（机械工程专业论文）炮塔壳体智能焊接系统的研究与开发.pdf

摘要 论文介绍了焊接辅助设备的一般概念、功能及应用情况，分析了智能 变位系统中的核心以及变位机的机械结构部分等，总结出焊接变位机的一 般设计方法。以旋倾变位机为例，推到出其逆运动学通用算法及唯一解的 方法。通过数学建模的分析方法，从机械部分提升变位机的位置精度和重 复精度，从而提高整个智能变位系统的机械特性。 在改进的智能变位系统的基础上，全面提升变位系统的电气硬件基础， 采用p l c 加变频器及编码器的组合来实现速度及位置的闭环控制，提高了 系统控制精度，采用工控机+ p l c 的主从控制模式来开发智能变位系统，大 大提升了变位机的技术性能。 在控制方法上，采用模糊控制技术加经典p i d 控制技术来全面提升变 位系统的动态特性，使其控制精度和响应速度得到大幅提升。 软件设计方面，采用面向对象的程序设计方法和多线程技术，开发适 合焊接变位系统的控制系统软件。该控制系统软件具有非常好的扩展性， 为焊接变位系统的功能扩展和智能升级提供了良好的基础。为降低成本和 产品开发周期带来了显而易见的益处。对于具体的p l c 与工控机的串行通 信协议及通信子程序，进行了较详细的论述，并给出了流程图。 在炮塔壳体智能焊接系统的研究与开发中，充分应用了阻上技术，不仅 提高了焊接速度，而且提高了焊接质量，达到了预期目的。 关键词：变位机数学模型模糊控制面向对象的程序设计 2 a b s t r a c t a g e n e r a lc o n c e p t ，f u n c t i o na n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fa n c i l l a r yw e l d i n g e q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r n l ck e r n e lo fi n t e l l i g e n tp o s i t i o n i n g s y s t e ma n dm e c h a n i s mo f p o s i t i o n i n gm a c h i n ea r ea n a l y z e d 1 1 1 eg e n e r a ld e s i g n m e t h o df o rw e l d i n gp o s i t i o n i n gm a c h i n e si ss u m m a r i z e d t a k i n gr o t a r ya n d t i l t i n gp o s i t i o n i n gm a c h i n ea s a n e x a m p l e ，k i n e m a t i c s r e v e r s i n g u n i v e r s a l a l g o r i t h ma n dm e t h o d t og e ts i n g l er e s o l u t i o na r ed e r i v e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fm a t h e m a t i cm o d e l ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw h o l ep o s i t i o n i n gs y s t e mi s e n h a n c e ds ot h a tt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dr e p e a t i n ga c c u r a c ya i n c r e a s e d o nt h eb a s i so fi m p r o v e di n t e l l i g e n tp o s i t i o n i n gs y s t e m ，t h ee l e c t r i cb a s ei s r a i s e dt h o r o u g h l y t h ec o m p o s f f i o no fp l cw i t ht r a n s d u c e ra n de n c o d e ri s u t i l i z e dt or e a l i z ec l o s el o o pc o n t r o lf o rs p e e da n dp o s i t i o n sa n dh i g hc o n t r o l a c c u r a c yi s r e a c h e d ah o s ta n df o l l o w e dc o n t r o lm o d ew i t hi n d u s t r i a l c o n t r o l l e r sa n dp l ca r eu s e dt ou p g r a d et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e p o s i t i