焊接机器人手部结构及其电控系统设计

焊接机器人手部结构及电控系统设计摘 要焊接机器人在国民经济中发挥着不可替代的重要作用。焊接机器人的应用，不 但 改 善 了 劳 动 环 境 、减 轻 劳 动 强 度 ，而 且 提 高 焊 接 机 器 人 工 作 的 稳 定 性 和 焊 接产 品 质 量 的 一 致 性 ，这 对 于 保 证 批 量 生 产 的 产 品 焊 接 质 量 至 关 重 要 的 。焊 接 质 量是 焊 接 过 程 中 一 个 重 要 问 题 ，送 丝 系 统 的 稳 定 性 和 可 靠 性 直 接 影 响 着 CO2气 体 保护 焊 的 焊 接 质 量 ，而 提 高 送 丝 系 统 性 能 的 主 要 途 径 是 通 过 改 进 送 丝 机 的 硬 件 性 能和 改 进 送 丝 机 的 控 制 方 法 。本 文 介 绍 CO2气 体 保 护 焊 的 焊 接 工 艺 对 系 统 的 要 求 和送 丝 机 构 的 结 构 ，选 择 焊 接 参 数 ，设 计 焊 接 机 器 人 手 部 结 构 。通 过 调 速 系 统 调 节送 丝 速 度 ，对 比 几 种 送 丝 调 速 电 路 ，选 用 电 枢 电 压 负 反 馈 控 制 方 式 ，送 丝 电 机 采用 印 刷 直 流 电 动 机 ，其 输 出 特 性 平 直 ，稳 定 性 较 好 ，动 态 响 应 能 力 较 快 ，可 实 现快速调节送丝速度，达到稳定、低速，保证焊接质量。关键词：焊接机器人，送丝机，印刷 电机，送丝装置，调速I焊接机器人手部结构及电控系统设计AbstractWelding has played an indispensable role in the development of nationaleconomy. With the application of the welding robot,not only improving enviorment ofproduction,releasing work intension,but also, the stabilization and the consistency ofthe quality of welding production when welding robot operating,which is essential forguaranteeing the welding quality of batch products to some extend.The quality is oneof the important questions, the stability and reliability of the wire feeder directlyaffect the welding quality in CO2 arc welding, and that the main approach to enhancewire feeders performance is via improving feeders hardware and improving thefeeders control measures. The thesis introduces the request of CO2 arc weldingtechnology to feeder and the construction of wire-feed motor., choose weldingparameters, and design the structure of welding robots hands Via the adjustable-speedsystem accommodates the velocity of wire-feed ,compared with some kinds ofadjustable circuit, chooses armature-voltage negative feedback control manner,wire-feed motor uses the print motor, the performance of output is straight, thestability better, the capability of dynamic responses quick, makes the accommodationof velocity come true fast, achieves stability, low velocity, guarantees the quality ofwelding.keyword: welding robot, wire-feed motor, print motor, wire feeder，adjustable speedII焊接机器人手部结构及电控系统设计目 录第一章 前 言.11.1 选题背景.11.1.1 工 业 机 器 人 的 发 展 历 程 . 