【正文】 此焊接機器人運行程序也不同；第三類則是焊縫極長，焊接條件復(fù)雜，需要有針對性的開發(fā)專用的自動焊接流動站，典型的如造船業(yè)中的船體焊接[[] SangMin Yang, ManHoCho, H oYoung Lee,etc. Weld line detection and process control for welding automation. Measurement Science and Technology,2007,30(18):819~826.]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前的焊接自動化應(yīng)用中，有一種需求被關(guān)注的相對偏少，即針對同一產(chǎn)品系列，而在系列產(chǎn)品間某個方向或某兩個方向的尺寸有所變化的任務(wù)。這種焊接自動化的需求在工裝上不能像固定焊接任務(wù)工作站那樣采用固定工裝模式也不需要像小批量焊接任務(wù)那樣必須采用靈活廣泛適用的焊接工裝，而對于每個焊接任務(wù)設(shè)計專用工作站也是不切實際的。 課題來源和研究意義基于上述背景，以常熟市常勝鋁制品有限公司與南京航空航天大學(xué)合作的鋁合金腳手架自動化焊接工作站為依托，對同系列工件焊接自動化方案進(jìn)行研究。本文的研究工作旨在針對前述同系列工件的自動化焊接任務(wù)概括出一種普遍性模型，并針對該模型設(shè)計通用焊接工裝夾緊方案，在對自動化焊接周邊技術(shù)進(jìn)行一定研究的基礎(chǔ)上，解決同系列鋁制品工件自動化焊接的實際應(yīng)用問題。本文針對自動化焊接工作站的研究工作具有實際的經(jīng)濟(jì)意義和生產(chǎn)意義，自動化焊接工作站具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與人工焊接相比，自動化焊接工作站雖然一次性投入比人工成本高，但是單工作站的功能當(dāng)量可以接近三個焊接操作工，性能更加穩(wěn)定，焊接質(zhì)量更可靠。本文的研究工作可以為企業(yè)節(jié)省大量成本，提高鋁合金型材搭接件自動化焊接水平。另外本文的研究工作提取了工業(yè)生產(chǎn)中一類常見焊接工件，對其進(jìn)行建立模型，并做數(shù)學(xué)分析，在理論分析的基礎(chǔ)上提出了該類工件柔性可調(diào)的裝夾方式，并對該類工件的夾具進(jìn)行了一定的研究與設(shè)計?？梢詾樵擃愋凸ぜ墓ぱb設(shè)計提供一般性的解決思路，對該類工件的研究解決的焊接生產(chǎn)中一類工件的自動化焊接問題。 自動化焊接工作站國內(nèi)外研究現(xiàn)狀焊接自動化布置方式分為生產(chǎn)線方式和工作站布置方式，具體表現(xiàn)有剛性自動化工作單元、剛性自動化生產(chǎn)線、柔性制造單元、柔性自動化生產(chǎn)線，其中剛性自動化工作單元處于加工自動化的最底層，針對加工任務(wù)更換時需要大量調(diào)整工作，而且加工質(zhì)量也很難保證。剛性自動化生產(chǎn)線主要面向少品種大批量產(chǎn)品生產(chǎn)，投資較大，調(diào)整周期也很長。柔性焊接制造單元是以自動化焊接執(zhí)行裝置如焊接機器人為工作核心，由計算機實現(xiàn)數(shù)字化控制、采用工件柔性裝夾技術(shù)的焊接制造系統(tǒng)。柔性自動化生產(chǎn)線一般由多個柔性焊接制造單元構(gòu)成加工節(jié)點，由自動化物料流通存儲系統(tǒng)實現(xiàn)物流自動化，多級計算機組成控制及管理系統(tǒng)。柔性自動化生產(chǎn)線的加工質(zhì)量可靠、效率高、容易與ERP系統(tǒng)及工藝管理系統(tǒng)組成上級自動化制造系統(tǒng)，但是該種生產(chǎn)線投資額度最大。自動化焊接工作站屬于柔性制造單元的一種，自動化程度雖然略低于柔性焊接生產(chǎn)線，但是投資卻少得多，而經(jīng)濟(jì)效益接近因此在生產(chǎn)中應(yīng)用也很廣泛。焊接有多種方法，如電阻焊、壓焊、激光焊、電弧焊、水下焊接等等。但其中在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛的是電弧焊，在生產(chǎn)中最為常見。車間中廣泛應(yīng)用的焊接自動化工作站也是針對這種焊接方式開發(fā)的?