焊接机器人在支架管板连接件焊接的应用

1、哈尔滨华德学院毕业设计（论文）开题报告焊接机器人在支架管板连接件焊接的应用专 业 学 生 学 号 班 号 指导教师 开题日期 2017 年 9 月 17 日摘要为了促进我国焊接机器人在焊接领域真正实现优质、高效、成本低廉的自动化、柔性化及智能化焊接，综述了国内外焊接机器人技术发展概况以及我国焊接机器人的应用现状。焊接机器人在支架管板连接件焊接的应用，针对焊接机器人价格昂贵、编程复杂、寻位及清枪时间过长等问题，提出了我国焊接机器人技术的研究重点及发展趋势，即焊接机器人用弧焊电源技术、传感技术、焊缝自动识别与跟踪技术、焊缝成形质量控制技术、遥控焊接技术、离线编程与仿真技术以及多台焊接机器人及外围设

2、备的协调控制技术。关键词：焊接机器人；管板连接；应用AbstractIn order to promote our country in the field of welding robot to realize high quality, high efficiency and low cost welding, automatic, flexible and intelligent welding robot welding, the development of technology and application of welding robot in China the status

3、 quo at home and abroad are summarized. Application of welding robot in welding tube plate bracket, the welding robot is expensive, programming complex, searching and cleaning time, puts forward the research emphases and development trend of Chinese welding robot technology, the welding robot techno

4、logy, sensor technology and automatic seam welding power, recognition and tracking technology, quality control technology of weld welding technology, remote control, offline Programming and simulation technology, and the coordinated control technology of multiple welding robots and peripherals.Key w

5、ords: Welding robot; Tube plate connection; Application目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1课题背景11.2国内外研究现状11.3研究目的及意义21.4本文研究的主要内容2第二章 焊接设备和材料42.1焊接设备42.2焊接材料52.2.1 试验材料52.2.2 焊接性分析6第三章 焊接机器人的应用93.1焊接机器人的组成及分类93.2焊接机器人的发展历程103.3焊接机器人的主要技术123.3.1焊接机器人的最新技术123.3.2应用焊接机器人的意义14第四章 焊接机器人在支架管板连接件焊接的应用174.1焊接机器人

6、在支架管板连接件焊接的应用174.2焊接机器人在支架管板连接件焊接的发展趋势184.2.1机器人操作机结构184.2.2焊接机器人的技术展望204.2.3焊接机器人未来研究的热点及发展方向22结论23致谢24参考文献25IV第一章 绪论1.1课题背景焊接是一项工作环境恶劣、工作强度大、对工作熟练程度要求高且对操作人员会产生潜在危害的工作。进入21世纪20年代，伴随国家经济的发展，人民生活水平不断提升，同时我国社会老龄化不断加剧，一线焊接工人数量呈现减少趋势。而根据国家统计局公布的我国焊接材料的产量数据显示，从2006年到2014年我国焊材产量在逐年增加，这就意味着焊接工作量在逐年增加。焊接机器

7、人的出现有效解决了这种供需矛盾，并且可以使更多人把工作时间投入到更具创造力的工作上。同时焊接机器人的使用可以提高焊接生产效率，改善工作人员的劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现产品的差异化生产，并能够推动相关产业自动化升级改造。焊接机器人技术发展几乎和典型关节机器人技术发展同步。各种机器人技术的开发、研究及应用推动着我国工业的快速发展。尤其是焊接机器人在各类机器人中占据非常重要的地位，约占工业机器人的1/3，对我国经济发展转型发挥了至关重要的作用。1.2国内外研究现状我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在7

8、0年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽是我国最早引进焊接机器人的企业，1984年起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线。80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进

9、使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人1040台，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%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3：2，其他

10、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。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂， 从中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。1.3研究目的及意义在化工、轻工、核能等设备中，管与管板的焊接接头不仅数量多，操作难度大，而且焊接质量要求高。目前上海某工厂管板焊接是手工操作的，生产效率低、工人劳动强度大、焊接质量不稳定。所以本文针对上述情况，设计出管板自动焊接机器人系统。本文所设计的管板自动焊接机器人，包括机械系统、视觉自动定位系统、PLC控制系统和基于触摸屏的人机交互界面。根据工件及焊接工艺要求，焊接基本参数通

