焊接自动化之焊接机器人

焊接自动化之焊接机器人

李烨

长春特种设备检测研究院长春市

摘要；焊接过程自动化是未来焊接发展的必然趋势，越来越多的焊接机器人在生产过程中得到应用。现代焊接生产中，由于现有的焊接机器人系统难以满足使用要求，因此，目前仍然依赖焊工进行手工操作，劳动强度大，工操作环境非常恶劣，焊接质量难以保证。

关键词焊接机器人；开放式机器人控制器；焊枪位姿模型；任务级编

第1章概述

1.1背景概述

随着科技的发展，在过去的几十个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历了短短的40年，已取得了长足的进步。

1.2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。

1.3我国焊接机器人的研究及应用现状

机器人焊接是机器人技术研究和应用的一个重要领域，在世界上当前服役的工业机器人中，焊接机器人占了很大比例，日本是世界上拥有机器人最多的国家，其中焊接机器人所占的比例约为35%[10]。自从20世纪60年代第一台商用机器人问世以来，机器人技术无论在研究还是在应用方面都达到了相当的水平。作为机器人的种类之一的焊接机器人，其发展已经历了三个阶段：即示教再现型焊接机器人、感觉型焊接机器人和智能型焊接机器人，随着计算机技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员的追求目标。目前在世界各主要工业国，包括焊接机器人在内的工业机器人的应用已经很普遍。

1.4本文研究的主要内容

在查阅国内外大量的有关机器人及弧焊机器人设计理论及相关知识的资料和文献基础上[11][12][13][14][15]，考察了具体作业任务的特点，在此基础上，进行了机器人方案设计，主要有以下几个方面的工作：

综合考虑了弧焊机器人结构特点、工作空间要求以及作业特点，分析确定了一种五自由度弧焊机器人的构形方案。

⑵根据作业特点设计装卡在管道上的导轨装置的结构方案以及使机器人整体在轨道上运动的行走小车设计方案。

⑶画出焊接机器人的装配图和重要零部件的零件图，以及轨道和行走小车的装配图和零件图。

⑷对重要受力零件进行受力计算。

1.5小结

本章主要内容是概述了国内外焊接机器人的情况以及各种机器人的实例，并且根据设计自身的具体情况进行了分析，得出了论文需要做的内容。为以下几章做了提前的准备和分析。

第2章焊接机器人方案的确定

2.1概述

要确定焊接机器人的方案，首先要了解与机器人执行作业密切相关的焊接机器人系统。焊接机器人系统是指由焊接机器人及其所赖以完成焊接作业的辅助设备所组成的系统。完整的焊接机器人系统一般由如下几个部分组成：焊接机器人操作机、焊接传感器、焊接系统、变位机、控制系统及相应的辅助安全设备等组成。

2.2焊接机器人设计要求及方案确定

2.2.1作业要求

本文的课题来自于焊接实验室实际生产实践，焊接作业对象及要求如下：

焊接作业对象是由两个材质为碳钢的空心管道对接时的焊缝。示，

机器人要完成的作业：将焊接机器人装在管道上的导轨上，完成对两管道焊缝的焊接。焊缝要求密封、牢固、外观质量好。

2.2.2方案说明

本文所提出的焊接机器人由底座及腰部回转部件，手臂关节，手腕部件组成。共五个自由度，分别为腰部回转、两个方向的转动、腕部回转、腕部摆动。

对于机器人各个关节的驱动方式主要有三类：气压驱动、液压驱动和电气驱动。气压驱动负载能力小，体积大，位置精度低；液压驱动虽然精度有了一定的提高，但是液体对温度变化非常敏感，易污染机器人和工件，并且气压驱动和液压驱动都会产生巨大的噪音；而电机驱动则避免了这些问题，主要使用电机作为驱动装置，通过传动装置来驱动机器人关节，电机又可分为步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。

2．3小结

本章主要内容是确定了机器人的结构方案，根据具体的工作环境和工作特征进行了机器人主体结构的设计，并且介绍了各种类型的机器人。为下一章的具体结构设计铺平了道路。

第三章：机器人结构的具体设计

根据上章所述的方案，本文所要设计的机器人是由五个自由度组成的。其中主要包括了三个部分：旋转机构、直线运动机构和手腕机构。因此，本章对每个机构进行具体的形状设计，并且确定三部分机构的尺寸大小。

3.1旋转机构设计

旋转机构是焊接机器人的底座部分。底座需要安放在轨道小车上。本设计中采用的是运用螺旋齿轮传动带动底部旋转。将齿轮固定在与底架固定的套上。套内部有轴承，轴下端固定在行走小车上。

3.2两个关节转动结构的设计

这两个运动是为了实现改变焊枪位置，而对焊枪的的径给与高度进行调整。对于这个机构的设计，要求过渡平滑，质量尽量轻小，结构尽量简单。在设计中，为了达到传动平稳、过渡平滑的目地，采取电机带动丝杠转动，螺母固定在与手臂连接的连接件上，由于前端固定整体不能旋转所以螺母沿直线运动。

3.3手臂设计

手臂部分的作用是用来支承腕关节和焊枪，包括两个部分：臂和手腕。

手腕是机器人不可缺少的重要部件，它安装在前臂杆的末端，用于确定与之相联的执行件在工作空间的方向，通常是一个关节组，由13个关节组成。结构和功能都主要取决于组成手腕的关节运动自由度数目、类型，不同类型关节的组合方法和驱动形式等。

手腕由于固定在臂的末端位置，它的尺寸和质量对操作机的动态特性和使用性能影响很大。因此除了要求其动作灵活可靠外，还应使其结构尽可能紧凑，质量尽可能小。本文中机器人为五自由度，即有五个关节，而对于焊枪的夹持只需用两个自由度便可以完成设计中要完成的姿态。尽管采用两个自由度会降低手腕的灵活性（专用焊接机器人，两个就够用了，而且两个转动轴线相交，可以提高控制的性能），但是结构可以大大简化，所以对改善机器人的总体性能是有好处的。

3．5小结

本章主要进行了机器人具体结构手臂，腕部关节，腰部关节的设计和计算，通过个个部分的设计和计算机器人的整体雏形基本已经完成。论文整体的设计及计算部分已经完成。

结论

本文在参考了大量国内外焊接机器人文献的基础上，完成了一种五自由度焊接机器人在设计过程中本着轻巧、结构简捷、以及移动作业方便等特点来进行设计的。两个手臂关节的直线导轨传动装置、腕部的圆锥齿轮传动的装置、以及腰部斜齿轮的传动装置都有很多创新之处。

参考文献：

[1]林尚杨.焊接过程的低成本自动化[A].第七次全国焊接学术会议论文集(第一卷)[C].哈尔滨:中国机械工程学会焊接学会,1993.

[2]闫政,梁君直,陈江.采用DSP控制的高效管道双焊炬全位置自动焊机研究[C].电焊机，2005，35(4):38-43.

[3]张忠厚,张格睿.旋转椭球面封头接管自动焊机凸轮的数学模型[J].焊接学报,1998,19(4):231-235.

[4]霍孟友.基于的椭球面封头接管自动焊接装置.焊接学报[j],2005,26(1):74-78.