；『赴ㄊ只『?、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊等焊接方式，這些焊接方式的焊接參數(shù)、操作方法雖然有一定程度的不同，但是它們都是以移動焊槍為焊絲載體，通過藥芯焊絲與焊接母材之間形成的電弧熔融母材或填充金屬形成結(jié)合。因此在實現(xiàn)自動化焊接中也具有相似的特質(zhì)[[] Cary, Howard B., Helzer Scott. Modern welding technology. New Jersey:Englewood Cliffs, 2004:12~13.~[] NORRISH John. Advanced welding processes. Technologies amp。 process control, 2006(9)：27~29.]。這些相似性可以為實現(xiàn)弧焊焊接自動化站提供普遍性依據(jù)。自動化焊接工作站一般由機械、電氣、焊接三大部分模塊組成，是綜合利用現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)、柔性工裝技術(shù)、智能焊接電源技術(shù)、傳感技術(shù)，用于高效高質(zhì)自動完成焊接操作的機電液氣一體化產(chǎn)品。隨著人口紅利逐年降低，我國制造業(yè)面臨升級轉(zhuǎn)型的艱巨課題，自動化技術(shù)受到越來越多的重視，在這樣的背景下，焊接自動化工作站受到以汽車制造企業(yè)為代表的廣大企業(yè)的歡迎。一個典型的焊接工作站一般具有以下幾個基本的模塊：1. 工裝夾具，包括焊接工裝平臺、定位裝夾工具、感知裝夾情況的傳感系統(tǒng)。將待焊部件依照工藝需求定位裝配夾緊，并通知執(zhí)行部分準(zhǔn)備就緒。2. 焊接操作，該部分主要為工業(yè)機器人，起到的作用是攜持焊槍形成焊接軌跡。除工業(yè)機器人外焊槍、焊機、繞片機及送片機也是焊接操作完成必不可少的設(shè)備。3. 變位機或外部軸，在焊縫分布比較復(fù)雜或者工件體量較大情形下，工作站會配有焊接變位機配合焊接操作機器人動作或者機器人移載平臺實現(xiàn)多工位轉(zhuǎn)換。4. 工作站控制系統(tǒng)，主要包括焊接參數(shù)控制模塊、機器人控制器模塊、實現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換的機器人移載模塊或外部軸控制器、傳遞信號和加工信息的傳感器、電磁閥系統(tǒng)以及工作站整體協(xié)調(diào)控制模塊等等5. 安全防護(hù)系統(tǒng)，焊接時容易產(chǎn)生焊渣、飛濺等現(xiàn)象，不僅會造成氣缸或者定位元件的損傷還有可能對操作人員產(chǎn)生傷害，因此近年受到越來越多的重視。傳統(tǒng)防護(hù)裝置一般是防護(hù)圍欄或氧化鈷有機玻璃罩，但是這些裝置降低了焊接過程的可視性。近期一種采用紅外傳感器技術(shù)的光柵防護(hù)欄可以通過安全光幕檢測工作過程中的異物進(jìn)入，不過成本昂貴。焊接自動化工作站始終是焊接領(lǐng)域研究的熱點，隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接自動化技術(shù)也在飛速發(fā)展。幾乎在所有焊接領(lǐng)域都能看到它的應(yīng)用，自動化焊接使焊接效率得到了很大提高，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量有了堅實的保證，已經(jīng)逐步取代人工焊接乃至最終實現(xiàn)全焊接流程的操作無人化[[] 胡繩蓀，王立君，杜則裕，等. 焊接自動化技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機械工業(yè)出版社，2007:5~6]。近年來，國內(nèi)外焊接行業(yè)對于自動化焊接工作站的研究主要集中在柔性焊接工裝、工作站先進(jìn)控制、工作站先進(jìn)設(shè)計技術(shù)、機器人軌跡規(guī)劃、焊縫識別與跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合本文主要研究工作，下面就自動化焊接工作站研究現(xiàn)狀、焊接工件柔性工裝技術(shù)進(jìn)行簡要闡述，并結(jié)合本文主要研究工作對鋁合金自動化焊接研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。