11、过触摸屏设定，采用触摸屏实现初始定位精度调试,确定视觉传感识别管孔中心并将位置信息传递给以PLC为控制核心的控制系统，引导焊接初始位置自动识别、焊接。实现了对管板焊接机器进行自动化改造，使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，视觉定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。1.4本文研究的主要内容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。然而目前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，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装

12、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

13、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。随着我国贸易溶入全球化，我国装备制造业从来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。同时溶入全球化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。第二章 焊接设备和材料2.1焊接设备焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备采用机器人代替手工焊接作业

14、是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志己被国内许多工厂所接受，并且越来越多的企业首选焊接机器人作为技术改造的方案。焊接机器人是装上了焊钳或各种焊枪的工业机器人。工业机器人的运动控制系统涉及数学、自动控制理论等，内容很多。采用机器人进行焊接，光有一台机器人是不够的，还必须配备外围设备。常规的弧焊机器人系统由以5部分组成。1、机器人本体，一般是伺服电机驱动的 6 轴关节式操作机，它由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证机械手末端（悍枪）所要求的位置、姿态和运动轨迹。2、机器人控制柜，它

15、是机器人系统的神经中枢，包括计算机硬件、软件和一些专用电路，负责处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。3、焊接电源系统，包括焊接电源、专用焊枪等。4、焊接传感器及系统安全保护设施。5、焊接工装夹具。习惯上所说的电动机伺服系统，是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分；而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。按照伺服系统的结构特点，它通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。伺服单元的硬件一般由五部分构成：1 实现轴伺服电机的PID控制、或FUZZY（模糊） 控制、或其它控制规律的伺服控制单片机；2 伺服控制模板，其功能是实现控制单片机输出数字量的D/A转换与输入到单片

16、机的模拟量的A/D转换；3 伺服驱动功放，一般机器人的轴驱动电机的功率多在100W1000W的范围，多属中等功率，为此，由伺服控制模板给出的控制信号必须经功率放大才能推动电机；4 伺服电机是焊接机器人的轴伺服控制系统的控制对象。5 伺服电机的转速、位置检测装置（转速、位置传感器）。转速、位置检测装置的功能是实时检测轴伺服电机转速和电机角位移量，并将实时检测结果反馈给电动机伺服系统，以形成电动机伺服的闭环或半闭环控制系统。即便是开环控制系统，一般也需要电动机转速和电机角位移量的实时检测参数。因此，转速、位置检测装置是机器人的轴伺服控制系统极重要的组成环节。焊接机器人的轴伺服控制系统结构称为主从控

17、制方式：它是采用主、从两级控制计算机实现系统的全部控制功能。主计算机实现轴伺服控制系统的管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作协调控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。焊接机器人的轴伺服控制系统结构还可采用所谓“分散控制系统”。对于小批量多品种、体积或质量较大的产品，可根据其工件的焊缝空间分布情况，采用简易焊接机器人工作站或焊接变位机和机器人组合的机器人工作站。以适用于“多品种、小批量”的柔性化生产。对于工件体积小、易输送且批量大、品种规格多的产品将焊接工序细分，采用机器人与焊接专机组合的生产流水线，结合模块化的焊接

18、夹具以及快速换模技术，以达到投资少、效率高的低成本自动化的目的。2.2焊接材料2.2.1 试验材料本课题试验过程所用的是板厚为2 mm和4 mm的低碳钢，其中Q235钢的化学成分如表2-1所示。其钢的力学性能如表2-2所示。表2-1 Q235钢的化学成分(wt.%)化学成分名称CSIMnSPCrNiCu含量0.170.22%0.35%1.40%0.045%0.045%0.045%0.045%0.045%表2-2 Q235钢的力学性能牌号屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）伸长率(%)Q235235375500262.2.2 焊接性分析金属材料的焊接性是一个相对的概念，它既与材料本身的材质有关，