o n i n gm a c h i n e a b o u tt h ec o n t r o lm e t h o d ，f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yp l u sc l a s s i cp i dc o n t r o l t e c h n o l o g ya r ea d o p t e dt ou p g r a d ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h em a c h i n eg r e a t l y t h ec o n t r o la c c u r a c ya n dr e s p o n d i n gs p e e da r ei n c r e a s e dm u c h a b o u tt h es o f l g , v a r ed e s i g n ，o b j l e e l - o r i e n t i n gp r o g r a md e s i g na n dm u l t i p l e r o u t ec o n t r o lt e c h n o l o g ya r ea d o p t e dt od e v e l o pc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r es u i t i n g t ow e l d i n gp o s i t i o n i n gm a c h i n e t h es o f t w a r ef e a t u r e se x c e l l e n te x p a n s i b i l i t y , w h i c hp r o v i d e ss a t i s f a c t o r yb a s i st of i m c t i o ne x p a n s i b i l i t ya n di n t e l l e c t u a l u p g r a d eo f t h ew e l d i n gp o s i t i o n i n gs y s t e ma n db r i n g sv i s i b l ep r o f i tt ol o w e r c o s t a n ds h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e f o rc o n c r e t et a n d e mc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n ds u b p r o g r a mo fp l ca n di n d u s t r i a lc o n t r o l l e r , d e t a i ld e s c r i p t i o n a n df l o wc h a na r ep r e s e n t e d a l la b o v ea r ef u l l ya d o p t e di nt h ed e v e l o p m e n to fg u nt o w e rc a s i n g ，w h i c h i n c r e a s e db o t ht h ew e l d i n gs p e e da n dt h ew e l d i n gq u a l i t ya sw e l l p r e d i c t p u r p o s ei sa c h i e v e d k e y w o r d s ：p o s i t i o n i n gm a c h i n e m a t h e m a t i c a lm o d e l f u z z yc o n t r o l o b j e c t - o r i e n t i n gp r o g r a md e s i g n 3 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： 瑚妣 签字日期：世年 学位论文版权使用授权书 6 玛洱b ， 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权鑫注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 王舟虹 导师签名： 签字日期： d 铲彳月三轳臼 签字日期 p t 7 i & 巧年钟日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 焊接辅助设备和器具的发展现状与趋势 焊接辅助设备确切的名称应为焊接工艺装备，简称焊接装备。焊接工 艺装备所涉及的范围相当广，凡生产焊接结构的加工设备和装置均属于焊 接工艺装备，其中包括备料设备，焊接装配夹具，焊接变位机械、焊件后 处理设备等。与焊接工序直接有关的焊接工艺装备主要有坡口加工设备， 焊接装配夹具、焊接变位机，焊接操作机、专用成套焊接设备，机器人工 作站和焊接生产线等。 