11.1.2 焊 接 机 器 人 技 术 的 发 展 现 状 和 应 用 . 21.1.3焊 接 机 器 人 的 研 究 意 义 . 31.1.4 MOTOMAN UP-6 型 弧 焊 机 器 人 介 绍 . 41.2 研究内容.51.2.1 研 究 基 本 内 容 .51.2.2 任 务 内 容 要 求 .5第二章 焊接方案设计.72.1 焊 接 方 法 的 选 择 .72.2 二氧化碳气体保护焊焊接参数的选择. .82.2.1焊 丝 直 径 . 82.2.2焊 接 电 流 . 82.2.3电 弧 电 压 . 92.2.4焊 接 速 度 . 92.2.5焊 丝 干 伸 长 . 102.3CO2气体保护焊工艺特点及与设备的关系. .102.3.1 CO2焊 自 动 调 节 系 统 .102.3.2 引弧与收弧工艺要求.132.4CO2焊焊接工艺对 CO2焊接设备的要求 .162.4.1 对 电 源 特 性 的 要 求 . 162.4.2 对 送 丝 机 的 要 求 . 192.5 对焊机控制系统的要求.20第三章 焊接机器人手部结构设计.223.1 焊接机器人送丝机构总体设计方案.223.2 送丝机.233.2.1 送 丝 电 动 机 . 243.2.2 减 速 箱 . 253.2.3 送 丝 滚 轮 . 26III焊接机器人手部结构及电控系统设计3.2.4 焊 丝 盘 .263.3 焊枪.273.4 送丝软管.27第四章 焊接机器人手部电控系统设计.294.1 电控系统总体设计.294.2 电源电路.304.2.1 电 源 主 电 路 . 304.2.2 电 源 控 制 电 路 . 304.3 送丝调速系统.354.3.1 典 型 的 送 丝 电 路 . 364.3.2 送 丝 机 调 速 电 路 . 394.4 其他控制系统.40第五章 经济分析报告.41参考文献.42致 谢. 44IV焊接机器人手部结构及电控系统设计第一章 前 言1.1 选 题 背 景1.1.1 工业机器人的发展历程工 业 机 器 人 是 机 器 人 中 数 量 和 种 类 最 多 的 一 种 机 器 人 ，广 泛 用 于 工 业 领 域 的各 行 各 业 。也 是 形 成 机 器 人 产 业 的 一 种 机 器 人 。工 业 机 器 人 一 般 由 机 械 本 体 、控制 器 、伺 服 驱 动 系 统 和 检 测 传 感 装 置 等 构 成 ，是 一 种 仿 人 操 作 、自 动 控 制 、可 重复 编 程 、能 在 三 维 空 间 完 成 各 种 作 业 的 机 电 一 体 化 自 动 化 生 产 设 备 ，特 别 适 合 于多 品 种 、变 批 量 的 柔 性 生 产 。它 对 稳 定 、提 高 产 品 质 量 、生 产 效 率 ，改 善 劳 动 条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工 业 机 器 人 并 不 是 简 单 意 义 上 代 替 人 的 劳 动 ，它 既 有 人 对 环 境 状 态 的 快 速 反应 和 分 析 判 断 能 力 ，又 具 有 机 器 可 长 时 间 持 续 工 作 、精 确 度 高 、抗 恶 劣 环 境 的 能力，从某种意义上说它也是机器进化过程的产物。工业机器人的应用领域非常广泛，主要用于生产制造过程中的焊接、切割、装 配 、喷 漆 、搬 运 、包 装 、产 品 检 验 等 ，目 前 在 汽 车 制 造 业 生 产 线 上 服 役 的 工 业机器人占总体数量的一半以上。工 业 机 器 人 技 术 是 当 今 世 界 最 引 人 瞩 目 的 高 新 产 业 之 一 。工 业 机 器 人 应 用 情况 是 一 个 国 家 工 业 自 动 化 水 平 的 重 要 标 志 。许 多 国 家 都 把 发 展 工 业 机 器 人 作 为 高技 术 领 域 的 战 略 目 标 列 入 国 家 发 展 计 划 ，但 各 国 的 发 展 模 式 有 所 不 同 。美 国 是 最早 出 现 工 业 机 器 人 的 国 家 ，1954 年 美 国 的 G.C.戴沃 尔发表了“通用重复型机器人 ”的 专 利 论 文 ，第 一 次 提 出 “工 业 机 器 人 ”和 “示 教 再 现 ”的 概 念 。1959 年美 国 Unimation 公 司 推 出 第 一 台 工 业 机 器 人 如 图 1-1 所 示 。