自動焊接機(jī)器人項(xiàng)目的建議書
摘要：焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)焊接機(jī)器人的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。 關(guān)鍵詞：自動化 可行性 伺服系統(tǒng)
1 研究目的及應(yīng)用
1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中最早使用機(jī)器人一詞，劇中機(jī)器人“Robot”這個(gè)詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表，特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機(jī)器人設(shè)想。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1959年第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。
工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡單裝配等工序上。其中在汽車工業(yè)等部門中，焊接機(jī)器人可以完成對人體有害物料的焊接或工藝操作。
接下來我們將從焊接機(jī)器人的用途，特點(diǎn)，社會意義和經(jīng)濟(jì)利益以及研發(fā)過程中的技術(shù)要求等方面來對焊接機(jī)器人進(jìn)行可行性研究。
2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)水平
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接已從簡單的構(gòu)件連接或毛坯制造，發(fā)展成為制造業(yè)中的精加工方法之一。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足現(xiàn)代高科技產(chǎn)品制造的質(zhì)量和數(shù)量要求；同時(shí)，在對環(huán)境和人身安全的考慮上，均讓我們認(rèn)識到現(xiàn)代焊接加工正在向著機(jī)械化、自動化的方向發(fā)展。
焊接自動化主要是指焊接生產(chǎn)過程的自動化。其主要任務(wù)就是：在采用先進(jìn)的焊接、檢驗(yàn)和裝配工藝過程的基礎(chǔ)上，建立不需要人直接參與焊接過程的焊接加工方法和工藝方案，以及焊接機(jī)械裝備和焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置。其核心說實(shí)現(xiàn)沒有人直接參與的自動焊接過程。焊接自動化主要包括兩方面：一是焊接工序的自動化，二是焊接生產(chǎn)的自動化。在焊接自動化方面主要的技術(shù)包括：機(jī)械技術(shù)、傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、自動控制技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。焊接自動化不僅可以大大提高焊接生產(chǎn)率，更重要的可以確保焊接質(zhì)量，減少人為因素的影響，改善操作環(huán)境及對人的傷害。自動化焊接專機(jī)、機(jī)器人工作、生產(chǎn)線盒柔性制造系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用已成為一種不可阻擋的趨勢。據(jù)此，國內(nèi)外發(fā)展有如下概況：
（1）高精度、高速度、高質(zhì)量、高可靠性。由于焊接加工越來越向著“精細(xì)化”加工方向發(fā)展，因此，焊接自動化系統(tǒng)也向著高精度、高速度、高質(zhì)量、高可靠性方向發(fā)展。這要求系統(tǒng)的控制器及軟件系統(tǒng)有很高的信息處理速度，電氣機(jī)械裝置有很好的控制精度。如，機(jī)器人和焊接操作機(jī)行走機(jī)構(gòu)的定位精度可達(dá)0.1mm，移位速度的控制精度可達(dá)0.1%。
（2）集成化。焊接自動化系統(tǒng)的集成化技術(shù)包括硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集成、功能集成和控制技術(shù)集成。現(xiàn)代焊接自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都采用模塊化的設(shè)計(jì)，根據(jù)不同用戶對系統(tǒng)功能的要求，進(jìn)行模塊的組合。而且其控制功能也采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶需要，可以提供不同的控制軟件模塊，提供不同的控制功能。
（3）智能化。將現(xiàn)今的傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)應(yīng)用于焊接自動化系統(tǒng)中，使其能夠在各種復(fù)雜環(huán)境、變化的焊接工況下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的自動焊接。智能化的焊接自動化系統(tǒng)，不僅可以根據(jù)指令完成自動焊接過程，而且可以根據(jù)連續(xù)實(shí)測焊接工件坡口寬度，確定每層焊縫的焊道數(shù)及相關(guān)參數(shù)、覆蓋層位置等，而且從坡口底部到蓋面層的所有焊道均由焊機(jī)自動提升、變道、完成焊接。
（4）柔性化。大型自動化焊接裝備或生產(chǎn)線的一次投資相對較高，在設(shè)計(jì)這種焊接裝備時(shí)必須考慮柔性化，形成柔性制造系統(tǒng)，以充分發(fā)揮裝備的效能，滿足同類產(chǎn)品不同規(guī)格工件的生產(chǎn)需要。
（5）網(wǎng)絡(luò)化。 由于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)那里焊接自動化系統(tǒng)管控
一體化技術(shù)的發(fā)展。通過網(wǎng)絡(luò)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)等，將生產(chǎn)管理和焊接過程自動控制一體化，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)編程，遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和檢修。