我国焊接工艺装备制造行业起步较晚，直到二十世纪7 0 年代初才在上 海、成都、长春等地陆续建成一批专门生产焊接工艺装备的制造厂。进入 8 0 年代，随着国内焊接工艺装备需用量的日益增长，各地又相继成立了多 家中小型焊接装备生产厂。近期又新建成或改建具有一定规模的焊接装备 生产企业，如成都焊研威达自动化焊接设备有限公司、哈尔滨威德焊接自 动化系统工程有限公司等。著名的高等学校如哈工大、上海交大，沈阳大 学也组建了从事自动化焊接装备的研究、设计和生产的研究机构。迄今， 我国已有2 4 家焊接装备生产企业，年产量2 0 0 0 万元以上的已有1 0 多家。 有些企业发展速度较快，并己具有较大的规模，某些焊接装备已实现批量 生产。例如无锡阳通机械设备有限公司，2 0 0 1 年的销售总额已达1 2 亿， 跃居本行业之首，全行业年总销售额已达5 亿左右。 在焊接装备的品种、技术特性方面，8 0 年代初期我国生产的焊接装备 大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成 套性较差、自动化程度低，只能算作机械化的焊接设备。8 0 年代后期，由 于大量引进了国外较先进的成套焊接装备，促进了国产焊接装备的技术进 步，无论是装备的成套性、自动化程度还是设备的精度和制造质量都有不 同程度的提高。目前我国已能生产8 m xl o m 重型立柱横梁式操作机，配有 先进的窄间隙埋弧焊机头的门架式纵缝焊机和立柱横梁式窄间隙环缝焊 机。重型焊接滚轮架的最大吨位达4 0 0 t 。重型容器环缝窄间隙埋弧焊和内 壁大面积堆焊必须配备的工艺装备一自动防窜滚轮架已研制成功并投运多 年，防窜精度为1 5 m m 。焊接变位机已系列化生产，最大承载能力达l o o t ， 每年都有各种汽车、机车、工程机械部件焊接用大、中型单面回转和双面 回转翻转机投运。大量生产汽车、摩托车部件专用成套弧焊机和阻焊机， 大、中型轧辊堆焊机，大口径管焊接生产线；h 型钢和箱形梁焊接生产线。 第一章绪论 在焊接装备的驱动和控制系统中广泛采用了当代较先进的交流电机变频调 速、直流电机的可控硅调速，p l c 可编程控制器、伺服电机及其驱动系统、 微机和工业计算机控制等。焊接装备的自动化程度有了较大的提高。焊接 操作机可按用户的需要配备焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。 在焊接机器人工作站配套设备方面我国已相继成立首钢莫托曼机器人 有限公司和沈阳新松机器人自动化股份有限公司，目前已能为国内用户每 年生产1 0 0 台套以上的各种中小型机器人工作站。 国内焊接装备配套器具的生产已形成一定的规模，产品质量已接近国 际水平。据最近统计，生产送丝机，各种焊枪、导电嘴、减压器、流量计、 工夹具、焊条、焊剂烘干设备、陶瓷喷嘴等的专业生产企业共3 4 家，年产 值超过亿元。值得一提的是，广州阿比泰克焊接技术有限公司己与国内多 家焊枪配套件厂家组成集团公司，生产规模迅速扩大，2 0 0 1 年焊枪总产量 已达9 0 0 0 万元。 在德国埃森举办的第十五届焊接与切割国际博览会。其中有上百家焊 接装备生产厂商参展，展出了世界一流的各种先进的自动化焊接设备。反 映了当代世界焊接装备的发展水平和趋势。认真分析所掌握的技术资料可 以将其概括成以下五大特点：( 1 ) 精密化、( 2 ) 大型化、( 3 ) 多功能化、( 4 ) 数字 化、( 5 ) 智能化和集成化。 ( 1 ) 精密化精密化的内涵包括高精度、高质量和高可靠性。从设备外 观上看有些焊接装备几乎接近于精密金属切削机床，在精度要求上，以焊 接机器人配套的焊接变位机为例，最高的重复定位精度为0 0 5 m m ，机器 人和精密操作机的行走机构定位精度为0 1 m m ，移动速度的控制精度为 0 1 。 ( 2 ) 大型化焊接装备的大型化是焊接结构向高参数、重型化和大型化 发展的需要。如重型厚壁容器焊接中心的立柱横梁操作机的最大规格已达 1 2 5 m l o m 。龙门式操作机的规格为8 m 8 m 。大型造船厂使用的门架式钢 板纵缝焊机最大行程为1 2 m 。集装箱外壳整体组装焊接中心门架式操作机的 工作行程达1 6 m 。重型h 型钢和箱型梁生产线占地面积可达整个车间。 ( 3 ) 多功能化为充分发挥自动化焊接设备的效率，一台焊接装备可按 工艺要求装备各种焊头，如单丝和多丝埋弧焊，单丝或双丝窄间隙埋弧焊 头、m 1 6 m a g 焊头和带极堆焊头等，与滚轮架、变位器或翻转机配套可以 完成筒体内外纵环缝，封头拼接缝，内壁堆焊、大直径接管环缝焊接等。 ( 4 ) 数字化焊接装备的数字化控制虽然比传统的金属切削加工复杂得 多，但实施数字控制的意义则更为重要，不仅提高了效率，而且确保了批 2 第一章绪论 量生产过程中稳定的焊接质量，还改善了操作环境。目前在焊接装备控制 系统中，采用p l c 可编程控制器已成为最普通的控制器件，为提高焊接装 备自动控制的功能和精度已开始采用基于p c 机的自动控制系统和直接数字 控制系统，同时也为焊接装备的网络化控制和管控一体化提供了可能。 ( 5 ) 智能化和集成化焊接装备的智能化控制是焊接过程自动控制的高 级形式，通过各种专用的计算机软件可按原始工件和焊接参数对焊接工艺 参数进行优化选择。