19、也与焊接工艺参数密切相关9。但可以从焊接的角度来分解出这种低碳钢的性能，对这种低碳钢的性能给出一个评定方法。二氧化碳气体保护焊目前在各个领域中都以得到了普及，已经发展成一种不可或缺的焊接工艺 。1. 碳当量分析 低碳钢中的化学成分，对焊接成形后的接头影响很大。比如对焊接的热影响区更是有直接的关系。所以用化学成分来分析可以看出来很多的东西。根据国际焊接协会(IIW)所提出的碳当量公式10知，Q235钢的碳当量为0.25，一般认为，当碳当量小于0.42时，冷裂倾向较小。从碳当量方面来看，Q235钢具有优良的焊接性。2. 冷裂纹和热裂纹由焊接冷裂纹敏感指数知，Q235钢冷裂纹敏感指数为0.155%，

20、一般认为，当冷裂敏感指数不大于0.200.25，冷裂倾向较小。从冷裂纹敏感指数来看，Q235钢发生冷裂倾向很小。具有优良的焊接性。良好稳定的连接是实现可靠应用的基础，针对熔焊对接结构的特点，本文采用抗拉强度来评价镀锌板搭接接头的连接质量，并且分析了影响接头性能的主要因素。热裂纹是在焊接高温度下产生的，其中的危害最严重的是结晶裂纹，因为结晶裂纹是在结晶后期形成的，是由低熔点物质所形成的液态薄膜而引起的，它与焊缝金属的组成成分，主要是由碳、镍、硫、锰等元素有着密切关系11。从化学组成可以知道，Q235钢中的含有的碳非常的低，锰比较高。钢材的 Mn/S 较高，因为具有非常好抗结晶裂纹得性能，热裂纹不

21、是低碳钢的材焊接主要问题。3. 再热裂纹再热裂纹多发生的部位多为焊接时经过12001450加热，然后在消除应力中又经过500700温度循环的地方12。焊接Q235钢是在室内进行的，所以其反应性很低，采用在焊接前，焊前预热，再热裂纹是可以抑制的。接头的开裂位置是指断裂层面在接头中所参照的合适部位，这些部位包括基材内层、母材与焊缝层面及焊缝。由于接头内部残余应力分布及接头在加载测试中的作用力状态均和参与产物大的数量有关，因此反应产物的数量不仅影响接头硬度的大小，而且也会形成接头开裂位置的变化。4. 焊前预热温度焊前预热是减慢焊缝金属和焊接热影响区冷却速度的最有效的措施，可以降低焊接接头的硬度，使氢

22、比较易于从焊接处扩散或逸出，防止焊接冷裂纹的产生，可以指出，预热温度如果过高，一方面会恶化了劳动条件，另一方面也会在局部预热的条件下，由于是产生了附加的应力，反而是会加剧产生冷裂13。因此，并不是预热温度越高越是好，而应该是合理选择预热的温度。根据Pc可以确定防止冷裂纹的最低预热温度Q235钢的Tp为-380。故不需要焊前预热。5. 层状撕裂撕裂与板厚有关，一般的板厚在16mm以下的就不会轻易产生层状撕裂，从钢材的本身来说，钢中的片状硫化物是与层状硅酸盐或这是大量成片地密集于同一个平面内的氧化铝夹杂物都能导致塑性的降低和层状撕裂的产生14。目前，在工业发达的国家中二氧化碳气体保护焊的使用率已经

23、大大提升。而我国气体保护焊使用率也有显著的增长，尤其是在造船及汽车工业。随着各个大型企业的技术革新，二氧化碳气体保护焊技术在大型金属结构制造中已是被社会所认可。使用这种焊接方法完成的焊接金属结构已是其他焊接方法的60，在生产工厂中处于中流砥柱的地位。二氧化碳焊半自动焊用于短焊缝及曲线焊缝的焊接，采用短路过渡时，可以进行全位置焊接，一般二氧化碳焊自动焊使用于焊接长直焊缝和环缝，二氧化碳焊自动焊主要用于水平位置的焊接，如想焊接立焊和横焊需要有特殊装备才能满足焊接条件。既凡是能够提供热量的都有可能被开发用来作为焊接热源；再加上，焊接方法与机械连接方法相比可以大大节省材料、实现接头密封，而且生产周期短

