【正文】 效埋弧焊、高效熔化極氣體保護(hù)焊、窄間隙焊、激光焊、電子束焊和等離子弧焊等。（2）適應(yīng)全數(shù)字控制基于大、中型焊件接縫裝配絕對誤差較大，接頭幾何形狀多變，且中、厚板接頭多道焊接過程中不可避免產(chǎn)生熱變形等特點(diǎn)，焊接機(jī)頭必須具有自適應(yīng)焊縫跟蹤系統(tǒng)，同時為實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動化和遠(yuǎn)程監(jiān)控，焊接操作機(jī)或焊接機(jī)器人、焊件變位機(jī)械、焊接電源和送絲機(jī)均應(yīng)采用全數(shù)字控制技術(shù)，才能完成上述任務(wù)。（3）智能化和焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化為實(shí)現(xiàn)厚壁接頭連續(xù)不間斷穩(wěn)定地焊接并確保接頭的焊接質(zhì)量，焊接機(jī)頭的運(yùn)動應(yīng)通過計(jì)算機(jī)軟件、實(shí)時檢測、自動編程和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行智能化控制。例如湍典ESAB公司重型容器焊接中心的ABW系統(tǒng)，可以根據(jù)連續(xù)實(shí)測的坡口寬度，確定每層焊縫的焊道數(shù)、每道焊縫的熔敷量及相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)、焊道之間的搭隆量、蓋面層位置等，可實(shí)現(xiàn)厚壁接頭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。這種控制系統(tǒng)必須配用數(shù)字控制的焊接電源，以使每道焊縫的焊接工藝參數(shù)始終處于優(yōu)化狀態(tài)，能夠優(yōu)質(zhì)、高速、經(jīng)濟(jì)地完成整個接頭。（4）管控一體化當(dāng)前信息技術(shù)的快速發(fā)展己將傳統(tǒng)制造業(yè)推向電子制造(eManufacturing)的時代。各工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)必將逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過程自動控制的集成一體化。因此在設(shè)計(jì)制造大型自動化焊接設(shè)備時應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮采用直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DNC)，以便在焊接設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)與主數(shù)計(jì)算機(jī)之間建立數(shù)據(jù)通訊聯(lián)絡(luò)，完成數(shù)控程序的管理、數(shù)控程序的分配、生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集、加工過程的監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷功能。(5)柔性化大型自動化焊接設(shè)備或生產(chǎn)線的一次投資相對較高，在設(shè)計(jì)這種焊接設(shè)備時必須考慮柔性化，形成柔性制造系統(tǒng)，以充分發(fā)揮設(shè)備的效能，滿足同類產(chǎn)品不同規(guī)格工件的生產(chǎn)需要。自動控制和信息技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用正在徹底改變傳統(tǒng)制造業(yè)的面貌，其中焊接生產(chǎn)過程的全自動化已成為一種迫切的需求，它不僅可大大提高焊接生產(chǎn)率，更重要的是可確保焊接質(zhì)量，改善操作環(huán)境。隨著整個制造業(yè)水平的提高，企業(yè)的經(jīng)營理念發(fā)生了很大變化，高產(chǎn)量己讓位于高質(zhì)量，勞動密集型己逐步被知識密集型所取代。大量采用自動化焊接專機(jī)、機(jī)器人工作站、生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)已成為一種不可阻擋的趨勢。 空間相貫線自動焊接的關(guān)鍵技術(shù)兩立體相交，在其表面產(chǎn)生的交線，稱為相貫線。根據(jù)兩相交立體形狀的不同，空間相貫線的形狀變化很大，其形狀取決于多個因素?？臻g相貫曲線焊接過程中焊縫形狀多樣，相貫工件形狀的不同和大小的不同都會使焊縫軌跡改變。即使簡單的量圓柱管相交，也分為正交、斜交和偏心交等多種情況，每一種情況下對應(yīng)的焊縫都有變化，設(shè)計(jì)一種通用型的自動焊接設(shè)備具有重要意義和廣闊的市場前景。因而對空間相貫線進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字描述是進(jìn)行精確加工的第一步，也是極其重要的一步。在焊縫曲線表達(dá)式的獲取方法上，現(xiàn)在大多是根據(jù)相貫工件的幾何形狀和相關(guān)方式利用解析幾何的方法來求。對于形狀簡單、相貫方式規(guī)則的工件其相貫曲線焊縫是可以直接得到的。但是在實(shí)際加工過程中固定工件時往往存在位置誤差，理論上的坐標(biāo)原點(diǎn)和實(shí)際中的可能存在偏差。這樣在焊接過程中勢必會影響加工精度。而且對于工件偏心交方式形成的焊縫無法直接用解析幾何的方法得到。所以自動焊接加工中的焊槍運(yùn)動控制主要是根據(jù)焊縫的參數(shù)表達(dá)式應(yīng)用插補(bǔ)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 研究課題的提出在焊接生產(chǎn)中，錨鏈的焊接是一種常見的焊接形式。