对于厚壁接头、智能化控制可根据实测接头的几何尺 寸自动编制焊接程序和焊接工艺参数，以实现焊接过程的全自动化。 计算机集成化控制主要用于焊接生产线，是将焊接机器人或焊接操作 机、焊接电源，工件变位机械，输送机械、物流系统采用计算机软件按预 先编制的程序和所设置的工作参数通过现场总线通信网络和人机界面集成 在一台主控p c 机上，构成完整的自动化控制系统。同时可利用c a d c a l l c a p p c a e p d m 设计和管理软件，实现从产品图样设计、制造工艺编制、 生产计划安排、生产过程控制、生产管理和物流管理的一体化。可见世界 焊接装备发展已将整个焊接行业带入现代电子化制造的时代。 焊接配套器具的发展特点是精细化、电子化、多样化和组合化，以适 应焊接装备的快速发展。我国的焊接装备和配套器具也必然向上述趋势发 展。 1 2 我国焊接装备制造行业所面临的挑战、展望和对策 我国焊接装备制造行业在市场经济的环境中已经历了十余年的磨练， 取得了可喜的进步和成绩，但对比上述世界发达国家同行业的当代水平还 有较大的差距。我们应该清醒地认识到，我们所处的弱势地位。国产的焊 接装备无论在产品品种、技术水平、产品质量、自动化程度和高新技术应 用等方面都不能适应我国工业现代化发展的需要。尤其是中国“入世”表 面上看世界市场已向中国打开大门，但中国市场也向世界全面开放，对于 某些行业来说可能是机遇和挑战并存，而对焊接装备行业可以肯定的说， 挑战大于机遇。应当看到，迄今为止我国的焊接装备制造行业中还没有一 家企业可以与国外著名同类企业相匹敌，原有的一点低价优势也将随着关 税的逐年下降而消失。因此客观的形势对我们焊接装备行业十分不利。必 须采取切实可行的有力措施奋起拼搏，迎头赶上世界同行业的先进水平。 我国已成为全球制造中心，其传统制造业将势必按现代化的高标准要 求进行全面的升级和技术改造。采用最先进的技术装备武装自己。目前我 国焊接结构用钢量已超过1 0 0 0 0 万吨，今后几年还将逐年上升。因此对自 3 第一章绪论 量生产过程中稳定的焊接质量，还改善了操作环境。目前在焊接装备控制 系统中，采用p l ，c 日j 编程控制器已成为最普通的控制器件，为提高焊接装 备自动控制的功能和精度已开始采用基于p c 机的自动控制系统和直接数字 控制系统，同时也为焊接装备的网络化控制和管控一体化提供，可能。 ( j ) 智能化和集成化焊接装各的智能化控制是焊接过程自动控制的高 级形式，通过各种专用的计算机软件可按原始工件和焊接参数对焊接工艺 参数进行优化选择。对丁厚壁接头、智能化控制可根据实测接头的几何尺 寸自动编制焊接程序和焊接工艺参数，以实现焊接过程的全自动化。 计算机集成化控制主要用于焊接生产线，是将焊接机器人或焊接操作 机、焊接电源，工件变位机械，输送机械、物流系统采用计算机软件按预 先编制的程序和所设置的工作参数通过现场总线通信网络和人机界面集成 在一台主控p c 机上，构成完整的自动化控制系统。同时可利用c a d c a m c a p p c a e p d m 设计和管理软件，实现从产品图样设计、制造工艺编制、 生产计划安排、生产过程控制、生产管理和物流管理的一体化。可见世界 焊接装备发展已将整个焊接行、【k 带入现代电子化制造的时代。 焊接配套器具的发展特点是精细化、电子化、多样化和组合化，以适 应焊接装备的快速发展。我国的焊接装备和配套器具也必然向上述趋势发 展。 1 2 我国焊接装备制造行业所面临的挑战、展望和对策 我国焊接装备制造行业在市场经济的环境中已经历了十余年的磨练， 取得了可喜的进步和成绩，但对比上述世界发达国家同行业的当代水平还 有较大的差距。我们应该清醒地认识到我们所处的弱势地位。国产的焊 接装备无论在产品品种、技术水平、产品质量、自动化程度和高新技术应 用等方面都不能适应我国工业现代化发展的需要。尤其是中国“入世”表 面上看世界市场己向中国打开大门但中国市场也向世界全面开放，对于 某些行业来说可能是机遇和挑战并存，而对焊接装备行业可以肯定的说， 挑战大于机遇。应当看到，迄今为止我国的焊接装备制造行业中还没有一 家企业叫以与国外著名同类企业相匹敌，原有的一点低价优势也将随着关 税的逐年下降而消失。因此客观的形势对我们焊接装备行业十分不利。必 须采取切实可行的有力措施奋起拼搏，迎头赶。卜世界同行业的先进水平。 我国已成为全球制造中心，其传统制造业将势必按现代化的高标准要 求进行全面的升级和技术改造。采用最先进的技术装备武装自己。目前我 国焊接结构用钢量已超过1 0 0 0 0 万吨，今后几年还将逐年上升。因此对自 国焊接结构用钢量已超过1 0 0 0 0 万吨，今后几年还将逐年上升。因此对自 3 第一章绪论 动化焊接装备的需求量将明显增加，尤其是锅炉、压力容器、船舶、钢结 构、桥梁、汽车、工程机械、机车、冶金设备、采矿机械、石油化工装置， 饮料食品加工机械，家用电器、医疗设备和半导体器件等重点制造行业都 迫切需要装备自动化程度高、性能优良、可靠性好的各种自动化专用成套 设备，机器人工作站和焊接生产线。市场容量相当大，发展前景可观。如 果不考虑国际市场，国内市场每年的需求量将达到1 5 亿元以上。据国际机 器人联合会( i f r ) 的统计数据，全世界机器人及其配套设备的年总销售额 为1 7 6 6 亿人民币，在我国有关的信息己预示广泛应用焊接机器入的热潮即 将来到。