24、、生产效率高其应用范围是几乎不受限制的，低碳钢不等厚板二氧化碳气体保护焊的时候工艺上应该注意以下几个问题：1. 不同厚度的低碳钢是铁磁材料，当焊缝轮廓大，延伸到焊接回路长度变大，焊接回路电感会相应变大，使焊接电流减少，所以结果的熔核尺寸将减小，焊接时间必须注意这个问题，焊接要有一个合理的顺序，找到电流和电极压力，最大限度地减少对焊接回路电感造成的影响；2. 二氧化碳气体保护焊保焊时，由于是低碳钢不等厚板的焊接，所以其刚度是不同的，如果焊接电压、焊接电流等参数不当，会容易发生变形，不易形成优质的的焊缝，因此要采用适当的参数来焊接，以便降低对最后成形外观的影响。3. 因此焊接的范围从小到微米级的分

25、子、原子，大到几百个厚度的大厚板之间都是可以实现可靠性的连接，再加上，焊接方法与机械连接方法相比是可以大大节省材料、实现接头密封，而且生产周期短、生产效率高其应用范围是几乎不受限制。第三章 焊接机器人的应用3.1焊接机器人的组成及分类焊接机器人的组成：完整的焊接机器人系统一般由以下几个部分组成.机器人系统，包括机器人本体、控制柜、示教器;焊接系统，包括焊接电源、焊枪焊钳、送丝机构、供气机构等;焊接辅助系统，包括焊接变位移动装置、焊接工装夹具及扩展设备等;焊接外部传感系统，包括采集焊接环境信息的视觉传感器、采集焊缝和焊接熔池信息的视觉传感器以及反馈焊接电压波动的电弧传感器等;焊接综合处理与控制系

26、统，主要包括焊接工艺数据库、焊接任务自主规划、编程仿真系统、传感器信息处理系统及机器人焊接运行的协调控制系统。焊接机器人的分类：焊接机器人的分类形式多样，可根据实际应用需求从技术层次、工艺方法、结构形式、受控方式、驱动方式等多个角度对焊接机器人进行分类。从技术层次角度，焊接机器人可分为以下3代: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，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。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

27、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。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。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、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。3.2焊接机器人的发展历程我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是

28、大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家"863"高科技计划。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。在国内市场发展的推动下，以及对机

29、器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家"八五"和"九五"中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研

30、究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽是我国最早引进焊接机器人的企业，1984年起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线 。80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生

31、产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人1040台，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%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3：2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布

32、在工程机械（10%）、摩托车（6%）、铁路车辆（4%）、锅炉（1%）等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂， 从中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。进入21世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在4000台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大

33、利的COMAU及奥地利的IGM公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。目前在我国应用的工业机器人中，国产机器人的数量不足100台，特别是近两年新安装的机器人焊接系统中已经看不到中国机器人的身影，虽然我国已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，有以下几个主要原因：国内机器人价格没有优势。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台78万美元降低到23万美元，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，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降不下来；我国焊接装备水平与

34、国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。对于机器人的最大用户汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有的装备都来从国外引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的

35、发展。3.3焊接机器人的主要技术3.3.1焊接机器人的最新技术1.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的零位精度直接影响着焊接质量的稳定性。但在实际生产中不可避免会发生焊枪与夹具之间的碰撞等不可预见性因素导致TCP位置偏离。通常的做法是利用手动进行机器人TCP校零，但一般全过程需要30min才能完成，影响生产效率。TCP自动校零是用在机器人焊接中的一项新技术，它的硬件设施是由一梯形固定支座和一组激光传感器组成。当焊枪以不同姿态经过TCP支座时，激光传感器都将记录下的数据传递到CPU与最初设定值进行比较与计算。当

36、TCP发生偏离时，机器人会自动运行校零程序，自动对每根轴的角度进行调整，并在最少的时间内恢复TCP零位。2.双丝焊接技术 近年来由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展，对高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度，达到36m/min，焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外，双丝焊接还有其他的工艺特点：在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔率低等。由于焊接速度非常高，特别适合采用机器人焊接，因此可以说机器人的应用也推动了这一先进焊接技术的发展。目前双丝焊主要有两种方式：一种是

