铝合金工件机器人自动化焊接系统研究与开发.docx

中图分类号：TP24 论文编号：102870513-S103学科分类号：080202 硕士学位论文铝合金工件机器人自动化焊接系统研究与开发研究生姓名学科、专业研究方向指导教师南京航空航天大学研究生院 机电学院二一三年一月Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsThe Graduate SchoolCollege of Mechanical and Electrical EngineeringResearch and development of robot automatic welding workstation for Al-alloy work pieceA Thesis inMechanical EngineeringbyWang HaoAdvised byAssociate Prof. Xue Jianbin Submitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringJAN, 2013承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 57 / 72摘 要自动化焊接工作站是焊接自动化领域的研究热点之一。本文以一种可以适应铝合金型材搭接件焊接工装的自动化焊接工作站为研究对象，深入研究了工作站的功能模块、焊接机器人移载平台模块、柔性焊接工装模块，并基于铝合金脚手架步道板实例进行了焊接工作站设计、搭建及调试。首先对焊接工作站进行功能需求分析，确定了工装模块、焊接执行模块、安全防护模块、系统控制模块、机器人移载平台模块等功能模块，构建了工作站的功能框架并在此基础上确定焊接工作站的布局形式及内部结构。研究焊接工作站关键部件机器人移载平台。进行安装形式的受力分析，确定在设计机器人运行速度下合理的安装方式，以此为基础对移载平台的关键零件滚珠丝杠型号及安装方式进行研究和设计。研究焊接加工中某一类常见工件，对其进行抽象概括并建立数学模型，通过模型分析研究尺寸变化对其工装产生的影响。在对数学模型进行分析的基础上研究该类工件的定位特点。并在上述工作的基础上为该类工件设计通用的可调式柔性装夹方案。结合铝合金型材搭接件研究基于实例的自动化焊接工作站设计，建立自动化焊接工作站实体，针对具体铝合金型材搭接件焊接工艺特性选择机器人焊接参数，并通过控制变量方法对三个主要焊接参数进行试焊验证。关键词：焊接工作站、机器人移载平台、可调工装、DSLD工件ABSTRACTAutomatic welding workstation is the focus of research in the field of welding. Many efforts have been made on research directions like fixture design, research in the distribution, control technique, etc. In this paper, a new kind of automatic welding workstation which can adapt varisized welding work piece by adopting a new kind of welding fixture is developed. This workstation is designed to solve the automatic welding requirements of Al-alloy welding pieces in different size.Firstly, in this paper, the functional requirements of workstation, which include fixture module, execution module, robot mobile platform, and security & protect module, are determined. The layout and the skeleton of workstation are determined based on above functional module.The key component of workstation, robot mobile platform, is deeply studied on follow aspects: the affection from installation towards basement stress, the rational assembly based on design speed. The key part of robot mobile platform, ball screw, is selected