【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(duì)誤差較大，接頭幾何形狀多變，且中、厚板接頭多道焊接過(guò)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(shí)為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的全自動(dòng)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(dòng)應(yīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件、實(shí)時(shí)檢測(cè)、自動(dòng)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(cè)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(dòng)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(gè)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(shí)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(guò)程自動(dòng)控制的集成一體化。因此在設(shè)計(jì)制造大型自動(dòng)化焊接設(shè)備時(shí)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(guò)程的監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷功能。(5)柔性化大型自動(dòng)化焊接設(shè)備或生產(chǎn)線(xiàn)的一次投資相對(duì)較高，在設(shè)計(jì)這種焊接設(shè)備時(shí)必須考慮柔性化，形成柔性制造系統(tǒng)，以充分發(fā)揮設(shè)備的效能，滿(mǎn)足同類(lèi)產(chǎn)品不同規(guī)格工件的生產(chǎn)需要。自動(dòng)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(guò)程的全自動(dòng)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(gè)制造業(yè)水平的提高，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)理念發(fā)生了很大變化，高產(chǎn)量己讓位于高質(zhì)量，勞動(dòng)密集型己逐步被知識(shí)密集型所取代。大量采用自動(dòng)化焊接專(zhuān)機(jī)、機(jī)器人工作站、生產(chǎn)線(xiàn)和柔性制造系統(tǒng)已成為一種不可阻擋的趨勢(shì)。 空間相貫線(xiàn)自動(dòng)焊接的關(guān)鍵技術(shù)兩立體相交，在其表面產(chǎn)生的交線(xiàn)，稱(chēng)為相貫線(xiàn)。根據(jù)兩相交立體形狀的不同，空間相貫線(xiàn)的形狀變化很大，其形狀取決于多個(gè)因素。空間相貫曲線(xiàn)焊接過(guò)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(huì)使焊縫軌跡改變。即使簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的焊縫都有變化，設(shè)計(jì)一種通用型的自動(dòng)焊接設(shè)備具有重要意義和廣闊的市場(chǎng)前景。因而對(duì)空間相貫線(xiàn)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(xiàn)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(lái)求。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、相貫方式規(guī)則的工件其相貫曲線(xiàn)焊縫是可以直接得到的。但是在實(shí)際加工過(guò)程中固定工件時(shí)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(guò)程中勢(shì)必會(huì)影響加工精度。而且對(duì)于工件偏心交方式形成的焊縫無(wú)法直接用解析幾何的方法得到。所以自動(dòng)焊接加工中的焊槍運(yùn)動(dòng)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(lái)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(jiàn)的焊接形式。對(duì)于大型船用錨鏈相貫線(xiàn)的焊接，很多工廠仍用手工焊來(lái)完成，制造周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定；對(duì)于大型錨鏈在焊接的過(guò)程中，需要對(duì)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(zhuān)用焊接機(jī)器人使用起來(lái)需要克服很多困難，在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)故障和損壞。還有一些機(jī)器人在焊接過(guò)程中，需要配合變位機(jī)使用，對(duì)于直徑大的錨鏈焊接，這些相貫線(xiàn)焊接機(jī)器人無(wú)法對(duì)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(xiàn)焊接機(jī)很難在焊接生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，主要原因是：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有針對(duì)性。作為專(zhuān)用相貫線(xiàn)焊接的專(zhuān)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(guò)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(kāi)放式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。機(jī)器人可以滿(mǎn)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(guò)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(shì)以及錨鏈焊接的特點(diǎn)來(lái)看，錨鏈專(zhuān)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(duì)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(shí)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(dòng)，使機(jī)器人滿(mǎn)足各種焊接工件的要求。不需要因?yàn)楸缓讣蠡蛱《鴮⒄麄€(gè)機(jī)器人更換。而只需要將其中的某個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行改裝就可以適應(yīng)焊接要求。（3）簡(jiǎn)便的過(guò)程控制。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的可預(yù)見(jiàn)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(guò)程中有一定的優(yōu)越性，但在專(zhuān)用錨鏈焊接的過(guò)程中，由于環(huán)境、工件、操作，會(huì)給焊接過(guò)程帶來(lái)許多的困難，使焊接效率降低，焊接質(zhì)量無(wú)法得到保證，甚至無(wú)法完成焊接任務(wù)。為了解決上述存在的問(wèn)題本課題在研發(fā)自動(dòng)焊接機(jī)的過(guò)程中，取長(zhǎng)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(tái)專(zhuān)用的焊接機(jī)器人專(zhuān)機(jī)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)錨鏈相貫線(xiàn)焊縫進(jìn)行焊接。