因此我国焊接装备制造业必须把握这一机遇，加快企业自身的改 造以适应整个焊接行业的快速发展。 1 3 主从计算机控制及面向对象的设计方法 由于对焊接变位系统的要求不断提高，焊接变位系统的软件设计也变 得越来越复杂，设计良好的焊接变位控制系统框架成为焊接变位系统开发 的一个至关重要的环节。然而，现有的焊接变位系统中大多采用单p l c 控 制器作为系统的核心，这种单p l c 控制器在完成简单的任务具有非常好的 可靠性，但是在焊接变位系统变得越来越复杂的时候，这种单p l c 控制器 就显得力不从心了，因此对这种控制器的扩展就显得尤为重要。随着计算 机技术的发展，双c p u 的主从控制模式在工业控制中的应用越来越广泛。 一般的情况下，双c p u 主从控制模式是指工控机作为上位机，p l c 或嵌入 式控制器作为系统的下位机，下位机完成各种标准的运动控制功能，上位 机处理各种非实时性任务。在焊接变位系统中，采用工控机作为上位机， p l c 作为下位机。这种控制模式一方面使原来的p l c 开发技术优势得以保 留，另一方面提升了焊接变位系统的性能。 在软件设计过程中，采用了面向对象的程序设计方法。“面向对象”一 词源出于s i m u l a 语言，而真正的面向对象编程是由s m a i l t a l k 奠基的。 s m a l l m l k 现在被认为是最纯的面向对象编程语言。正是通过s m a l l m l k 8 0 的 研制与推广应用，使人们注意到面向对象方法所具有的模块化、信息封装 与隐蔽、抽象性、继承性、多样性等独特之处，这些优异特性为研制大型 软件，提高软件可靠性、可重用性、可扩充性和可维护性提供了有效的手 段和途径。8 0 年代以来，人们开始将面向对象的基本概念和运行机制运用 到其它领域，获得了一系列相应领域的面向对象技术。面向对象方法己被 广泛应用于程序设计语言、形式定义、设计方法学、操作系统、分布式系 统、人工智能、实时系统、数据库、人机接口、计算机体系结构以及并发 工程、综合集成工程等，在许多领域的应用都得到了很大的发展。1 9 8 6 年 4 第一章绪论 在美国举行了首届“面向对象编程、系统、语言和应用( o o p s l a 8 6 ) ”国际会 议，使面向对象受到世人瞩目，其后每年都举行一次，这标志着面向对象 方法的研究已普及到全世界。 面向对象的程序设计就是把面向对象的方法应用到软件工程的分析和 设计之中，从而建立适应需求的系统模型。近几年来，面向对象技术无论 是在理论上还是实践上都在飞速地发展，这种程序设计思想已经跨越了硬 件平台和软件平台的限制，成为了编程的主流风格。面向对象技术中最重 要的就是“对象”的概念。这种“对象”具有一定的属性和方法，这里的属性指 对象本身的各种特性参数。一个具体的对象可以有许多的属性和方法，面 向对象技术的重要特点就是对象的封装性，对于外界而言，并不需要知道 对象有哪些属性，也不需要知道对象本身的方法是如何实现的，而只需要 调用对象所提供的方法来完成特定的功能。程序设计中，程序员只是在编 写对象方法时才需要关心对象本身的细节问题，大部分的时间是放在通过 调用对象的方法来组织这些对象进行协同工作，从而大大缩短了软件设计 周期。 面向对象技术有以下的优点：一 ( 1 ) 维护简单。模块化是面向对象编程中的一个特征。实体被表示为类 和同一名字空间中具有相同功能的类，我们可以在名字空间中添加一个类 而不会影响该名字空间的其它成员。 ( 2 ) 可扩充性。面向对象编程从本质上支持扩充性。如果有一个具有某 种功能的类，就可以很快地扩充这个类，创建个具有扩充的功能的类。 ( 3 ) 代码重用。由于功能是被封装在类中的，并且类是作为一个独立实 体而存在的，提供一个类库就非常简单了。 面向对象的方法克服了原有软件系统规模庞大、研制周期长、维护费 用高、软件系统过于复杂、应用软件不易集成等困难。随着o o p ( 面向对 象编程) 、o o d ( 面向对象设计) 和o o a ( 面向对象分析) 的发展，最终 形成面向对象的软件开发方法o m t ( o b j e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e ) 。这是一 种自底向上和自顶向下相结合的方法，而且它以对象建模为基础，不仅考 虑了输入、输出数据结构，实际上也包含了所有对象的数据结构。 1 4 智能焊接变位系统的研究意义 一般认为，焊接变位机是焊接转胎、翻转机和滚轮架等仅仅用于改变焊 件方位，结构比较简单的机械。这种认识显然既不准确，也不全面，尤其 在焊接结构种类数目多样化的今天，焊接变位机的种类和形式已开始发生 较大的变化，随着焊接生产机械化、自动化的发展和先进制造技术的逐渐 5 第一章绪论 推广应用，以及对焊接产品多品种小批量生产的要求，对焊接生产过程进 行柔性焊接加工技术的应用已成为先进制造技术应用的主要趋势和主要方 面，传统焊接变位机的功能、作用和应用范围将适应现代生产方式的需要 而得到进一步的丰富和加强，焊接变位机是焊接工艺装备中具有典型意义 的设备。 通常认为，焊接变位机是将被焊接头相互定位、夹紧，并将一个个待 焊点以一定的焊接速度按照一定的轨迹移动到最佳焊接位置的设备。