37、Twin arc法，另一种为Tandem法。焊接设备的基本组成类似，都是由两个焊接电源、两个送丝机和一个共用的送双丝的电缆。为了防止同相位的两个电弧的相互干扰，常采用脉冲MIG/脉冲MAG焊法，并保持两个电弧轮流交替燃烧。这样一来，就要求一个协同控制器保证两个电源的输出电流波形相位相差180°。当焊接参数设置到最佳时，脉冲电弧能得到无短路、几乎无飞溅的过渡过程，真正做到“1个脉冲过渡1个熔滴”，每个熔滴的大小几乎完全相同，其大小是由电弧功率来决定。Twin arc法的主要生产厂家有德国的SKS、Benzel和Nimark公司，美国的Miller公司。Tandem法的主要厂家有德国的C

38、loos、奥地利Fronius和美国Lincoln公司。据德国Cloos公司介绍，采用Tandem法焊接23mm薄板时，焊接速度可达6m/min，焊接8mm以上厚板时，熔敷效率可达24kg/h。3. 激光/电弧复合焊接技术激光/电弧复合焊接技术是激光焊接与气体保护焊的联合，两种焊接热源同时作用于一个焊接熔池。该技术的研究最早出现在20世纪70年代末，但由于激光器的昂贵价格，限制了其在工业中的应用。随着激光器和电弧焊设备性能的提高，以及激光器价格的不断降低，同时为了满足生产的迫切需求，激光/电弧复合焊接技术近年来成为焊接领域最重要的研究课题之一。激光/电弧复合焊接技术有多种形式的组合，有激光/T

39、IG、激光/MAG和激光/MAG等。激光/电弧复合焊接技术之所以受到青睐是由于其兼各热源之长而补各自之短，具有1+1>2或更多的“协同效应”。与激光焊接相比，对装配间隙的要求降低，因而降低了焊前工件制备成本；另外由于有填充焊丝消除了激光焊接时存在的固有缺陷，焊缝更加致密。与电弧焊相比提高了电弧的稳定性和功率密度，提高了焊接速度和焊缝熔深，热影响区变小，降低了工件的变形，消除了起弧时的熔化不良缺陷。在这点上特别适合铝及其合金的焊接。激光/电弧复合焊接技术是对激光焊接的重大发展，焊接同样板厚的材料可降低激光功率一半左右，因此大大降低了企业的投资成本，该技术的发展对推动激光焊接的普及将起重要的

40、作用。4. 伺服焊钳技术的汽车装焊工艺中的应用伺服机器人焊钳，就是利用伺服电机替代压缩空气做为动力源的一种新型焊钳。它具有以下优点：(1) 提高车身的表面质量 伺服焊钳由于采用的是伺服电机，电极的动作速度在接触到工件前，可由高速准确地调整到低速，这样，就可以形成电极对工件的软接触，减轻电极冲击所造成的压痕，从而也减轻了后序车身表面修磨处理量，提高了车身质量。而且，应用伺服控制技术可以对焊接参数进行数字化控制管理，可以保证提供出最适焊接参数数据，保证焊接质量。(2) 改善作业环境 由于电极对工件的是软接触，可以减轻冲击噪声，也不会出现使用气动焊钳时所造成的排气噪音。改善了现场的作业环境。(3)

41、高生产效率 伺服焊钳的加压开放动作由机器人来自动控制。与气动焊钳相比，伺服焊钳的动作路径可以控制到最短化，缩短生产节拍，提高生产效率。(4) 目前，从投资的角度来考虑，购买伺服焊钳设备的一次投入较高，因此，伺服焊钳还不能被广泛采用。但是，考虑到伺服焊钳的优势，如伺服焊钳的软接触化，对工件的冲击可减轻，从而可以相对减少焊接夹具夹紧机构的数量，削减夹具的费用等，也可以减少生产线的整体投资额，伺服焊钳仍有其广阔的应用空间。因此，随着发展，伺服焊钳会越来越多应用于生产线上。工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。随

42、着我国加入WTO后国际竞争更加激烈，对工业机器人的需求会越来越大，我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，我们要把握这一机遇，迎接挑战，为我国跻身于机器人强国之列而努力奋斗。3.3.2应用焊接机器人的意义焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定

43、作用。采用机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24h连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。（5）可缩短产品改型换代