1967 年 日 本 从 美 国 引进 Unimate 和 Versatan 等 类 型 的 工 业 机 器 人 ，采 取 一 系 列 鼓 励 使 用 工 业 机 器 人 的措 施 ，率 先 在 汽 车 制 造 业 的 喷 涂 、焊 接 、装 配 等 重 要 工 序 中 得 到 应 用 。并 以 此 为契机，向其它产业渗透。日本仅用了 10 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 占 全世 界 的 60%。而我国开发工业机器人晚于美国和日本，但也已有 20 多年的发展历史，并在 “七 五 ”期 间 对 工 业 机 器 人 进 行 了 攻 关 ，由 于 部 门 分 割 等 缘 故 ，所 研 制 的 220台机器人中竟然有 80 多个类型，所以工 业机器人一直没有形成 规模，很多停留在 样 机 水 平 上 ，距 产 品 规 模 化 还 有 相 当 的 差 距 。随 着 国 家 经 济 形 势 的 发 展 ，对 高技 术 的 要 求 也 发 生 了 变 化 ，我 国 于 1986年 将 发 展 机 器 人 列 入 国 家 “863”高 科 技1焊接机器人手部结构及电控系统设计计 划 。在 国 家 “863”计 划 实 施 五 周 年 之 际 ，邓 小 平 同 志 提 出 了 “发 展 高 科 技 ，实 现 产 业 化 ”的 目 标 。以 后 又 列 入 国 家 “八 五 ”和 “九 五 ”中 。在 国 家 的 组 织 和支 持 下 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。图 1-1 第一台工业机器人1.1.2 焊接机器人技术的发展现状和应用焊 接 加 工 一 方 面 要 求 焊 工 要 有 熟 练 的 操 作 技 能 、丰 富 的 实 践 经 验 、稳 定 的 焊接 水 平 ；另 一 方 面 ，焊 接 又 是 一 种 劳 动 条 件 差 、烟 尘 多 、热 辐 射 大 、危 险 性 高 的工 作 。工 业 机 器 人 的 出 现 使 人 们 首 先 想 到 用 它 代 替 人 的 手 工 焊 接 ，减 轻 焊 工 的 劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。从 世 界 上 工 业 机 器 人 应 用 的 统 计 来 看 ,主 要 应 用 领 域 是 焊 接 ,尤 其 是 汽 车 生产 国 ,焊 接 机 器 人 已 占 总 数 的 百 分 之 四 十 以 上 。世 界 著 名 大 汽 车 厂 的 焊 接 生 产 线都 已 普 遍 使 用 焊 接 机 器 人 。例 如 ，人 们 当 初 把 机 器 人 用 于 福 特 公 司 、通 用 汽 车 公司 的 汽 车 车 体 点 焊 工 程 ，1967 年 ，日 本 也 将 机 器 人 大 量 引 入 汽 车 行 业 。在 引 进 国 外 技 术 的 基 础 上 ，中 国 于 20 世 纪 70 年 代 末 开 始 研 究 焊 接 机 器 人 。1985 年 哈 尔 滨 工 业 大 学 研 制 成 功 我 国 第 一 台 H1989 床研究所和华南理工大学联合为天津自行车二厂研制出了焊接自行车前三脚架的 TJR-G1 型弧焊车身的点焊机 器 人 。上 海 交 通 大 学 研 制 的 “上 海 ” 、“上 海 2号 ”示 教 人 也 都 具 有 弧 焊 和 点2焊接机器人手部结构及电控系统设计焊 的 功 能 。20 世 纪 90 年 代 末 ，广 东 焊 接 研 究 所 等 开 发 制 造 并 投 入 运 行 的 中 国 第产 线 上 。轿 车 车 身 焊 装 生 产 线 上 也 应 用 了 机 器 人 技 术 。1997 年 首 钢 日 本 并 于 当年 年 底 推 出 了 第 一 批 国 内 生 产 的 机 器 人 ，其 中 主 要 产 品 是 焊 接 机 器 人 。中 国 机 械工 程 学 会 焊 接 学 会 和 中 国 焊 接 协 会 进 行 了 一 次 比 较 全 面 的 焊 接 机 器 人 在 制 造 业中应用情况调查焊接机器人已得到广泛应用。由 于 弧 焊 机 器 人 在 工 业 中 的 应 用 广 泛 ，而 且 在 焊 接 领 域 中 起 到 非 常 大 的 作用 ，因 此 ，对 弧 焊 机 器 人 的 研 究 又 极 其 重 大 的 意 义 ；机 器 人 并 不 是 在 简 单 意 义 上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既 有 人 对 环 境 状 态 的 快 速 反 应 和 分 析 判 断 能 力 ，又 有 机 器 可 长 时 间 持 续 工 作 、精确 度 高 、抗 恶 劣 环 境 的 能 力 ，从 某 种 意 义 上 说 它 也 是 机 器 的 进 化 过 程 产 物 ，它 是工 业 以 及 非 产 业 界 的 重 要 生 产 和 服 务 性 设 备 ，也 是 先 进 制 造 技 术 领 域 不 可 缺 少 的自动化设备。