and checked, the assembly type of ball screw is studied.A common kind of work piece is summarized; its mathematical model is established and analyzed to figure out the relationship between fixture key points and size verification. A new kind of adjustable fixture is proposed based on former analysis to adjust the kind of work piece mentioned above.Finally, based on the 3D design model of workstation, established the entity of workstation. Based on the welding characteristics of Al-alloy structural welding pieces, the operation parameters are figured out and checked using parameter control method. Key Words: automatic welding workstation, robot mobile platform, adjustable fixture, DSLD work piece目录第一章 绪论11.1 引言11.2 课题来源和研究意义21.3 自动化焊接工作站国内外研究现状21.3.1焊接工作站系统41.3.2 焊接工件柔性工装技术51.3.3 铝合金自动化焊接61.4 论文的研究内容和章节安排71.5 本章小结8第二章 铝合金焊接工作站系统总体设计92.1 引言92.2 功能需求分析92.3 焊接工作站布局研究及结构设计102.3.1 工作站整体布局研究与设计102.3.2 工作站结构研究112.3.3 工作站结构设计142.4 本章小结18第三章 机器人移载平台的研究与设计193.1 概述193.2 焊接机器人安装方式的研究193.3 机器人移载平台研究243.3.1 丝杠导轨平台关键部件研究243.3.2 丝杠导轨平台机械结构293.4 本章小结32第四章 DSLD工件柔性装夹技术334.1概述334.2 DSLD工件及其数学分析334.2.1 DSLD工件定义334.2.2 DSLD工件数学基础334.2.3 DSLD工件定位点分析354.3 DSLD工件的工装技术研究374.3.1 组合夹具384.3.2 可调夹具384.3.3 DSLD工件的可调整夹具原理394.4 本章小结42第五章 基于实例的自动化焊接工作站设计与调试435.1 概述435.2 焊接工作站设计435.3 铝合金脚手架焊接工艺研究455.3.1 铝合金金属焊接性研究455.3.2 焊缝形状工艺性研究465.3.3 焊接参数确定485.4 程序示教与工件试焊515.5 本章小结52第六章 总结与展望536.1 本文的主要研究成果536.2 研究中存在的问题和未来展望53参考文献54致谢58在学期间的研究成果及发表的学术论文59图、表清单图2.1 自动化焊接工作站的功能模块10图2.2 焊接工作站车间布局11图2.3 单套固定夹具+焊接机器人工作站12图2.4 两套带变位机工装平台+焊接机器人工作站12图2.5 搬运机器人+焊接机器人工作站13图2.6 多变位外部轴+双机器人工作站13图2.7 机器人焊接自动生产线14图2.8 方案一：外部轴安装在工装夹具下16图2.9 方案二：外部轴安装在机器人下16图2.10 焊接工作站整体布局117图2.11 焊接工作站整体布局218图3.1 非悬臂状态下平装机器人底座受力模型20图3.2 悬臂状态下平装机器人底座受力模型21图3.3 机器人速度曲线21图3.4 侧壁吊装机器人底座受力模型22图3.5 机器人工作空间23图3.6 滚珠丝杠导轨副计算模型25图3.7 焊接机器人设计速度曲线25图3.8 机器人移载平台组成30图3.9 机器人移载平台组成30图3.10 G-Z安装方式30图3.11 G-J安装方式31图3.12 J-J安装方式31图3.13 G-G安装方式31图4.1 工件坐标系与平台坐标系34图4.2 坐标系平移模型34图4.3 DSLD工件尺寸变化示意35图4.4 组合夹具使用流程37图4.5 可调整夹具使用流程37图4.6 调整式可调夹具原理39图4.7 挠性定位器原理40图4.8 挠性定位器结构41图4.9 利用挠性件定位的定位杆结构41图4.10 无级可调工装42图4.11 带定位尺的导轨侧图42图5.1 自动化焊接工作站装配图44图5.2 自动化焊接工作站实物44图5.3 焊件主型材搭接截面47图5.4 