而最 佳焊接位置是指在自动化焊接生产中，焊缝上的待焊点处于最有利于施焊 并且最容易保证焊接质量的位置，即通常所说的平焊或船形焊位置 ( d o w n 1 0 a dw e l d i n g ) 。如图1 1 所示，平板焊缝的最佳焊接位置是指待焊 点的外法向矢量方向同重力作用方向相反；角接头焊缝的最佳焊接位置是 指待焊点处工件夹角平分线外法向同中立作用方向相反。在特殊情况下， 如铝合金板等离子焊，为便于气体的低熔点夹杂物的逸出，并便于控制背 面熔透，最佳焊接位置应该是具有一定倾角的立向上焊接。 匆汐 羊q孵髓 图卜1 最佳焊接位置 一般情况下，人们只是强调了焊接变位机的变位作用。而实际上，焊 接变位机已发展到了系统或子系统的形式了，焊接变位系统融合了在现代 焊接生产方式下焊接结构生产制造过程中装配、变位、同机器人或焊接操 作机协调运动等多种作用，是专用焊接自动化机械、焊接生产工艺装备的 一个组成部分。 所以，研制高性能的变位系统，对于现代化的集成制造技术而言具有 非常重要的现实意义和应用价值，本智能焊接变位系统是在变位机的基础 上提升变位系统的集成度，柔性化和智能化，而且这些设备的应用，必将 进一步缩短焊接结构的生产周期，提高焊接结构产品的质量。 1 5 本文的研究内容 一、智能变位系统的机械设计。仔细分析智能变位系统中的核心，变位 机的机械结构部分等，在机械部分提升变位机的位置精度和重复精 度，从而提高整个智能变位系统的机械特性。 6 第一章绪论 二、在改进的智能变位系统的基础上，全面提升变位系统的电气硬件基 础，即采用工控机+ p l c 的主从控制模式来开发智能变位系统。 三、模糊控制技术改进经典的控制方式即p i d 控制模式，全面提升变位 系统的动态特性。 7 第二章智能焊接变位机的结构分析 第二章智能焊接变位机的结构分析 焊接变位系统的执行机构实际上就是焊接变位机，因此焊接变位机的 机械设计对于整个焊接变位系统的控制精度、柔性化以及智能化具有基础 性的作用，因此极佳的焊接变位机机械设计对于整个焊接变位系统的性能 优化具有指导性的作用，因为机电一体化的目的就是在优化机械设计的基 础上，使用电子技术、计算机技术等来改善和优化整个系统的性能。 2 1智能焊接变位系统的机械结构分析方法 2 1 1 焊接变位机和焊接操作机的合理分工 就焊接过程而言，与焊接变位系统相对应的是焊接操作机系统。二者 是有机统一的。所以为了得到好的焊接质量，依据焊接工件的焊接工艺、 尺寸、焊接位置等等一系列要求来合理的设计，对整个焊接过程具有事半 功倍的效果。 为实现优质、高效和低成本的自动焊接，应该满足下列要求： 1 ) 让待焊点适时移动到最佳焊接位置； 2 ) 让焊接电极随着待焊点的不断改变而适时准确地做相对运动： 3 ) 适当定位压紧焊接接头，确保焊接接头的内在质量。 如此众多的要求，是由焊接操作机和焊接变位机共同完成。它们之间如 何协调一致、分工合作是一个非常重要的问题。 焊接变位机与焊接操作机应该统一考虑，合理分工，确保提高生产效 率，降低焊接设备和焊接产品的制造成本。在电弧焊时最佳焊接位置一般为 平焊或船形焊位置。在考虑其分工时，要尽可能让所有的待焊点实时移动到 最佳焊接位置。在焊接方法为电弧焊时，操作机和变位机的分工原则具体体 现在以下几方面： ( 1 ) 大尺寸或比较重的工件，其待焊接头可能处于不同的平面上，焊接 变位机最好只完成将焊缝移动到最佳焊接位置的工作和工件的装夹定位工 作，待焊点的移动、对中及其随动( 随待焊接头位置的变化而移动) 等最 好由操作机来完成。 ( 2 ) 如果工件的尺寸比较小，可以由焊接操作机或机器人来完成一个平 面内各焊缝的焊接，焊接变位机仅完成工件的定位装夹工作及将焊缝所在 平面移动到最佳焊接位置所在平面的工作。一般情况下，由于焊接时的辅 助设施，水、气、电等管道均安装在焊接机头上随焊枪一起移动，若无方 8 第二章智能焊接变位机的结构分析 便灵活的操作机，移动焊接机头比较困难，或精度比较低，宜采用焊接变 位机来实现将焊点移动到最便于焊接位置的运动。 ( 3 ) 如果焊缝为环形，而且焊缝处在工件的竖直平面内，由于最佳焊接 位置位于焊缝的正上方，因此一般由焊接变位机将待焊点移动到最佳焊接 位置。在焊接方法为压力焊时，由于压力焊机头的加压通电结构复杂，移 动不便，除非工件太大，一般应由变位机来实现待焊点的变位。 2 1 2 焊接变位机的变位设计方法 作为焊接变位系统，其基本的作用是两个，一个是变位，一个是定位夹 紧。作为变位系统产品，一般是专用的焊接辅助设备，但是设计思路是有 章可循的。 焊接变位机的变位运动的设计包括运动自由度设计、传动导向部分设 计、动力源设计和减速系统设计等各个子部件的方案设计，具体分为运动 自由度设计和变位机构设计两大重要部分。 焊接变位机应单独或同焊接操作机( 包括焊接机器人等) 相配合，将焊 缝上的待焊点沿着一定的运动轨迹移动到最佳焊接位置处。这其中要注意两 个方面： 1 、可能将焊缝，至少将待焊点移动到最佳焊接位置。 2 、焊点准确地沿着焊缝移动，其移动速度就是焊接速度，不管焊缝轨 迹是直线、圆弧，还是空间曲线，都要保证其线速度随时满足相应 时刻的焊接要求。 如非圆( 如椭圆或特殊需要的形状) 法兰角焊缝的焊接变位机，角焊 缝的最佳焊接位置是船形焊位置，若要求焊接速度保持不变则是指沿椭圆 焊缝的线速度不变，并非变位机的转动速度不变。 