1.1.3焊 接 机 器 人 的 研 究 意 义21 世 纪 世 界 经 济 结 构 正 在 发 生 重 大 而 深 刻 的 变 革 ，但 制 造 业 依 然 是 世 界 各发 达 与 发 展 中 国 家 加 快 经 济 发 展 、提 高 国 家 综 合 竞 争 力 的 重 要 途 径 。我 国 是 一 个制 造 业 大 国 ，尚 处 于 工 业 化 进 程 之 中 ，在 未 来 相 当 长 的 时 期 里 ，制 造 业 仍 将 在 国民 经 济 中 占 主 导 地 位 。在 新 一 轮 国 际 产 业 结 构 调 整 中 ，我 国 正 逐 步 成 为 世 界 最 重要 的 制 造 业 基 地 之 一 。然 而 我 国 装 备 制 造 业 的 整 体 水 平 与 发 达 国 家 相 比 尚 有 较 大的 差 距 ，尤 其 是 在 战 略 必 争 的 装 备 技 术 与 竞 争 前 沿 核 心 技 术 、基 础 制 造 装 备 与 成套 关 键 装 备 制 造 技 术 等 方 面 差 距 更 大 ，这 种 差 距 又 主 要 体 现 在 先 进 装 备 的 自 主 设计 与 独 立 制 造 能 力 差 ，成 套 与 系 统 集 成 、优 化 能 力 差 ，技 术 创 新 和 集 成 创 新 能 力差 。这 些 差 距 已 经 成 为 制 约 我 国 制 造 业 乃 至 其 他 行 业 经 济 发 展 的 关 键 瓶 颈 问 题 之一。21 世 纪 基 础 制 造 装 备 的 水 平 主 要 体 现 在 高 精 度 、高 效 率 、低 成 本 和 高 柔 性等 几 个 方 面 。高 效 率 、高 精 度 工 艺 的 一 个 典 型 例 子 是 精 密 成 形 技 术 ，其 目 的 是 尽量 减 少 切 削 ，甚 至 免 除 切 削 ，减 少 原 材 料 的 浪 费 ，同 时 提 高 制 造 效 率 。精 密 成 形技 术 在 工 业 发 达 国 家 已 得 到 广 泛 应 用 。柔 性 自 动 化 仍 是 机 床 业 发 展 的 重 要 趋 势 之一 。柔 性 自 动 化 的 进 一 步 发 展 是 敏 捷 生 产 设 备 。为 适 应 敏 捷 生 产 模 式 ，人 们 正 在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。另 外 ，国 外 在 大 型 、成 套 装 备 方 面 有 很 大 优 势 ，并 且 在 成 套 装 备 的 高 技 术 化方 面 ，取 得 了 巨 大 的 进 展 ，已 经 实 现 了 数 控 化 、柔 性 自 动 化 ，并 大 量 采 用 工 业 机器 人 ，正 向 着 智 能 化 、集 成 化 的 方 向 发 展 。随 着 我 国 加 入 WTO，装 备 制 造 业 从 来3焊接机器人手部结构及电控系统设计没 有 像 今 天 这 样 直 接 地 面 对 国 际 同 行 的 有 力 竞 争 和 挑 战 。如 何 适 应 激 烈 的 国 际 竞争 和 快 速 变 化 的 世 界 市 场 需 求 ，不 断 以 高 质 量 、低 成 本 、快 速 响 应 的 手 段 在 新 的市 场 竞 争 中 求 得 生 存 和 发 展 ，已 是 我 国 装 备 制 造 业 不 容 回 避 的 问 题 。同 时 加 入WTO 也为我们提供了前所未有的机遇，我 们必须抓住机遇迎 头赶上。在 “ 十 五 ”期 间 ，我 国 曾 把 包 括 焊 接 机 器 人 在 内 的 示 教 再 现 型 工 业 机 器 人的 产 业 化 关 键 技 术 作 为 重 点 研 究 内 容 之 一 ，其 中 包 括 焊 接 机 器 人 。弧 焊 与 点 焊 机器 人 作 为 负 载 不 同 的 一 个 系 列 机 器 人 ，可 兼 作 弧 焊 、点 焊 、搬 运 、装 配 、切 割 作业 产 品 的 标 准 化 、通 用 化 、模 块 化 、系 列 化 设 计 ；弧 焊 机 器 人 用 激 光 视 觉 焊 缝跟踪装置的开发，激光发射器的选用， CCD 成像系统，视觉图像处理技术，视觉 跟 踪 与 机 器 人 协 调 控 制 ；焊 接 机 器 人 的 离 线 示 教 编 程 及 工 作 站 系 统 动 态 仿 真等。