典型焊件结构（编号113为焊缝分布位置）48图5.5 型焊缝外形特征48图5.6 角焊缝外形特征49图5.7 焊接速度测试图50图5.8 焊接电流测试图51图5.9 焊接电压测试图51图5.10 铝合金脚手架试焊效果52表2.1 几种工作站结构方式特点14表2.2 产品尺寸系列15表3.1 不同安装方式下的最大支承力24表3.2 滚珠丝杠导轨副安装条件25表3.3 轴向负荷变化表26表3.4 伺服电机参数29表4.1 孔系组合夹具主要组类38表5.1 型材搭接件的焊缝形式构成46表5.2 焊接参数设定49第一章 绪论1.1 引言焊接是通过加热熔融（有时辅以压力）将两块金属或热塑材料连接在一起，使两者之间达到原子结合的制造方法，它在工业生产中具有极其广泛应用，被称为工业制造的“裁缝”，广泛应用于汽车、航空宇航、船舶制造、石油化工、能源动力、机械制造等行业中Harry Udin,Edwerd R.Funk,John Wulff. Welding for engineers. New York: John Wiley & Sons Inc., 1954:1719.贺文雄，张洪涛，周利. 焊接工艺及应用. 北京:国防工业出版社,2010:69。随着焊接技术发展，焊接产品中以往存在的诸如毛刺、夹渣等外观缺陷越来越不能为人们所接受，而焊接疏松、气孔、裂纹等制造缺陷因为存在潜在的安全隐患也被更多的关注，解决这些制造问题，其根本是防止生产者劳动过程中的操作不当。然而由于焊接工人的技术水平、心态情绪、生产责任等因素均因人而异，在人工操作的基础上解决上述问题的成本极高。另一方面，大量制造企业操作工人稀缺，焊接作为一种工作环境恶劣，对人体损伤大的工种，愿意从事的人很少，娴熟的焊接工人更加以稀为贵。举例来说：经过对大批制造企业调查发现，大量80后、90后劳动者对单调、枯燥、环境恶劣的焊接工作表现排斥态度，尽管焊接工作平均薪水高于电子产品制造企业27%以上可见薪酬已经不是造成焊接工人匮乏的唯一原因。目前在工厂车间中由于劳动力短缺、人工操作的不稳定等原因，自动化焊接工作站已经成为大量制造业的经济之选。从成本角度来考虑：焊接是一种对技术要求较高的加工方式，目前在工厂一线上劳动者工资很容易达到4000元月，市场一台焊接工业机器人均价咋15万元左右，其劳动效率可以顶替三个工人，如此算下来人力成本与机器人使用成本相差无几，再考虑到机器人的使用寿命至少35年，成本优势更显著。经济上的可行性由以下两个方面构成：一是机器人使用成本的降低与劳动者工资的上升形成“此消彼长”的局势，在五年前一台焊接工业机器人价格在50万元以上，现在则降到15万元不到；与此同时，制造业工人工资每年以10%20%的速度递增。第二个方面是机器人的持久性远优于工人，也不会有人类的情绪波动，其生产的产品质量稳定性和一致性更高。调查应用数据显示，将焊接机器人引入汽车白车身焊接工艺流程后，车身焊接优良率从87%提升到93%。上述原因使焊接自动化工作站取代人工焊接成为主流。研究发现，目前的焊接工作站面向的焊接对象要么是单一焊接参数，固定焊缝布置，固定型号任务的大批量零件；要么是产品任务经常改变，需要针对不同任务采取不同的工装，使用不同的焊接参数，而且因为焊缝布置不同因此焊接机器人运行程序也不同；第三类则是焊缝极长，焊接条件复杂，需要有针对性的开发专用的自动焊接流动站，典型的如造船业中的船体焊接 Sang-Min Yang, Man-HoCho, H o-Young Lee,etc. Weld line detection and process control for welding automation. Measurement Science and Technology,2007,30(18):819826.。调查发现目前的焊接自动化应用中，有一种需求被关注的相对偏少，即针对同一产品系列，而在系列产品间某个方向或某两个方向的尺寸有所变化的任务。这种焊接自动化的需求在工装上不能像固定焊接任务工作站那样采用固定工装模式也不需要像小批量焊接任务那样必须采用灵活广泛适用的焊接工装，而对于每个焊接任务设计专用工作站也是不切实际的。1.2 课题来源和研究意义基于上述背景，以常熟市常胜铝制品有限公司与南京航空航天大学合作的铝合金脚手架自动化焊接工作站为依托，对同系列工件焊接自动化方案进行研究。本文的研究工作旨在针对前述同系列工件的自动化焊接任务概括出一种普遍性模型，并针对该模型设计通用焊接工装夹紧方案，在对自动化焊接周边技术进行一定研究的基础上，解决同系列铝制品工件自动化焊接的实际应用问题。本文针对自动化焊接工作站的研究工作具有实际的经济意义和生产意义，自动化焊接工作站具有良好的经济优势。与人工焊接相比，自动化焊接工作站虽然一次性投入比人工成本高，但是单工作站的功能当量可以接近三个焊接操作工，性能更加稳定，焊接质量更可靠。本文的研究工作可以为企业节省大量成本，提高铝合金型材搭接件自动化焊接水平。