對于大型船用錨鏈相貫線的焊接，很多工廠仍用手工焊來完成，制造周期長，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定；對于大型錨鏈在焊接的過程中，需要對焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，在高溫下人工操作環(huán)境非常惡劣。使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，有些機(jī)器人不是根據(jù)錨鏈焊縫而量身定做的專用焊接機(jī)器人使用起來需要克服很多困難，在使用過程中容易出現(xiàn)故障和損壞。還有一些機(jī)器人在焊接過程中，需要配合變位機(jī)使用，對于直徑大的錨鏈焊接，這些相貫線焊接機(jī)器人無法對焊槍姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最終導(dǎo)致焊縫的成形不夠完美，存在焊接缺陷等不足。從以上分析中，很多的錨鏈相貫線焊接機(jī)很難在焊接生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，主要原因是：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有針對性。作為專用相貫線焊接的專機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)該結(jié)合使用的實(shí)際情況，考慮到使用過程中的困難因素，除了要求結(jié)構(gòu)輕便，還要體現(xiàn)出機(jī)器人開放式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。機(jī)器人可以滿足各種焊接環(huán)境條件下，絕大多數(shù)錨鏈的焊接。保證機(jī)器人在焊接過程中高質(zhì)、高效地完成焊接任務(wù)。 圖15 有檔普通錨鏈 Common link 從機(jī)器人的發(fā)展趨勢以及錨鏈焊接的特點(diǎn)來看，錨鏈專用焊接機(jī)設(shè)計(jì)需要具備以下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、易于搬運(yùn)。對于大型錨鏈焊件，這樣的結(jié)構(gòu)能提高工作的效率。不用花大量的時間搬運(yùn)和裝卡焊接機(jī)器人。（2）結(jié)構(gòu)模塊化。焊接機(jī)器人需要根據(jù)不同的焊接情況進(jìn)行改動，使機(jī)器人滿足各種焊接工件的要求。不需要因?yàn)楸缓讣蠡蛱《鴮⒄麄€機(jī)器人更換。而只需要將其中的某個關(guān)節(jié)進(jìn)行改裝就可以適應(yīng)焊接要求。（3）簡便的過程控制。機(jī)器人運(yùn)動控制的可預(yù)見性增加，可以避免許多意外的情況發(fā)生。 本文研究的主要內(nèi)容綜上所述，傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人在處理常規(guī)的焊接任務(wù)過程中有一定的優(yōu)越性，但在專用錨鏈焊接的過程中，由于環(huán)境、工件、操作，會給焊接過程帶來許多的困難，使焊接效率降低，焊接質(zhì)量無法得到保證，甚至無法完成焊接任務(wù)。為了解決上述存在的問題本課題在研發(fā)自動焊接機(jī)的過程中，取長補(bǔ)短，借鑒傳統(tǒng)焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)其不足之處，擬自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)一臺專用的焊接機(jī)器人專機(jī)，專門針對錨鏈相貫線焊縫進(jìn)行焊接。本文從相貫線的特征出發(fā)，分析錨鏈相貫線以及焊接過程中焊槍姿態(tài)變化，確定機(jī)器人的自由度，以及焊接機(jī)器人所采用的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，為了使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得簡單，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時，使焊接機(jī)器人的關(guān)機(jī)運(yùn)動在控制上進(jìn)行解耦。每個關(guān)節(jié)控制的自由度對應(yīng)相貫線的一個特征變化，機(jī)器人的自由度運(yùn)動直觀明了。整個機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也能用簡單的傳動設(shè)計(jì)，各部分機(jī)構(gòu)模塊化，控制的過程簡單化。在本課題中，主要對以下內(nèi)容進(jìn)行了研究：(1)相貫線自動焊接機(jī)機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。(2)相貫線自動焊接機(jī)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)。(3)相貫線自動焊接接各軸執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)。(4)相貫線自動焊接機(jī)各軸模型的設(shè)計(jì)。(5)利用solidworks軟件對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。(6)利用Matlab軟件對所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真。