在 新 的 历 史 时 期 ，面 对 新 的 机 遇 和 挑 战 ，只 有 一 方 面 紧 跟 世 界 科 技 发 展 的 潮流 ，研 究 与 开 发 具 有 自 主 知 识 产 权 的 基 础 制 造 装 备 ；另 一 方 面 ，仍 然 通 过 引 进 和消 化 ，吸 收 一 些 现 有 的 先 进 技 术 ，尽 快 缩 短 和 别 人 的 差 距 。并 通 过 应 用 研 究 和 二次 开 发 ，实 现 技 术 创 新 和 关 键 设 备 的 产 业 化 ，提 高 我 国 制 造 业 在 国 际 舞 台 上 的 地位。工 业 机 器 人 是 典 型 的 机 电 一 体 化 的 高 技 术 产 品 ,在 许 多 生 产 领 域 对 提 高 生产的自动化水平 , 提 高 劳 动 生 产 率 、产 品 质 量 、经 济 效 益 ,及改善工人作业条件等 方 面 起 到 不 可 替 代 的 作 用 。许 多 劳 动 条 件 恶 劣 ,要求生产质量稳定的场合使用工 业 机 器 人 是 社 会 发 展 的 必 然 趋 势 。国 外 工 业 机 器 人 技 术 已 经 趋 于 成 熟 ,应用领域 相 当 普 及 ,已 制 作 出 各 种 型 号 的 机 器 人 ,可 完 成 点 焊 ,弧 焊 ,切 割 ,搬 运 ,装 配 等 各 种 工 作 。但 在 我 国 ,工业机器人的应用还只在起步 阶段 ,离工业机器人在 我 国 工 业 生 产 中 广 泛 应 用 还 有 较 长 的 一 段 距 离 。为 尽 快 缩 短 与 工 业 先 进 国 家 在工业机器人应用方面的差距 ,目前许多大专院校和科研单位不断地进行着研究、探 索 和 实 践 ,经 过 多 年 的 努 力 已 经 研 制 出 几 种 不 同 负 荷 的 工 业 机 器 人 样 机 ,有的在工业生产中得到了部分应用 ,但都没有达到能够进行工业化生产的程度。1.1.4 MOTOMAN UP-6 型 弧 焊 机 器 人 介 绍首 钢 莫 托 曼 机 器 人 有 限 公 司 生 产 和 销 售 用 于 汽 车 、摩 托 车 、工 程 机 械 、化 工 、家 电 、建 筑 等 行 业 的 各 类 机 器 人 （焊 接 、装 配 、喷 漆 、涂 胶 、切 割 、搬 运 和 研 磨用 途 ）、机 器 人 工 作 站 和 大 中 型 柔 性 生 产 线 ，并 为 用 户 提 供 各 种 周 边 设 备 、零 部件 和 各 项 完 善 的 技 术 服 务 。该 公 司 为 了 适 应 未 来 中 国 汽 车 工 业 、摩 托 车 工 业 及 其他 工 业 高 速 发 展 的 需 求 ，将 以 先 进 的 高 技 术 为 依 托 ，为 用 户 提 供 高 品 质 、多 功 能4焊接机器人手部结构及电控系统设计的 Motoman 系列机器人，其中 Motoman UP-6 型机器人是一种弧焊机器人。如图 1-2 所 示 。图 1-2 莫托曼焊接机器人1.2 研究内容1.2.1 研 究 基 本 内 容由于本文设计的焊接机器人是在莫托曼研制的焊接机器人 UP6 的基础上，研 究 Motoman UP-6 机 器 人 的 手 部 结 构 和 电 控 系 统 。根 据 焊 接 机 器 人 工 作 环 境 、受 力 情 况 等 设 计 焊 接 机 器 人 送 丝 机 构 的 基 本 结 构 ，选 取 该 机 构 中 所 用 到 的 送 丝 电机、减速箱、送丝滚轮等零部件，及 焊接机器人手部 电控系统。1.2.2 任 务 内 容 要 求（1）设计的机器人基本参数要求如下：焊接机器人身高：1500-2000m m ；5焊接机器人手部结构及电控系统设计使用交流永磁式伺服电机 :焊接的型式为弧焊, 弧上中心点是处于焊接机器人运动的最佳位置.（2）说明部分编写开题报告一份 翻 译 外 文 一 份 ，查 阅 外 文 资 料 ，译 文 不 少 于 2 万 字 符 ；编写论文一份，其中包括：A设计目的及 设计任务；B论文综述；查阅中外有关 资料和专利，综述相关内容；C手部 结构 设计；D手部电控系统设计：包括送 丝机构系统等设计；（3）计算部分焊接机器人手部结构的必要计算。（4）绘图部分 焊 接 机 器 人 手 部 结 构 装 配 图 一 张 （0#）；零件图若干张电控图若干张6焊接机器人手部结构及电控系统设计第二章 焊接方案设计2.1焊 接 方 法 的 选 择电弧焊（arc welding）是 利 用 电 弧 作 为 热 源 的 熔 焊 方 法 ，简 称 弧 焊 。图 2.1为适合机器人应用的弧焊方法。图 2-1 弧焊方法1. 气体保护电弧焊：气 体 保 护 电 弧 焊 （GMAW）是 用 外 加 气 体 作 为 电 弧 介 质 保 护 电 弧 和 焊 接 区的 电 弧 焊 ，它 是 应 用 非 常 广 泛 的 一 类 电 弧 焊 方 法 。