另外本文的研究工作提取了工业生产中一类常见焊接工件，对其进行建立模型，并做数学分析，在理论分析的基础上提出了该类工件柔性可调的装夹方式，并对该类工件的夹具进行了一定的研究与设计。可以为该类型工件的工装设计提供一般性的解决思路，对该类工件的研究解决的焊接生产中一类工件的自动化焊接问题。1.3 自动化焊接工作站国内外研究现状焊接自动化布置方式分为生产线方式和工作站布置方式，具体表现有刚性自动化工作单元、刚性自动化生产线、柔性制造单元、柔性自动化生产线，其中刚性自动化工作单元处于加工自动化的最底层，针对加工任务更换时需要大量调整工作，而且加工质量也很难保证。刚性自动化生产线主要面向少品种大批量产品生产，投资较大，调整周期也很长。柔性焊接制造单元是以自动化焊接执行装置如焊接机器人为工作核心，由计算机实现数字化控制、采用工件柔性装夹技术的焊接制造系统。柔性自动化生产线一般由多个柔性焊接制造单元构成加工节点，由自动化物料流通存储系统实现物流自动化，多级计算机组成控制及管理系统。柔性自动化生产线的加工质量可靠、效率高、容易与ERP系统及工艺管理系统组成上级自动化制造系统，但是该种生产线投资额度最大。自动化焊接工作站属于柔性制造单元的一种，自动化程度虽然略低于柔性焊接生产线，但是投资却少得多，而经济效益接近因此在生产中应用也很广泛。焊接有多种方法，如电阻焊、压焊、激光焊、电弧焊、水下焊接等等。但其中在工业现场应用最为广泛的是电弧焊，在生产中最为常见。车间中广泛应用的焊接自动化工作站也是针对这种焊接方式开发的。弧焊包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊等焊接方式，这些焊接方式的焊接参数、操作方法虽然有一定程度的不同，但是它们都是以移动焊枪为焊丝载体，通过药芯焊丝与焊接母材之间形成的电弧熔融母材或填充金属形成结合。因此在实现自动化焊接中也具有相似的特质 Cary, Howard B., Helzer Scott. Modern welding technology. New Jersey:Englewood Cliffs, 2004:1213. NORRISH John. Advanced welding processes. Technologies & process control, 2006(9)：2729.。这些相似性可以为实现弧焊焊接自动化站提供普遍性依据。自动化焊接工作站一般由机械、电气、焊接三大部分模块组成，是综合利用现代工业机器人技术、柔性工装技术、智能焊接电源技术、传感技术，用于高效高质自动完成焊接操作的机电液气一体化产品。随着人口红利逐年降低，我国制造业面临升级转型的艰巨课题，自动化技术受到越来越多的重视，在这样的背景下，焊接自动化工作站受到以汽车制造企业为代表的广大企业的欢迎。一个典型的焊接工作站一般具有以下几个基本的模块：1. 工装夹具，包括焊接工装平台、定位装夹工具、感知装夹情况的传感系统。将待焊部件依照工艺需求定位装配夹紧，并通知执行部分准备就绪。2. 焊接操作，该部分主要为工业机器人，起到的作用是携持焊枪形成焊接轨迹。除工业机器人外焊枪、焊机、绕片机及送片机也是焊接操作完成必不可少的设备。3. 变位机或外部轴，在焊缝分布比较复杂或者工件体量较大情形下，工作站会配有焊接变位机配合焊接操作机器人动作或者机器人移载平台实现多工位转换。4. 工作站控制系统，主要包括焊接参数控制模块、机器人控制器模块、实现工位转换的机器人移载模块或外部轴控制器、传递信号和加工信息的传感器、电磁阀系统以及工作站整体协调控制模块等等5. 安全防护系统，焊接时容易产生焊渣、飞溅等现象，不仅会造成气缸或者定位元件的损伤还有可能对操作人员产生伤害，因此近年受到越来越多的重视。传统防护装置一般是防护围栏或氧化钴有机玻璃罩，但是这些装置降低了焊接过程的可视性。近期一种采用红外传感器技术的光栅防护栏可以通过安全光幕检测工作过程中的异物进入，不过成本昂贵。焊接自动化工作站始终是焊接领域研究的热点，随着计算机技术、传感技术的不断进步，焊接自动化技术也在飞速发展。几乎在所有焊接领域都能看到它的应用，自动化焊接使焊接效率得到了很大提高，焊接产品的质量有了坚实的保证，已经逐步取代人工焊接乃至最终实现全焊接流程的操作无人化 胡绳荪，王立君，杜则裕，等. 焊接自动化技术及其应用. 北京：机械工业出版社，2007:56。近年来，国内外焊接行业对于自动化焊接工作站的研究主要集中在柔性焊接工装、工作站先进控制、工作站先进设计技术、机器人轨迹规划、焊缝识别与跟踪等关键技术。结合本文主要研究工作，下面就自动化焊接工作站研究现状、焊接工件柔性工装技术进行简要阐述，并结合本文主要研究工作对铝合金自动化焊接研究现状进行介绍。1.3.1焊接工作站系统自动化焊接工作站在车架车身等机构件中应用最为广泛。河北焦建武在汽车车身自动化焊接工作站中结合汽车车身主焊线生产工艺，为工作站进行布局分析、工艺改进并采用光电识别技术建立工件自动识别系统，将现场采集数据与控制中心数据比并进行不匹配报警的方式 焦建武. 汽车车身焊装机器人工作站设计及应用. 