在明确焊接变位机的变位作用后，必须确定变位运动系统方案，其基本 的指导思想如下： ( 1 ) 分析目前已有的通用或专用焊接变位机的变位运动机构，将这些 已经成功应用的运动机构作为设计参考蓝本，通过分析它们的运动机构传 动部分、动力源、减速器和所能完成的运动及其核心支撑和传动零件等。 通过对比和思考，提取满足相应平动或转动的运动机构及其配置方案，并 根据自己设计的知识和经验，进行局部修改满足新的设计要求。 ( 2 ) 焊接变位机运动系统方案设计最终结果必须提供：1 ) 满足要求的 运动自由度数目和传动简图；2 ) 满足相应运动自由度的传动机构等子系统 的配置方案，能够为后续的初步设计和详细设计提供结构的配置方案和相 应的说明性图形。 9 第二章智能焊接变位机的结构分析 2 1 3 焊接变位机工装夹具的设计方法 焊接工装夹具是用来定位和夹紧焊接结构工件的装置，是焊接结构装配 生产中重要的基本工艺装备。 般由夹具体、定位器和夹紧装置组成。焊接工装夹具分为通用夹具和 专用夹具，其分类如图2 - 1 所示。由于焊接结构产品形状及施焊工艺的不同， 有时需要单独设计专用的夹具，但在设计时尽量选用已通用化、标准化的 工装夹具系统。 块盎翌槛 悄慷梯 扳 诗劝压匀空 f 再丌一一扛枉楔谯 接抒抒静冉 夹一斑嶷宪 羹麓蟹肇紧 誊爽羹羹尊 曩 鼍 图2 - 1 焊接工装夹具的分类 功 同机械加工夹具相比，焊接工装夹具的设计既有其共同点，又有其特 殊性。这主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 由于焊件一般是由许多个简单零件组焊而成，而这些零件的装配又 是按顺序进行的，因此，它们的定位和夹紧是一个个单独进行的。 从这一方面分析，其装夹系统要比单纯加工零件的机械加工夹具复 杂。 ( 2 ) 有时需要夹具对工件给予反变形或者作刚性夹固，但没有必要对所 有的零件都作刚性夹固，以允许某些工件在某一方向有适量窜动， 以防止内应力过大。 ( 3 ) 在定位精度方面，焊接时定位装夹精度的要求比机械加工低。 ( 4 ) 焊接过程一般都在高温下进行，由于加热和冷却的不均匀性，焊接 时和焊接后焊缝的纵向和横向都要产生相当大的局部应力与收缩变 形。因此除了在焊接工艺方面进行优化之外，在夹具的设计逑程中， 应使夹具有较大的刚度，并尽量保持焊接结构的装配精度。 f 5 ) 夹紧系统应能保持自锁，并有足够的装配作业、焊接空间。 1 0 第二章智能焊接变位机的结构分析 ( 6 ) 焊接夹具与工件间应保持良好接触。 ( 7 ) 对于单件或小批量的生产，也可以使用组合夹具。 另外在设计变位机的定位夹紧的时候，必须清楚变位机的定位夹紧的作 用。其定位作用简单的概括就是对焊接接头进行正确的定位和装夹。这其 中包括： ( 1 ) 焊点附近需要连接起来的两部分物体在正确的位置上固定起来，形 成准确稳定的接头和焊缝，这个要求是让焊点准确地沿焊缝移动变 位的先决条件。 ( 2 ) 对于容易产生焊接变形的薄板结构，为了减少或防止焊接变形，在 焊接过程中要适当夹紧接头，使接头形成具有一定反变形的刚性固 定。对于容易产生焊接裂纹的材料，为了降低焊接残余应力，防止 焊接裂纹，夹持位置要适当，且夹紧或压紧力要适度，不宜过大或 过小。 如图2 2 所示，当焊接大直径薄壁筒体内环缝时，焊接转胎与工件之间 的摩擦力既为焊点附近接头提供了较好的定位条件，也为焊点沿焊缝准确 变位提供了传动条件，焊枪置于内焊缝之上，也是最佳焊接位置；若用同 样的焊接转胎焊接外环缝，如果不以“焊点”作为观察分析的焦点( 或核 心) ，只注意工件的变位，似乎将焊枪置于工件的顶端，即外环缝上方，也 有相同的作用。但实际上由于转动中的大直径薄壁简体，刚度小，变形大， 因而“焊点”附近接头的位置很难保持相对稳定，很难做到焊点沿焊缝的 准确定位和变位。为了确保焊点沿焊缝的准确变位，必须增加“焊点”辅 助定位机构或内撑、外拉机构、焊枪随动机构等。 图2 - 2 大直径简体内环缝焊接变位机结构示意图 2 2 智能焊接变位机的基于最佳位置的运动学规划研究 焊接变位机同焊接机器人协调运动规划的研究是近年来的研究热点， 第二章智能焊接变位机的结构分析 原来的研究大多集中于如何协调焊接机器人的关节运动以保正焊枪的可达 性，同时避免关节的奇异性。焊接变位机的应用增加了弧焊机器人工作站 的冗余自由度和灵活性，从而使整个弧焊工作站能够集中于如何提高焊接 质量和生产效率等问题的研究。这需要将弧焊机器人和焊接变位机的运动 规划任务进行分解，以满足焊接结构生产过程的不同需求。 从弧焊机器人工作站运动规划的角度来看，焊接变位机的运动主要有 两个： ( 1 ) 有助于克服焊接机器人操作空间的局限性，焊接机器人的有效作业 空间如图2 - 3 所示，如果焊接结构尺寸较大或者其焊缝上焊点超出了焊接机 器人作业空间的范围，在焊接机器人的焊枪和焊接结构的焊点之间需要长 距离的平动自由度以克服机器人空间的局限性。如果工件笨重或不便移动， 这个运动通常由焊接操作机和焊接机器人来完成，反之，则由焊接变位机 来完成。 ( 2 ) 有利于实现最佳位置的焊接过程。