能 够 用 作 保 护 气 的 气 体 主 要 有氦 气 、氩 气 、二 氧 化 碳 气 ，还 有 一 些 其 它 的 气 体 和 一 些 混 合 气 体 也 可 以 用 作 焊 接或切割的保护气。2. 氩弧焊：氩 弧 焊 虽 然 可 以 焊 接 所 有 的 金 属 但 是 它 引 弧 困 难 ，存 在 较 强 的 阴 性 清 理 作7焊接机器人手部结构及电控系统设计用，严格的焊前清理，也较为复杂。3. 二氧化碳气体保护焊：二 氧 化 碳 气 体 保 护 焊 是 利 用 二 氧 化 碳 气 体 作 为 保 护 气 的 气 体 保 护 电 弧 焊 ，简称 CO2焊。这种方法具有生产率高（比焊条电弧焊高 13 倍 ）、成 本 低 （是 埋 弧焊 和 焊 条 电 弧 焊 的 40% 50%）、焊 接 质 量 好 的 特 点 ，被 广 泛 地 应 用 在 汽 车 制 造 、石 油 化 工 及 造 船 等 工 业 中 。CO2焊 发 展 很 快 ，已 有 取 代 或 部 分 取 代 焊 条 电 弧 焊 的趋势。4. 药芯焊丝 CO2焊：药 芯 焊 丝 CO2焊 具 有 焊 条 电 弧 焊 和 CO2的 优 点 。采 用 药 芯 焊 丝 后 ，由 于 药 芯焊剂的成分改变了纯 CO2焊 电 弧 气 氛 的 物 理 化 学 性 质 ，因 而 可 以 减 少 飞 溅 ，且 飞溅 的 颗 粒 细 小 容 易 清 除 。又 因 焊 池 表 面 有 熔 渣 覆 盖 ，所 以 焊 缝 成 形 类 似 于 焊 条 电弧 焊 ，比 用 纯 CO2焊 时 美 观 。但 是 药 芯 焊 丝 也 有 不 足 之 处 ，如 焊 丝 制 造 过 程 复 杂 ；送 丝 较 实 芯 焊 丝 困 难 ，需 采 用 降 低 送 丝 压 力 的 送 丝 机 构 ；焊 丝 外 表 容 易 锈 蚀 ，粉剂易吸潮，因此要对焊丝的保存严加管理。所 以 最 终 选 择 CO2气 体 保 护 焊 ，CO2气 体 保 护 焊 的 飞 溅 问 题 是 一 个 很 重 要 的问题，在设计过程中尽量减少飞溅。2.2 二氧化碳气体保护焊焊接参数的选择CO2焊 广 泛 应 用 于 各 种 位 置 、不 同 坡 口 形 式 和 各 种 厚 度 焊 件 的 焊 接 。如 果不正确地选择焊接参数，将引起各种焊接缺陷，增加工时和降低工作功率。CO2焊的焊接参数主要有焊丝直径、焊接电流、 电弧电压和焊接速度等。2.2.1焊 丝 直 径根 据 焊 件 的 情 况 ，首 先 应 选 择 合 适 的 焊 丝 直 径 。各 种 直 径 的 焊 丝 都 有 其 使 用的 电 流 范 围 ，细 丝 适 用 于 较 小 的 电 流 ，而 粗 焊 丝 主 要 的 熔 滴 过 渡 形 式 为 潜 弧 射 滴过 渡 ，适 用 于 厚 板 和 填 充 焊 缝 。焊 丝 直 径 与 电 流 范 围 的 关 系 表 见 表 2-1。各 种 直径 焊 丝 合 适 的 电 流 和 电 弧 电 压 区 间 如 图 所 示 。从 图 中 可 以 看 到 ，小 于 1.mm的细丝主要的熔滴过度形式为短路过度，适用于薄板、打底焊2.2.2焊 接 电 流焊 接 电 流 与 送 丝 速 度 成 正 比 ，也 就 是 说 送 丝 速 度 越 快 则 电 流 也 越 大 ，反 之 亦然 。CO2焊焊接电流的大小是由送丝速度来调节的。焊接电流对焊丝和焊件的熔化 影 响 最 大 ，也 是 影 响 焊 深 的 主 要 因 素 。电 流 对 焊 丝 熔 化 速 度 影 响 为 ：随 着 焊 件8焊接机器人手部结构及电控系统设计电 流 的 增 加 ，焊 丝 熔 化 速 度 也 增 大 。其 中 细 焊 丝 的 熔 化 速 度 增 大 更 快 些 ，这 是 因为细丝产生的电阻热较大。通 常 随 着 焊 接 电 流 增 加 ，电 弧 电 压 也 相 应 增 加 一 些 ，所 以 随 着 电 流 的 增 加 焊缝熔宽和余高略有增大，熔深增加更明显。表 2-1 焊丝直径与电流范围焊丝直径/m m 推荐电流范围/A 可能使用电流范围/A0.6 4090 301800.8 50120 402000.9 60150 502501.0 7080 603001.2 80350 704001.6 300500 150600设定焊丝适应范围为 1.0mm、 1.mm、 1.mm焊接电流范围 705002.2.3电 弧 电 压CO2焊 电 弧 静 特 性 是 上 升 特 性 ，为 保 持 一 定 的 弧 长 ，随 电 流 的 增 加 ，电 弧 电压 也 应 增 大 ，电 弧 电 压 的 高 低 是 由 焊 接 电 源 调 节 的 。电 弧 电 压 是 决 定 焊 缝 熔 宽 的最 主 要 的 因 素 ，因 为 电 弧 电 压 越 高 ，电 弧 笼 罩 范 围 也 越 大 ，于 是 熔 宽 增 加 ，而 熔深、余高却减小。