机械工程师，2012，1：126128。北京郗安民、刘颖、刘鸿飞等人在摩托车车架焊接工艺中采用机器人焊接工作站对焊接工作站进行整体布局设计、H型变位器支架设计大大提高了车架焊接效率和质量 郗安民，刘颖，刘鸿飞. 摩托车车架焊接机器人工作站. 组合机床与自动化加工技术，2000，1:614。上海交通大学的刘成良、张凯、付庄等人针对柔性焊接工作站中RV12L-6R弧焊机器人控制问题展开研究，基于机器人关节空间进行轨迹规划，提高了焊接工作站机器人编程效率 刘成良、张凯、付庄，等. RV12L-6R机器人轨迹规划及其应用研究. 机械设计与研究，2002,18(1)：6063。合肥工业大学吕堃对商务车前桥横梁机器人焊接工作站中设备布局方式、变位器及回转工作台进行研究，依据商务车前桥横梁的焊接工艺性确定焊接工艺参数。解决了手工焊接前桥横梁时难以控制工序节拍导致焊接质量不稳定以及劳动环境恶劣的问题 吕堃. 商务车前桥横梁焊接机器人工作站关键技术研究，硕士学位论文. 安徽:合肥工业大学，2006.。上海谈士力、沈俊杰从汽车关键零件焊接工艺特点和要求的角度分析，分析机器人自动焊接单元系统构成及特征，对焊接单元的工艺分析与选择、夹具设计、系统电气控制方案进行着重分析。成功研制出汽车车前悬架ABS结构件的焊接工作站，取得了很高的生产率和生产质量 谈士力、沈俊杰. 弧焊机器人焊接单元研制. 上海大学学报，2000,6(4)：359362.。在自动化焊接工作站设计阶段，很多学者也致力于研究更高效快捷的设计方法。焦恩璋在自动化焊接工作站设计前期基于AutoCAD工作平台的AutoLSP开发语言，在对CAD软件个性化开发的工作上，采用参数化三维建模技术，建立了puma560机器人的几何模型，并进行机器人运动仿真 徐呈艺，李业农，张佳兴，等. 基于AutoCAD的PUMA560机器人运动学正解分析. 煤矿机械，2012，11(33):9799.，这种技术可以直观的规避焊接工作站设计初期的干涉等问题。北京学者蒋力培、王泽、俞建荣等人在研究翅片管焊接自动化时提出了一种组合式结构的自动化工作站微机控制系统，将焊接自动化工作站控制分为整体控制、焊接电源参数控制、自动焊头参数控制、绕/送片机控制等几大模块，针对后面三者采用了成熟的集成控制板控制，实现控制的快速反应与调控准确；针对全局控制采用微小PLC控制工作站整体响应、各模块的通讯、参数设定等。分布式控制简化了控制逻辑，取的了令人满意的控制效果 蒋力培，王泽，俞建荣，等. 组合式焊接自动化控制系统. 焊接学报，1994，4(15)：270274.。燕山大学的于忠海针对大型加氢反应压力容器的堆焊技术提采取串联坐标方式，由操作机的升降机构完成初定位数控焊接跟踪系统完成纵向跟踪增加了工作站的焊接范围 于忠海. 大型组合式柔性焊接工作站设计与研究. 机械工程学报，2003，5(39)：116118.。南京理工大学学者刘永、杨静宇针对兵器行业多自由度机器人焊接工作站中焊接机器人示教编程方式的低智能化、效率低下、环境感知度低、实际应用局限性大的现状提出了一套融合视觉传感信息的机器人焊接智能化系统总体方案。提高了机器人编程效率，利用智能传感和自动补偿提高了自动化程度和精度 刘永. 弧焊机器人工作站智能化技术研究，博士学位论文. 南京，南京理工大学，2005.。传统焊接工作站中采用的焊接机器人为示教再现型控制方式，这种机器人在一定空间内、焊接周围不变的条件下能实现焊接的高精确度操作 刘志红，高洁，姜飞，等. 焊接机器人光电跟踪CCD传感系统的优化设计. 北京石油化工学院学报，2010，1(18)：1417.，然而工业生产中往往面临长跨距焊缝、多变动焊接条件，因此如何在变化条件下获得高精度焊接效果的有效途径之一就是焊缝跟踪。美国田纳西理工大学Aaron T.O Toole 针对船体焊接中超长空间分布连续焊缝提出了利用电磁履带视觉导航自动追踪焊缝的MRWS移动焊接站点。提高了造船业的焊接生产效率 Aaron T. OToole. Design of a mobile robotic welding system,Master Dissertation. Tennessee, Tennessee Technological University, 2010.。国内南通大学的吴晓、华亮针两位学者对移动焊接机器人精密定位焊枪位置的控制方式展开研究，为实现无位置传感器下精密开环定位控制系统的设计，提出了在焊枪跟踪控制时调整电机微补步通时间的控制方法。利用单片机和EDA各自的控制优势，对双行波超声波电机进行微步控制，从而提高了焊枪定位精度 吴晓，华亮，顾菊平，等. 基于超声波电机的移动焊接机器人焊枪精密定位控制系统研制.工程设计学报，2010,5(17):372376.。