本文從相貫線(xiàn)的特征出發(fā)，分析錨鏈相貫線(xiàn)以及焊接過(guò)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(guò)程中，為了使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)，使焊接機(jī)器人的關(guān)機(jī)運(yùn)動(dòng)在控制上進(jìn)行解耦。每個(gè)關(guān)節(jié)控制的自由度對(duì)應(yīng)相貫線(xiàn)的一個(gè)特征變化，機(jī)器人的自由度運(yùn)動(dòng)直觀明了。整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也能用簡(jiǎn)單的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，各部分機(jī)構(gòu)模塊化，控制的過(guò)程簡(jiǎn)單化。在本課題中，主要對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了研究：(1)相貫線(xiàn)自動(dòng)焊接機(jī)機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。(2)相貫線(xiàn)自動(dòng)焊接機(jī)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)。(3)相貫線(xiàn)自動(dòng)焊接接各軸執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)。(4)相貫線(xiàn)自動(dòng)焊接機(jī)各軸模型的設(shè)計(jì)。(5)利用solidworks軟件對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。(6)利用Matlab軟件對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。2錨鏈中檔焊縫曲線(xiàn)分析根據(jù)焊接的工藝特點(diǎn)，焊接對(duì)速度的穩(wěn)定性要求比較高，焊槍姿態(tài)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響比較大，焊槍相對(duì)焊縫的速度應(yīng)恒定。但焊接速度相對(duì)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(tái)的速度相對(duì)一般數(shù)控機(jī)床而言并沒(méi)有較高要求。精度要求也低于數(shù)控銑床、車(chē)床等。因此在設(shè)計(jì)自動(dòng)焊接機(jī)床時(shí)，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(lái)確定機(jī)床的脈沖當(dāng)量，等等。搭建自動(dòng)焊接機(jī)床及其伺服控制系統(tǒng)平臺(tái)的基本要求包括:能夠?qū)崿F(xiàn)空間曲線(xiàn)接縫的自動(dòng)焊接。機(jī)床能夠滿(mǎn)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(jiǎn)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(lèi)相貫線(xiàn)接縫較為復(fù)雜，并且根據(jù)焊接工藝，在自動(dòng)焊接過(guò)程中，焊槍的軸線(xiàn)應(yīng)與形成相貫線(xiàn)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(dòng)的功能之外，還需要對(duì)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(xiàn)接縫，并通過(guò)控制焊槍姿態(tài)來(lái)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(gè)重要因素，特別是在全位置焊接條件下，對(duì)仰焊和立焊等特別位置的焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，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(duì)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(duì)焊縫的姿態(tài)，同樣影響到焊接質(zhì)量。如手工電弧焊對(duì)接平焊時(shí)焊槍?xiě)?yīng)位于焊接件的垂直平面內(nèi)，沿焊縫方向運(yùn)動(dòng)并與焊縫保持65176。75176。的傾角。T形接頭平焊時(shí)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(xiàn) 空間相貫焊縫的形狀兩個(gè)待焊接的立體工件相交產(chǎn)生的曲線(xiàn)類(lèi)型是空間相貫曲線(xiàn)，相貫線(xiàn)是指兩立體相交時(shí)在其表面產(chǎn)生的交線(xiàn)。相貫線(xiàn)具有三個(gè)特征：一是表面性，指的是相貫線(xiàn)位于兩立體表面；二是封閉性，指的是相貫線(xiàn)通常是封閉的空間曲線(xiàn)，特殊情況下為平面曲線(xiàn)或直線(xiàn)；三是共有性，指的是相貫線(xiàn)是兩立體表平面的共有線(xiàn)。相貫線(xiàn)的形狀取決于三個(gè)因素：兩相貫體的形狀、相對(duì)大小和相對(duì)位置。根據(jù)兩立體相交情況（相對(duì)位置）的的不同，相貫線(xiàn)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(shí)相貫線(xiàn)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(shí)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(gè)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(xiàn)在兩個(gè)圓柱上的投影為圓，相貫線(xiàn)可以看成是點(diǎn)在兩個(gè)圓面上運(yùn)動(dòng)的合成。 圖22 管道插接的一般情況 Pipe plug in general 相貫線(xiàn)方程由于相貫線(xiàn)在主、支管兩個(gè)圓柱方向上的投影為圓，因此相貫線(xiàn)在兩個(gè)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(gè)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(gè)坐標(biāo)系下的相貫線(xiàn)方程為： （25） （26）（25）、（26）式分別為和兩個(gè)坐標(biāo)系下的相貫線(xiàn)方程表示。其中，表示相貫線(xiàn)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(guò)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(xiàn)上的點(diǎn)，亦可求出的值。求出相貫線(xiàn)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(guò)程中的焊接姿態(tài)。 馬鞍線(xiàn)焊縫的自動(dòng)焊接工藝過(guò)程分析本文所研究的是錨鏈和中檔正交所形成的馬鞍線(xiàn)焊縫的焊接。馬鞍線(xiàn)焊縫如圖23所示。為了便于描述，對(duì)馬鞍線(xiàn)的各特征點(diǎn)的位置用A到L的字母標(biāo)出。 圖23 馬鞍線(xiàn)焊縫 Saddle weld line具體工藝過(guò)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(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向（從左視圖看），焊槍1沿Y軸移動(dòng)的正方向是焊槍1向右移動(dòng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向（對(duì)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)