电 弧 电 压 也 反 映 了 弧 长 的 大 小 ，电 弧 电 压 越 高 弧 长 也 越 大 ，则 焊 枪 喷 嘴 到 焊件的距离也越大，气体保护效果也变差，当 电弧电压过高时易生成气孔。2.2.4 焊接速度在 保 持 焊 接 电 流 和 电 弧 电 压 一 定 的 情 况 下 ，焊 接 速 度 加 快 则 焊 缝 的 熔 深 、熔宽 和 余 高 都 减 少 ，焊 道 成 为 凸 形 。焊 接 速 度 再 加 快 ，在 焊 趾 部 出 现 咬 边 。进 一 步提 高 焊 速 时 将 出 现 驼 峰 焊 道 ，相 反 ，焊 速 过 低 时 ，熔 池 中 液 态 金 属 将 流 到 电 弧 的前面，电弧在液态金属上面燃烧，从而使 焊缝熔合不良形成未焊透。通常半自动焊时，当焊接速度低于 15cm/min， 焊枪移动不易均匀，而在焊接 速 度 达 到 60-70cm/min 时 ，焊 枪 难 以 对 准 焊 接 线 ，所 以 通 常 焊 接 速 度 多 为30-50cm/min。9焊接机器人手部结构及电控系统设计2.2.5 焊丝干伸长焊 丝 干 伸 长 较 大 时 ，由 于 电 阻 热 的 作 用 是 焊 丝 的 熔 化 速 度 加 快 ，但 是 焊 丝 干伸 长 过 大 时 ，将 引 起 电 弧 不 稳 ，飞 溅 增 加 ，焊 缝 外 观 不 良 和 产 生 气 孔 ，导 电 嘴 与焊 件 间 的 距 离 实 际 上 反 映 了 焊 丝 干 伸 长 的 大 小 ，因 焊 丝 干 伸 长 难 以 测 量 ，所 以 实际 上 只 给 出 导 电 嘴 -焊 件 的 距 离 ，该 距 离 的 大 小 主 要 根 据 焊 接 电 流 决 定 ，如 表2-2所 示 ，（当 焊 接 电 流 小 于 250A 时 ，其 间 距 为 6-15mm；当 焊 接 电 流 大 于 250A时 ，其 间 距 为 15-25mm）。焊 丝 干 伸 长 的 大 小 还 影 响 母 材 的 热 输 入 。当 改 变 导 电嘴 -焊 件 间 距 时 ，焊 接 电 流 与 熔 深 均 发 生 变 化 。当 该 距 离 增 大 时 ，焊 丝 熔 化 速度 加 快 ，而 焊 缝 熔 深 及 焊 接 电 流 减 少 ，根 据 这 一 特 点 在 半 自 动 焊 接 时 焊 工 可 以 通过调节焊枪高度来调节热输入。表 2-2 焊丝干伸长与焊接电流的关系焊接电流/A 导电嘴焊件间距/m m250 615250 15252.3 CO2气体保护焊工艺特点及与设备的关系2.3.1 CO2焊自动调节系统CO2焊 的 焊 接 过 程 一 般 都 包 括 引 弧 、焊 接 和 收 弧 三 个 阶 段 。为 获 得 高 效 与 优质 的 焊 接 接 头 ，就 应 保 证 每 个 阶 段 都 能 按 照 一 定 的 工 艺 要 求 进 行 ，而 这 些 工 艺 过程是由焊接设备保证的。为了获得良好的焊接质量，在焊接过程中应保持焊接参数，包括焊接电流、点 弧 电 压 和 焊 接 速 度 恒 定 不 变 。为 保 证 焊 接 过 程 稳 定 ，也 就 是 保 证 电 流 和 电 弧 电压 稳 定 ，这 是 十 分 困 难 的 ，因 为 焊 接 过 程 中 经 常 受 到 外 界 的 扰 动 ，而 导 致 电 流 和电弧电压偏离预定值。外界扰动有弧长、 电网电压等，尤其是弧长有 1 -2mm 的变 化 ，就 足 以 引 起 点 弧 电 压 较 大 的 变 化 ，而 这 一 微 小 变 化 又 是 经 常 发 生 的 ，所 以CO2焊 接 系 统 应 具 有 自 动 调 节 能 力 ，以 便 克 服 外 界 干 扰 的 影 响 ，保 持 参 数 稳 定 及焊缝尺寸稳定。CO2焊 自 动 调 节 系 统 主 要 有 两 种 形 式 ：一 为 弧 焊 过 程 自 身 调 节 系 统 ；另 一 类为电弧电压反馈调节系统。1. 弧焊过程的自身调节系统10焊接机器人手部结构及电控系统设计（1）基本原理弧 焊 过 程 的 自 身 调 节 系 统 是 由 独 立 的 送 丝 机 构 送 进 焊 丝 ，其 电 路 原 理 如 图2-2 所 示 。图 2-2 弧焊过程自身调节电路图CO2焊接过程中当焊丝以等速送进时，如果过程稳 定，也就是弧长不变时，焊 接 参 数 也 保 持 不 变 ，那 么 熔 化 速 度 以 v 就等于送 丝速度mv ，v = 。