对于复杂焊件的焊接，浙江大学Zhenyu Liu、Wanghui Bu依据CAD/CAPP/CAM integration技术针对焊接夹具重构或工作站布局更改的情况提出基于焊接经验知识和焊件特征的弧焊机器人高效的离线编程技术 zhenyu liu, Wanghui Bu, Jianrong Tang. Motion navigation for arc welding robots based on feature mapping in a simulation environment, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2010, 2(26)：137144.。韩国汉阳大学的Pyunghyun Kim、Sehun Rhee、Chang Hee Lee等人针对空间任意焊缝循迹问题，通过利用激光视觉传感器，采集焊缝数据，并建立对象的几何模型，实现了焊接机器人轨迹的自动生成 Pyunghyun Kim, Sehun Rhee, Chang Hee Lee. Automatic teaching of welding robot for free-formed seam using laser vision sensor, Optics and Lasers in Engineering. 1999, 31(1999)：173182.。韩国釜庆大学的Manh Dung Ngo等人利用一台总控制器和多台与总控制器通过I2C通信的伺服控制器实现了焊接机器人操作末端对长方形平面焊缝跟踪的鲁棒性控制 Manh Dung Ngo, Vo Hoang Duy. Robust control of welding robot for tracking a rectangular welding line. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2006,3(3)：142147.。上海交通大学的Yanlin Xu、Huanwei Yu、Jiyong Zhong等人设计一套应用于GTAW焊接工作站上的teaching-playback型机器人的视觉传感系统，通过对焊缝图像分析，提出canny算法获取焊缝熔池及边缘特征。获得了高质量的焊缝 Yanlin Xu, Huanwei Yu, Jiyong Zhong, etc. Real-time seam tracking control technology during welding robot GTAW process based on passive vision sensor, Journal of Materials Processing Technology. 2012,8(212)：16541662.。韩国三星重型机械的Donghun Lee和岭南大学的Taewon Seo两位学者对于轮船零部件焊接工作站中的3P3R型串联弧焊机器人工作空间进行分析，并进行运动参数优化，采用双步优化方法获得了机器人可行参数域 Donghun Lee, Taewon Seo, Jongwon Kim. Optimal design and workspace analysis of a mobile welding robot with a 3P3R serial manipulator, Robotic and Autonomous System. 2011, 10(59)：813826.。德国学者L. Jones、J.-F. Dagenais、W.Danner等人在EFDA（European Fusion Development Agreement）的支持下，针对中空薄壁管道相贯处焊缝跟踪问题，设计了一种IWR机器人（Intersection Welding Robot）并采用激光探照方式纠正焊枪循迹的偏差 L. Jones, J.-F. Dagenais, W.Danner, etc. Design of the Intersector Welding Robot for vacuum vessel assembly and maintenance, Fusion Engineering and Design. 2000, 5151：979983.。美国德克萨斯A&M大学的RANJEET AGARWALA将SCARA机器人应用于GMAW焊接过程中，对焊接电压、电弧以及机器人手臂轨迹精确控制，并对系统对于电压变化响应速度进行了分析 Ranjeet Agarwala. Control of Robot Integrated Gas Metal ARC Welding Process, Master Dissertation.Texas USA: Texas A&M University, 2000.。1.3.2 焊接工件柔性工装技术在焊接工装夹具设计中根据焊接工装夹具柔性化程度，焊接夹具可分为专用工装夹具和柔性工装夹具两种。在高精密、高价值或者大规模生产的产品线上，由于加强刚度、增加稳定性、提高精度和效率的需求，常常采用专用夹具，如飞机装配生产线、汽车零部件生产线等 王政著. 焊接工装夹具及变位机械:性能、设计、选用. 北京：机械工业出版社，2001:710.。