p c 机比较熟悉，p c 机本身具备很丰富的软件和硬件资源，对p c 机下的编程很容易上手，有利于对 运动控制卡的控制，同时也节省了开发运动控制卡包含的运动控制功能的时间， 缩短产品开发时间。 通过对以上四种方案的性能特点、实现难度、工作量和成本的综合比较，弧 焊机器人控制系统方案采用“p c 机+ 运动控制片”的方案。充分利用w i n d o w s 操作系统的资源以及使用高级语言编程，利用p c 主板作为平台，通过在主板的 槽插入实现功能的运动控制卡，可以构成具有高度灵活性的运动控制系统。p c 机作为上位机，它的主要任务是实现人机界面，完成加工参数的输入、预编译、 轨迹计算、速度计算和加工参数状态的显示等任务，而作为下位机的运动控制卡 则负责处理一些实时性强的运动信号1 3 扣3 6 j 。 1 7 第三章弧焊机器人运动控制系统硬件设计 3 2 3 控制方式的选择 弧焊机器人控制系统核心是要实现多轴步进电机的联动控制。根据有无反馈 作用，目前控制系统常用的控制方式有开环控制、闭环控制及半闭环控制【3 叫0 1 。 1 开环控制 在开环控制系统中，系统只是根据输入量和干扰量进行控制，输出端和输入 端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影 响，控制系统产生的控制信号是单向的。执行机构移动部件的实际位置不做检验， 所以其加工精度主要取决于伺服系统的性能。如图3 1 所示，开环控制系统工作 过程是：控制系统向驱动器发出指令脉冲，通过伺服机构如步进电机执行机构动 作。这种系统简单、工作反应迅速、调试方便、维修简单，其控制精度受到限制， 但一般都能稳定可靠地工作，它适用于一般中小型控制系统。 指令叫面甄百卜币丽丽藕吾卜厂面晤 - 一 ( 输入) l 一l 一一( 输出) 图3 - i 开环控制系统 2 闭环控制方式 在系统的输出端和输入端之间增加反馈电路，输入量对控制过程产生直接影 响，即构成闭环控制系统。如在开环控制的数控系统上增加检测反馈装置，在工 作状态中检测移动部件的实际工作位置，构成反馈，从而达到很高的加工精度。 闭环控制系统如图3 - 2 所示。闭环控制系统的优点是控制精度高、速度快，但是 调试和维修比较复杂。闭环系统也存在缺点，在整个控制过程中始终存在着偏差， 容易使系统不稳定，所以在设计时对闭环系统中精度和稳定性问题必须合理地解 决。 i 位置比较电路h 速度控制电路卜- 吐圃亟亘团恒 位置反馈觥。v y 厂、 图3 - 2 闭环控制系统 3 半闭环控制 半闭环控制系统的组