m vf f假 设 在 外 界 干 扰 作 用 下 弧 长 发 生 了 改 变 ，弧 长 由 l0增至 l1则 引 起 焊 接 电 流 减小 ，焊 丝 熔 化 速 度 v 也 减 小 ，而 送 丝 速 度 v 不 变 ，这 样 就 破 坏 这 一 平 衡 关 系 使mf得 vm v ，于 是 引 起 弧 长 减 小 时 弧 长 自 动 恢 复 到 原 定 长 度 l0，从 而 保 持 了 规 定 的f参 数 值 ，相 反 弧 长 受 外 界 干 扰 而 减 小 时 ，将 发 生 相 反 的 变 化 也 能 恢 复 到 原 规 定 长度 l0。可 见 ，这 种 恢 复 弧 长 的 现 象 不 是 靠 外 界 施 加 的 强 迫 作 用 ，而 完 全 是 有 弧 长变 化 所 引 起 的 焊 接 参 数 的 变 化 使 焊 丝 的 熔 化 速 度 产 生 了 相 应 的 变 化 而 自 动 调 节弧长，故称为电弧自身调节作用。（2）焊接参数的调整方法CO2焊 的 主 要 焊 接 参 数 有 焊 接 电 流 与 电 弧 电 压 。在 等 速 送 丝 系 统 中 ，焊 接 电流 主 要 由 送 丝 速 度 决 定 ，大 体 上 成 正 比 关 系 。理 想 自 身 调 节 静 特 性 曲 线 接 近 于 垂直 电 流 （恒 定 电 流 ），最 大 送 丝 速 度 v 对 应 着 最 大 电 流 I ，而 最 小 送 丝 速 度f max a maxv f min 对 应 着 最 小 电 流 I ，而 电 弧 电 压 主 要 由 电 源 外 特 性 决 定 ，在 电 弧 自 身 调a min节 系 统 中 电 源 外 特 性 应 采 用 缓 降 或 平 的 外 特 性 ，又 电 源 外 特 性 决 定 电 弧 电 压 的 调节范围。2. 电弧电压反馈调节系统电弧电压反馈调节系统主要用于粗丝 CO2焊和埋弧焊。11焊接机器人手部结构及电控系统设计（1）基本原理电 弧 电 压 反 馈 自 动 调 节 又 称 为 均 匀 调 节 ，其 电 路 原 理 图 如 图 2-3 所 示 。图 2-3 电弧电压反馈调节电路图这 时 送 丝 电 路 与 弧 焊 电 源 有 关 ，送 丝 电 动 机 的 电 枢 电 压 直 接 受 控 于 电 弧 电压 。当 系 统 受 到 外 界 干 扰 时 （如 弧 长 波 动 ），将 引 起 焊 接 参 数 的 变 化 ，这 里 是 利用电弧电压作为反馈量并通过一个专门的自动调节装置强迫送丝速度发生变化。例 如 ，弧 长 拉 长 时 电 弧 电 压 增 大 ，从 而 保 持 焊 接 参 数 恒 定 电 弧 电 压 反 馈 自 动 调 节系 统 原 理 框 图 如 图 2-4 所 示 。图 2-4 电弧电压反馈自动调节系统原理图给 定 电 压 Ug与 反 馈 电 弧 电 压 Ua相 比 较 来 决 定 送 丝 方 向 和 送 丝 速 度 的 大 小 ，这一关系的表达式如下：v = f k(U Uag )式 中 ：k -弧压自动调节系统的放大系数（cm/sV）12焊接机器人手部结构及电控系统设计稳定的焊接过程中 ，这 时vf = v (U ) 保 持 不 变 ，但 受 到 外 界 干 扰 后a U Um g a发 生 变 化 也 引 起 (Ua U ) 变 化 ，于 是 送 丝 速 度 v 发生变化，最 终使弧长维持稳g f定仍保持 f v 。v =m这 是 一 个 典 型 的 闭 环 控 制 系 统 ，通 过 不 断 采 集 电 压 信 号 U 作 为 被 控 制 量 ，a然后通过比较器、调节器和送丝机构调节送丝速度，从而达到调节弧长的目的。（2）弧压反馈调节系统的焊接参数调节方法弧 压 反 馈 调 节 系 统 的 焊 机 采 用 变 速 送 丝 与 陡 降 特 性 焊 接 电 源 相 配 合 ，而 在 变速送丝系统中静特性接近于平行电流坐标轴的直线，因此这种自动调节系统中，调 节 电 源 外 特 性 主 要 是 为 调 节 焊 接 电 流 ，而 调 节 给 定 电 压 主 要 是 为 调 节 电 弧 电压。2.3.2 引弧与收弧工艺要求焊 接 过 程 中 ，不 但 要 保 证 焊 接 是 过 渡 稳 定 。而 且 还 应 确 保 引 弧 与 收 弧 过 程 顺利 ，尤 其 是 在 短 焊 缝 时 更 应 注 意 引 弧 及 收 弧 技 术 ，否 则 将 影 响 焊 接 效 率 和 焊 接 质量。1. 引弧技术CO2焊 采 用 接 触 引 弧 ，为 实 现 瞬 时 成 功 引 弧 ，如 图 2-5 所 示 。焊 丝 的 端 头 与焊件相接触时，不希望在焊私欲导电嘴的接触点 B 处 附 近 烧 断 焊 丝 ，而 希 望 在 焊丝 端 与 焊 件 的 接 触 点 A处 烧 断 ，这 是 引 弧 成 功 的 必 要 条 件 。为 此 就 要 创 造 有 利 于在 A 处烧断的条件。已知 A点电阻 R 是 一 个 动 态 电 阻 ，随 着 接 触 时 间 的 延 长 ，RA Adi将 急