而针对中小型批量产品，模块化的柔性工装夹具则因具有能快速适应变化的工装需求、开发周期短等优势得到了广泛应用 Z.M Bi, WJ Zhang. Flexible fixture design and automation: Review, issues and future directions, International Journal of Production Research. 2001,13(39):28672894.。目前焊接工装领域的研究也主要针对这两个领域。专用夹具一般以汽车、飞机的大型零部件生产领域应用最广泛，例如波音公司针对波音787机体设计了复杂而精密的专用装夹定位系统，通用汽车的装配生产线也是采用专用焊装夹具。专用夹具的设计条件依据需求而定，本文暂不多做讨论。柔性焊接夹具以其广泛的适用性得到越来越的研究和关注。在柔性焊接工装的研究领域中上海交通大学陈建平、董晓雨提出了一种焊接机器人工装即插即用控制技术，在工装中引入嵌入式控制系统，将机器人的焊接作业程序及控制逻辑固化在工装模块中，当新的工装引入到焊接工作站中时，通过简单地坐标系变换，将相对作业程序转变为标准作业程序。实现了工装更换时免示教，有效地缩短了新产品工装作业程序问题 董晓雨.机器人焊接工装的即插即用控制技术的研究，硕士学位论文. 上海，上海交通大学，2008.。贾秀杰、李剑锋等人在研究ZL50 的前车架焊接夹具是提出了可重构的焊接夹具设计思想。通过功能结构的特点进行组织焊接工装，详细研究焊接夹具的定位稳定性、夹紧稳定性和焊接过程变形稳定性及总体约束4个功能要求，通过建立功能层特征层结构层的映射，匹配不同的夹具结构模块，形成夹具方案，使设计和生产更为快捷 贾秀杰，李剑锋，李方义.基于可重构的焊接夹具设计研究. 机械设计与制造, 2008，10(7)：212214.。柔性焊接工装的设计过程中，焊接结构加热和冷却循环不可避免地导致残余应力和焊接变形是不容忽视的因素。上海交通大学的徐涛、林涛在对火箭贮箱五通连接器焊接变形预测研究的基础上提出了“N-2-1”定位准则并对N5的柔性工装进行结构优化，保证薄壁工件在焊接工装自持力、自重、和焊枪作用力下变形最小 徐涛.基于FEA的五通连接器变形预测和焊接工装设计，硕士学位论文. 上海，上海交通大学，2007.。香港理工大学的Li,B., Shui,B.W., Lau,K.J.等人就金属型材装配焊接的特殊需求，以金属横梁组装为研究依托，建立了一种新的夹具组态方式并验证了可行性 Li,B., Lau,K.J.Principle and simulation of fixture configuration design for sheet metal assembly with laser welding. Advanced Manufacturing Technology,2001,18(9):276284.。Bluco公司在与通用汽车公司合作进行汽车车架焊接中，提出了网格型夹具系统可以为工件提供合理并柔性的夹具。近些年来，一系列装夹工艺知识的建模与表达方法、工装夹具知识的获得和应用等得到了学术界越来越多的关注，例如FAN等学者基于XML和UML技术对工装夹具设计知识的建模方法展开研究，通过将夹具设计知识、范例模式转化为一系列的特征集合，并将知识库植入分布式系统，供自动查询和检索时候应用 FAN L Q, KUMAR A Senthil. XML-based representation in a CBR system for fixture design. Computer-Aided Design and Application, 2005,2(1/2/3/4):339-348.。中南大学易文、刘德福等人在研究了结合规则推理(RBR)与实例推理(CBR)的两重混合推理技术的基础上，集成计算机CAD系统二次开发工具，结合基于产生式规则的推理方式和模糊评定技术提出了一种RBR与CBR技术相结合的槽系组合夹具混合推理模型。可以准确有效地获得定位特征 易文.混合推理式槽系组合夹具CAD系统研究，硕士学位论文. 长沙，中南大学，2011.。美国伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute）的Kevin RONG教授与卡特彼勒公司合作开展了针对卡特彼勒公司大型工程机械零部件焊接工艺的计算机辅助工装夹具设计系统研究开发和应用工作 WANG Hui, RONG Yi ming (Kevin). Case based reasoning method for computer aided welding fixture design. Computer Aided Design, 2008,40(12):1121-1132.，相关工作被分为两个阶段，第一阶段为“计算机辅助工装设计系统的研发和应用”，第二阶段在第一阶段工作的基础上，开展“知识驱动的智能化计算机辅助夹具设计系统的开发与应用”。