在自動化方面， 各種焊接專機(jī)的應(yīng)用也具有重要意義。焊接專機(jī)說在世界焊接工程結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)焊縫具有一定規(guī)則的角焊縫和對接焊縫，其中直線焊縫占70%，圓環(huán)形焊縫占17.5，復(fù)雜的空間去西安焊縫相對較少，因此可以采用價(jià)格較低、結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜而又有一定控制水平的機(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)焊接的機(jī)械化和自動化。當(dāng)下，焊接專機(jī)以低成本自動化技術(shù)與設(shè)備更適合發(fā)展中國家使用。
3 研究目標(biāo)
自動焊接設(shè)備的焊接執(zhí)行部件，擬采用旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動方式。因旋轉(zhuǎn)副摩擦力小于移動副摩擦力，運(yùn)動靈活，可以靈活改變焊槍的姿態(tài)，更適用于全方位自動焊接。驅(qū)動同樣的焊接執(zhí)行部件，電動機(jī)功率可以減小，進(jìn)而減輕焊接機(jī)頭的質(zhì)量。焊槍位置傳感器盡量安裝在末級減速軸上，直接檢測焊槍的位置和姿態(tài)。這樣的安裝方式，不存在國內(nèi)外全自動焊接設(shè)備通過間接方式檢測焊槍位置的問題，控制精度更高。全自動焊機(jī)設(shè)備上的存儲器，存儲焊點(diǎn)跟蹤控制程序和部分焊接參數(shù)，更多的焊接參數(shù)存儲在焊接電源內(nèi)，以利于發(fā)揮焊接電源生產(chǎn)廠家的技術(shù)優(yōu)勢。
對焊槍的驅(qū)動擬采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)，使他成為目前機(jī)電一體化產(chǎn)品中，唯一能使用開環(huán)控制技術(shù)的伺服和執(zhí)行的元件。目前，高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)已十分成熟，且具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)不是電壓控制型元件，而是頻率型控制元件。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的快慢、角度決定于數(shù)字脈沖信號的頻率。即使放大器的“零漂移”使控制信號的幅度改變，也不會改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。而采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號是很穩(wěn)定的。因此，擬采用步進(jìn)電機(jī)，以使焊槍的位移更準(zhǔn)確。
4 總體構(gòu)思
4.1 焊接機(jī)械手的組成
所謂焊接機(jī)器人，一般指6軸機(jī)器人本體，夾持重量為6kg，也就有6個(gè)自由度：X，Y，Z用于定位，偏轉(zhuǎn)角用于定向，能夠沿著三維曲線運(yùn)動，到達(dá)任意角度的任意位置；另外，還包括一套控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)（焊接電源、焊槍、
焊接軟件系統(tǒng)等）。為完成一項(xiàng)點(diǎn)焊機(jī)器人工程，除需要點(diǎn)焊機(jī)器人以外，還需要使用的后邊設(shè)備。點(diǎn)焊機(jī)器人與周邊設(shè)備組成的系統(tǒng)，稱點(diǎn)焊機(jī)器人集成系統(tǒng)。
焊槍位置控制：采用焊槍位置信號、送死控制模板、弧壓控制模板、機(jī)械電弧擺動模板等實(shí)現(xiàn)焊槍位置的控制。在管道全方位自動焊接時(shí)，生產(chǎn)工人需要跟隨焊接機(jī)頭對焊槍位置作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
焊接電源：控制焊接工藝參數(shù)的旋鈕、按鍵都集中在控制盒或焊接機(jī)頭上，通過旋鈕、按鍵操作改變焊接工藝參數(shù)，因此，弧焊電源是一個(gè)專用的焊接電源。
對成熟焊接工藝的繼承和再現(xiàn)：焊接執(zhí)行部件是焊接機(jī)頭，其在焊接過程中應(yīng)作多種復(fù)合遠(yuǎn)動，是焊槍保持一定的姿態(tài)。但受焊接機(jī)頭運(yùn)動自由度的限制，不易實(shí)現(xiàn)多種的復(fù)合遠(yuǎn)動。因此，焊接工藝參數(shù)的制定需要工藝試驗(yàn)，一般采用分段法，需要生產(chǎn)工人跟隨焊接機(jī)頭對焊槍位置作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對成熟焊接工藝的繼承和再現(xiàn)性差。
4.2總體方案的確定
機(jī)械手系統(tǒng)總體方案的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應(yīng)根椐設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對方案進(jìn)行總體分析和論證，最后確定總體方案。
系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定：焊接機(jī)械手按運(yùn)動方式選用5軸聯(lián)動式。
伺服系統(tǒng)的選擇：旋轉(zhuǎn)、擺動機(jī)構(gòu)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，選用快速步進(jìn)電機(jī)。開環(huán)控制系統(tǒng)無檢測元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，調(diào)整和維修都容易。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定：為保證系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，運(yùn)動機(jī)構(gòu)為擺動機(jī)構(gòu)及其減速機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
5 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案
5.1 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
5.2 步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理
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