44、的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越的特性，取决于人们对上述技术的融合程度。经过近10年的努力，我国在机器人焊装夹具设计方面积累了较丰富的经验，机器人周边设备实现了标准化，具有年产300余套焊接机器人工作站的能力。可以说国内的系统集成商在机器人工作站及简单的焊装线的设计开发方面具有了与国外系统集成商抗衡的能力，近几年为国内汽车零部件等企业提供了大量的机器人焊接系统。但是另外一个严重的事实是，我们还不具

45、备制造高水平的机器人成套焊装线的能力。国内几大汽车厂的车身焊装线都是由国外机器人系统集成商设计制造的。作为焊接机器人的最大用户，预计未来的10年我国汽车年产量要达到千万辆，现在的焊接装备远远满足不了生产需求，对焊接装备的需求量将大幅增加，焊装生产线要求更加自动化和柔性化，以适应多品种、小批量的生产要求，机器人将大量应用于焊接生产线中。对我国的机器人系统集成商来说如何抓住机遇是当前要解决的重要课题，从另一方面讲也决定着国产焊接机器人的命运。(1)实行企业联合。机器人系统集成商与汽车制造商联合，消化吸收国外汽车焊装线。(2)建立自己的焊接装备设计标准及数模，提高设计水平和效率。(3)加强人才培养建

46、设。机器人焊接生产线是个复杂的系统工程，涉及到机械、电气、物流传输、计算机、汽车设计制造、机器人技术、焊接技术等多种学科，而我国目前还没有关于这方面较为系统的培训机构。(4)加强与国外公司的合作，通过合作学习提高自己的设计水平。第4章 焊接机器人在支架管板连接件焊接的应用4.1焊接机器人在支架管板连接件焊接的应用在化工、轻工、核能等设备中，管与管板的焊接接头不仅数量多，操作难度大，而且焊接质量要求高。作为柔性焊接设备的焊接机器人正逐浙成为焊接过程自动化的一个重要部分，是提高关键结构件的焊接质量的重要手段。管板焊接机器人的应用，不仅提高了焊接质量和生产率，而且降低了工人的劳动强度，作业环境也得以

47、改善。归纳起来采用管-板焊接机器人有下列主要意义：（1）提高焊接质量。焊接参数如焊接电压、电流、焊接速度等对焊接结果起决定作用。采用管-板焊接机器人焊接时对于每个管孔的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小, 因此降低了对工人操作技术的要求，使焊接质量提高。而人工焊接时，由于焊接速度、干伸长等因素都是变化的，因此很难做到焊接质量的均一性。（2）改善了工人的劳动条件。采用管-板机器人焊接工件时，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、飞溅等。对于焊接工人来说他们不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从强度非常大的体力劳动中解脱出来。（3）提高企业生产率。管-板焊接机器人没有疲劳，一天可以24小时连

48、续生产，而且随着高速又高效焊接技术的应用，使用管-板焊接机器人焊接，效率提高的更加明显。（4）可缩短产品改型换代的周期, 减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。（5）产品周期明确，容易控制产品产量。管-板焊接机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。4.2焊接机器人在支架管板连接件焊接的发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：4.2.1机器人操作机结构通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化

49、设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。例如，以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的

50、拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。（1）机器人控制系统：重点研究开放式，模块化控制系统。向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之

51、外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。（2）机器人传感技术：机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问

52、题就是传感系统的实用化。（3）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。（4）机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应

53、用的最著名实例。多机器人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。（5）虚拟机器人技术：虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。（6）机器人性能价格比：机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在

54、已达到5万小时，可以满足任何场合的需求。（7）多智能体调控技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将

55、会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。4.2.2焊接机器人的技术展望为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，国际机器人界都在加大科研力度，对机器人技术进行深入研究。从机器人技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。（1）视觉控制技术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

56、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CCD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。弧焊中使用激光视觉系统可以抗电弧辐射、火焰、热金属飞溅、振动、冲击和高温，这种传感器正在成为智能自适应

57、焊接机器人焊接优先选用的视觉系统 。（2）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。将模糊控制理论和实际焊接过程相结合，发展成为专用焊接控制器，进一步发展成为了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识的能力较差，当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响都会影响模糊控制的效果。因此，在模糊控制理论方面，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 。（3）神经网络控制技术神经网络控制是研究