2錨鏈中檔焊縫曲線分析根據(jù)焊接的工藝特點(diǎn)，焊接對速度的穩(wěn)定性要求比較高，焊槍姿態(tài)對焊縫質(zhì)量的影響比較大，焊槍相對焊縫的速度應(yīng)恒定。但焊接速度相對其它機(jī)械加工方式較低，一般情況下只有5mm/s ～50mm/s,因此焊接接機(jī)床工作臺的速度相對一般數(shù)控機(jī)床而言并沒有較高要求。精度要求也低于數(shù)控銑床、車床等。因此在設(shè)計(jì)自動焊接機(jī)床時，應(yīng)該綜合考慮上述因素，選擇合適的伺服控制方式，根據(jù)焊接的速度和精度要求來確定機(jī)床的脈沖當(dāng)量，等等。搭建自動焊接機(jī)床及其伺服控制系統(tǒng)平臺的基本要求包括:能夠?qū)崿F(xiàn)空間曲線接縫的自動焊接。機(jī)床能夠滿足正常焊接的速度、精度和穩(wěn)定性要求。伺服機(jī)構(gòu)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、體積小而且維修方便。盡量減小焊接機(jī)床的成本。由于這類相貫線接縫較為復(fù)雜，并且根據(jù)焊接工藝，在自動焊接過程中，焊槍的軸線應(yīng)與形成相貫線的兩實(shí)體表面之間保持一定的夾角，因此，焊槍除了要求具備平動的功能之外，還需要對其姿態(tài)進(jìn)行控制，這樣才能使焊槍瞄端在允許的誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤相貫線接縫，并通過控制焊槍姿態(tài)來保證接縫的焊接質(zhì)量。焊槍姿態(tài)是影響焊縫成形和焊接質(zhì)量的一個重要因素，特別是在全位置焊接條件下，對仰焊和立焊等特別位置的焊縫進(jìn)行焊接時，焊槍姿態(tài)的影響尤為明顯。根據(jù)焊接工藝的實(shí)踐，焊縫處于平焊或船形焊或小角度的下坡焊位置最有利于保證優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量，焊縫偏離平焊位置越多，對于保證焊接質(zhì)量越困難，在仰焊位置最難得到優(yōu)質(zhì)焊縫。而焊槍相對焊縫的姿態(tài)，同樣影響到焊接質(zhì)量。如手工電弧焊對接平焊時焊槍應(yīng)位于焊接件的垂直平面內(nèi)，沿焊縫方向運(yùn)動并與焊縫保持65176。75176。的傾角。T形接頭平焊時焊槍最好處手兩接板的平分面上，與焊縫的夾角保持在65176。80176。，等等。因此，焊接位置和焊槍姿態(tài)的選擇是保證獲得良好的焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。 空間相貫焊縫曲線 空間相貫焊縫的形狀兩個待焊接的立體工件相交產(chǎn)生的曲線類型是空間相貫曲線，相貫線是指兩立體相交時在其表面產(chǎn)生的交線。相貫線具有三個特征：一是表面性，指的是相貫線位于兩立體表面；二是封閉性，指的是相貫線通常是封閉的空間曲線，特殊情況下為平面曲線或直線；三是共有性，指的是相貫線是兩立體表平面的共有線。相貫線的形狀取決于三個因素：兩相貫體的形狀、相對大小和相對位置。根據(jù)兩立體相交情況（相對位置）的的不同，相貫線可分為正交、斜交、偏心交等，形狀也各不相同。[5]。 （a）正交 （b）斜交 （c）偏置 （d）斜交偏置圖21 兩管道相交時相貫線情況 Welding seam of two pipe為了不失一般性，兩管道插接考慮斜交偏置時這種一般的情況。如圖22所示，主管（直徑較大的管）半徑為R，支管（直徑較小的管）半徑為r，兩關(guān)的相貫角為，偏心距為。主、支管分別采用和建立坐標(biāo)系。和分別為兩個坐標(biāo)系的原點(diǎn)，同向，在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（0, ，0，）。相貫線在兩個圓柱上的投影為圓，相貫線可以看成是點(diǎn)在兩個圓面上運(yùn)動的合成。 圖22 管道插接的一般情況 Pipe plug in general 相貫線方程由于相貫線在主、支管兩個圓柱方向上的投影為圓，因此相貫線在兩個方向可表示為[6]： （21）將在支管投影圓方程用柱坐標(biāo)表示為： （22）根據(jù)坐標(biāo)變換，兩個坐標(biāo)系的位置關(guān)系為： （23）即： （24）將（24）式代入（21）式，并將（22）式代入后，分別得到在和兩個坐標(biāo)系下的相貫線方程為： （25） （26）（25）、（26）式分別為和兩個坐標(biāo)系下的相貫線方程表示。其中，表示相貫線上點(diǎn)投影到支管坐標(biāo)系下與的夾角。在已知主管直徑R、支管直徑r、相貫角以及偏心距為后，可以通過公式，在給定后，得到焊縫在相應(yīng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置；或者已知相貫線上的點(diǎn)，亦可求出的值。求出相貫線的方程便于了解焊縫的特征以確定機(jī)構(gòu)所需要的自由度，才能得到焊接過程中的焊接姿態(tài)。 馬鞍線焊縫的自動焊接工藝過程分析本文所研究的是錨鏈和中檔正交所形成的馬鞍線焊縫的焊接。馬鞍線焊縫如圖23所示。為了便于描述，對馬鞍線的各特征點(diǎn)的位置用A到L的字母標(biāo)出。 圖23 馬鞍線焊縫 Saddle weld line具體工藝過程如圖24所示，規(guī)定零件繞軸心旋轉(zhuǎn)的正方向是零件順時針旋轉(zhuǎn)的方向（從左視圖看），焊槍1沿Y軸移動的正方向是焊槍1向右移動的方向（從主視圖看），焊槍1繞垂直方向旋轉(zhuǎn)的正方向是焊槍1順時針旋轉(zhuǎn)的方向（對俯視圖看）。 (a)從A點(diǎn)到C點(diǎn) (b)從C點(diǎn)到E點(diǎn) (c)從E點(diǎn)到G點(diǎn) (d)從G點(diǎn)到I點(diǎn) (e)從I點(diǎn)到K點(diǎn)