弧焊机器人和焊接操作机主要是 调整焊枪的位置和姿态，以保证焊枪的可达性；而完成将焊缝上焊点移动 到最佳焊接位置的任务则由焊接变位机来完成，这就需要焊接变位机根据 焊缝形式的不同采用1 2 个旋转自由度来完成。 具有上述功能的典型焊接变位机如图2 - 4 所示，左图为x y 平移变位机， 右图为旋转倾斜o i 椭随椰l n n 焊接变位机。 图2 3 关节型弧焊机器人的工作范围示意图 嘞赜 图2 - 4 典型焊接变位机 a ) x y 平移变位机b ) 回转倾斜变位机 1 2 第二章智能焊接变位机的结构分析 其他类型的焊接变位机，通常是在此基础上，综合或增加额外的旋转或 平移自由度，以满足焊接生产过程中的需要。例如：双平台5 自由度变位 机由于能够同时进行装配和焊接过程，提高了焊接生产效率。 焊接变位机平动自由度的运动规划主要是判断焊接结构件是否超出了 焊接机器人( 操作机) 的作业空间，然后移动工件或机器人来拓展空间范 围，保证焊枪的可达性。 为了根据焊接工艺要求的焊缝转角和焊缝倾角来编程变位机，而不是 直接对旋倾变位机的两个轴编程，便需要研究旋倾变位机的逆运动学通用 算法。旋倾变位机的逆运动学是指：在前一状态的变位机关节角给定的条 件下，求解变换当前焊缝坐标系列到需要的焊接位置所需的变位机关节角。 一些学者已研究了船形焊时的旋倾变位机逆运动学算法。但是，如果接头 的板比较厚或不等厚，则船形焊便不是最好的选择，而需要其它的焊接位 置。 2 3 旋倾变位机的运动学模型 旋倾变位机可以认为是由旋转关节连接的3 个连杆组成的运动学链， 如图2 5 所示。本系统的变位机采用d e n a v i t h a r t e n b e r g 运动学模型建立方 法，两个连杆的d e n a v i t - h a r t e n b e r g 参数如表2 - 1 所示。连杆之间的变换矩 阵是连杆d e n a v i t h a r t e n b e r g 参数的函数矩阵。 图2 - 5 旋倾变位机示意图 表2 - 1 变位机连杆id e n a v i t h a r t e n b e r g 参数 l i n k 01 ( 。)ol ( 。) a l ( m m )d l ( m m ) 1 9 0 + 0 1 9 00o 2 02 o01 6 3 1 3 第二章智能焊接变位机的结构分析 2 4 旋倾变位机的逆运动学通用算法 为了推导变位机逆运动学，我们定义如下坐标系见图( 2 5 ) 1 ) o o x o y o z o ：世界坐标系。 2 ) o i x l y l z l ：焊缝搬标系。 3 ) o p x p y p z p ：变位机基坐标系。 4 ) o p l x p l y p l z p l ：变位机第2 个杆件的坐标系。 5 ) 0 r x r y r zr ：变位机第3 个杆件( 卡盘) 的坐标系。 由变位机正运动学，可得到下式： 群婶= 瞄 ( 2 1 ) l s i n qc o s 0 2s i n qs i n 0 2c o s 最1 和= l s 证岛 一c o s 0 2 0 ( 2 2 ) lc o s 0 1c o s 臼2 一c o s 0 1s i n 0 2s i n 岛j 又因。o 月为： 抄0 1 0 协3100 ， ；胄= l ( 2 一 | _ c o s 0 1c o s 0 2c o s o ls i n 0 2一s i n b r o 儿_ p o 儿- r p r = l s i n 岛一c o s 口：0l ( 2 - 4 ) l s i n bc o s a 2 一s i n 研s i n 0 2c o s bj 让我们假定变换矩阵i ，的旋转子阵i 胄为： ：r 鼍雏习 沼 ：= i 以hi 口，l ( 2 5 ) lkh 概l 1 4 第二章智能焊接变位机的结构分析 不为： c o s o c o s 庐 o ，： ；r = ic o ss i n 矽o l o ，0 1 口y l s i n ps i n 0 扛；丽l 根据运动学链，可得到如下等式： 。r=?r1r1p i l 式( 2 - 6 ) 两边乘以( 仁) 。可变为 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 根据式( 2 - 8 ) 、( 2 6 ) 、( 2 5 ) 和( 2 4 ) ，可得到如下等式： f = 一s i n t c o s 幺 ( 2 9 ) y = s i n o ts i n 岛 ( 2 - 1 0 ) c o = c o s o l ( 2 1 1 ) 式中： 仁hs i n 妒+ hs i n 0 + i a ，, 1 一s i n 2 q g - s i n 2 0 v = r t n ys i n q g + j o ，s i n o + a ，1 一s i n 2 妒一s i n 2 0 c o = j n ：s i n 伊+ j o ：s i n 0 + j a ：4 1 一s i n 2 伊一s i n 20 根据式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) ，可求得如下解： 巳2c o s - ( c o ，) ，, c o 1(2-12) i 幺= t a n 2 1 ( y , -