自動化焊接工作站在車架車身等機構(gòu)件中應(yīng)用最為廣泛。河北焦建武在汽車車身自動化焊接工作站中結(jié)合汽車車身主焊線生產(chǎn)工藝，為工作站進(jìn)行布局分析、工藝改進(jìn)并采用光電識別技術(shù)建立工件自動識別系統(tǒng)，將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)與控制中心數(shù)據(jù)比并進(jìn)行不匹配報警的方式[[] 焦建武. 汽車車身焊裝機器人工作站設(shè)計及應(yīng)用. 機械工程師，2012，1：126~128]。北京郗安民、劉穎、劉鴻飛等人在摩托車車架焊接工藝中采用機器人焊接工作站對焊接工作站進(jìn)行整體布局設(shè)計、H型變位器支架設(shè)計大大提高了車架焊接效率和質(zhì)量[[] 郗安民，劉穎，劉鴻飛. 摩托車車架焊接機器人工作站. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2000，1:6~14]。上海交通大學(xué)的劉成良、張凱、付莊等人針對柔性焊接工作站中RV12L6R弧焊機器人控制問題展開研究，基于機器人關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，提高了焊接工作站機器人編程效率[[] 劉成良、張凱、付莊，等. RV12L6R機器人軌跡規(guī)劃及其應(yīng)用研究. 機械設(shè)計與研究，2002,18(1)：60~63]。合肥工業(yè)大學(xué)呂堃對商務(wù)車前橋橫梁機器人焊接工作站中設(shè)備布局方式、變位器及回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行研究，依據(jù)商務(wù)車前橋橫梁的焊接工藝性確定焊接工藝參數(shù)。解決了手工焊接前橋橫梁時難以控制工序節(jié)拍導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定以及勞動環(huán)境惡劣的問題[[] 呂堃. 商務(wù)車前橋橫梁焊接機器人工作站關(guān)鍵技術(shù)研究，[碩士學(xué)位論文]. 安徽:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.]。上海談士力、沈俊杰從汽車關(guān)鍵零件焊接工藝特點和要求的角度分析，分析機器人自動焊接單元系統(tǒng)構(gòu)成及特征，對焊接單元的工藝分析與選擇、夾具設(shè)計、系統(tǒng)電氣控制方案進(jìn)行著重分析。成功研制出汽車車前懸架ABS結(jié)構(gòu)件的焊接工作站，取得了很高的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量[[] 談士力、沈俊杰. 弧焊機器人焊接單元研制. 上海大學(xué)學(xué)報，2000,6(4)：359~362.]。在自動化焊接工作站設(shè)計階段，很多學(xué)者也致力于研究更高效快捷的設(shè)計方法。焦恩璋在自動化焊接工作站設(shè)計前期基于AutoCAD工作平臺的AutoLSP開發(fā)語言，在對CAD軟件個性化開發(fā)的工作上，采用參數(shù)化三維建模技術(shù)，建立了puma560機器人的幾何模型，并進(jìn)行機器人運動仿真[[] 徐呈藝，李業(yè)農(nóng)，張佳興，等. 基于AutoCAD的PUMA560機器人運動學(xué)正解分析. 煤礦機械，2012，11(33):97~99.]，這種技術(shù)可以直觀的規(guī)避焊接工作站設(shè)計初期的干涉等問題。北京學(xué)者蔣力培、王澤、俞建榮等人在研究翅片管焊接自動化時提出了一種組合式結(jié)構(gòu)的自動化工作站微機控制系統(tǒng)，將焊接自動化工作站控制分為整體控制、焊接電源參數(shù)控制、自動焊頭參數(shù)控制、繞/送片機控制等幾大模塊，針對后面三者采用了成熟的集成控制板控制，實現(xiàn)控制的快速反應(yīng)與調(diào)控準(zhǔn)確；針對全局控制采用微小PLC控制工作站整體響應(yīng)、各模塊的通訊、參數(shù)設(shè)定等。