河海大学的吴玉光教授、王锦桥教授将CAD系统集成入孔系工装的设计中，利用连杆设计算法在ACIS6.3和VC+6.0平台上开发了孔系夹具装夹方案自动设计系统，缩短了夹具开发周期 傅强.孔系组合夹具定位方法的算法研究，硕士学位论文 .南京，河海大学，2003.。土耳其伊斯坦布尔大学的M. Vural, H.F. Muzafferoglu 等人深入研究了焊装夹具对不锈钢结构焊接冷却过程中的变形所产生的影响 M. Vural, H.F., Muzafferoglu, U.C., Tapici. The effect of welding fixtures on welding distortions. Journal of Achievements in Material and Manufacturing Engineering,2007,20(2)：1721.。1.3.3 铝合金自动化焊接由于铝合金在制造业中的地位日趋上升，铝合金制品的自动化焊接成为焊接领域的重要课题。目前国内外专门针对铝合金的焊接特性而开发焊接工作站的研究工作已经有了一些。唐山的周军年、李静、王广英等人从焊接效率和焊缝力学性能的角度出发，从铝合金焊接适用性的角度分析，比较双丝和单丝MIG机器人生产特点。进而依据焊接机器人设计焊接工作站，将4V坡口型材焊接效率提升1倍 周军年，李静，王广英，等. 焊接机器人在轨道车辆铝合金焊接中的应用. 物理测试，2010,3(28)：1619.。上海交通大学的林丽华、唐逸民、陈立功等人就SiC(P)/LD2铝基复合材料的钎焊过程将钎料对铝基复合材料润湿在焊枪上露点增强设备，有效提高了接头强度，减少了焊缝内气泡密度和体积权值 林丽华，唐逸民，陈立功，等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接机理，焊接学报，1997,1(18):1215.。大连研究者柳绪静、刘黎明、王恒等人针对铝合金熔池和焊缝断面进行研究，研发了一种激光TIG复合热源焊接方案弥补了TIG焊接镁和铝形成连续的金属间化合物层，导致镁和铝接触的界面开裂问题。大大提高了焊缝的强度，且焊缝美观均匀 柳绪静、刘黎明、王恒，等. 镁铝异种金属激光TIG复合热源焊焊接性分析. 焊接学报，2005,8(26)：3135.。美国学者Kato K、Tokisue H.采用磨擦焊分别对Al2O3颗粒增强的铝基复合材料与6061、5052、2017铝合金进行焊接促使了增强颗粒向另一侧铝合金移动的倾向，并在此基础上设计出专用摩擦焊焊接工作站设备 Kato K, Tokisue H. Weld interface of friction welded aluminum alloy composite to aluminum alloy joints. Welding International,1995,9(5):352356.。英国Warwick大学的T.A Barnes和I.R Pushby基于可减轻车身总重的汽车车架太空铝合金型材的接缝焊接拼接技术，对TIG焊接、激光焊接、摩擦搅拌焊三种焊接方法在拼接边界处的焊接优劣进行对比研究 T.A. Barnes, I.R. Pashby. Joining techniques for aluminium spaceframes used in automobiles Part Isolid and liquid phase welding. Journal of Materials Processing Technology, 2000,(99)：6677.。但是由于在一般应用场合下，铝合金焊接TIG、MIG焊接方法与其他金属操作方式差别并不大，因此从经济的角度考虑多数仍采用通用工业机器人负载焊枪执行焊接动作的方法。在广泛参考前述工作的基础上，对已有的研究工作进行归纳，结合常熟市常胜铝制品公司的自动化焊接需求，认为在焊接制造领域中，针对铝合金型材同尺寸系列的自动化焊接研究不够多，而这是制造业中很常见的焊接任务，因此对它展开深入研究有重要的意义。结合目前汽车车架、摩托车车架、飞机机体等焊接工作站的研究工作，总结其一般性结构，本文首先在此基础上确定焊接工作站的布局形式及内部结构。其次研究焊接工作站关键部件，对其进行安装形式的受力分析。第三，研究焊接加工中一类常见工件，对其进行抽象概括并建立数学模型，通过模型分析研究尺寸变化对其工装产生的影响。在对数学模型进行分析的基础上研究该类工件的定位特点。并在上述工作的基础上为该类工件设计通用的可调式柔性装夹方案。最后结合铝合金型材搭接件研究基于实例的自动化焊接工作站设计，与工厂技术人员合作建立自动化焊接工作站实体，针对具体铝合金型材搭接件焊接工艺特性选择机器人焊接参数，并通过控制变量方法对三个主要焊接参数进行试焊验证并进行试焊。1.4 论文的研究内容和章节安排在广泛查阅国内外焊接自动化工作站设计相关论文、专著的基础上，参考国内外同业者设计经验和即有成品的背景下，紧密联系目标焊接要求，设计了一套基于孔槽结合焊接工