分布式控制簡化了控制邏輯，取的了令人滿意的控制效果[[] 蔣力培，王澤，俞建榮，等. 組合式焊接自動化控制系統(tǒng). 焊接學(xué)報，1994，4(15)：270~274.]。燕山大學(xué)的于忠海針對大型加氫反應(yīng)壓力容器的堆焊技術(shù)提采取串聯(lián)坐標(biāo)方式，由操作機的升降機構(gòu)完成初定位數(shù)控焊接跟蹤系統(tǒng)完成縱向跟蹤增加了工作站的焊接范圍[[ 于忠海. 大型組合式柔性焊接工作站設(shè)計與研究. 機械工程學(xué)報，2003，5(39)：116~118.]。南京理工大學(xué)學(xué)者劉永、楊靜宇針對兵器行業(yè)多自由度機器人焊接工作站中焊接機器人示教編程方式的低智能化、效率低下、環(huán)境感知度低、實際應(yīng)用局限性大的現(xiàn)狀提出了一套融合視覺傳感信息的機器人焊接智能化系統(tǒng)總體方案。提高了機器人編程效率，利用智能傳感和自動補償提高了自動化程度和精度[[] 劉永. 弧焊機器人工作站智能化技術(shù)研究，[博士學(xué)位論文]. 南京，南京理工大學(xué)，2005.]。傳統(tǒng)焊接工作站中采用的焊接機器人為示教再現(xiàn)型控制方式，這種機器人在一定空間內(nèi)、焊接周圍不變的條件下能實現(xiàn)焊接的高精確度操作[[] 劉志紅，高潔，姜飛，等. 焊接機器人光電跟蹤CCD傳感系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2010，1(18)：14~17.]，然而工業(yè)生產(chǎn)中往往面臨長跨距焊縫、多變動焊接條件，因此如何在變化條件下獲得高精度焊接效果的有效途徑之一就是焊縫跟蹤。美國田納西理工大學(xué)Aaron Toole 針對船體焊接中超長空間分布連續(xù)焊縫提出了利用電磁履帶視覺導(dǎo)航自動追蹤焊縫的MRWS移動焊接站點。提高了造船業(yè)的焊接生產(chǎn)效率[[] Aaron T. O’Toole. Design of a mobile robotic welding system,[Master Dissertation]. Tennessee, Tennessee Technological University, 2010.]。國內(nèi)南通大學(xué)的吳曉、華亮針兩位學(xué)者對移動焊接機器人精密定位焊槍位置的控制方式展開研究，為實現(xiàn)無位置傳感器下精密開環(huán)定位控制系統(tǒng)的設(shè)計，提出了在焊槍跟蹤控制時調(diào)整電機微補步通時間的控制方法。利用單片機和EDA各自的控制優(yōu)勢，對雙行波超聲波電機進(jìn)行微步控制，從而提高了焊槍定位精度[[] 吳曉，華亮，顧菊平，等. ，2010,5(17):372~376.]。對于復(fù)雜焊件的焊接，浙江大學(xué)Zhenyu Liu、Wanghui Bu依據(jù)CAD/CAPP/CAM integration技術(shù)針對焊接夾具重構(gòu)或工作站布局更改的情況提出基于焊接經(jīng)驗知識和焊件特征的弧焊機器人高效的離線編程技術(shù)[[] zhenyu liu, Wanghui Bu, Jianrong Tang. Motion navigation for arc welding robots based on feature mapping in a simulation environment, Robotics and ComputerIntegrated Manufacturing. 2010, 2(26)：137~144.]。韓國漢陽大學(xué)的Pyunghyun Kim、Sehun Rhee、Chang Hee Lee等人針對空間任意焊縫循跡問題，通過利用激光視覺傳感器，采集焊縫數(shù)據(jù)，并建立對象的幾何模型，實現(xiàn)了焊接機器人軌跡的自動生成[[] Pyunghyun Kim, Sehun Rhee, Chang Hee Lee. Automatic teaching of welding robot for freeformed seam using laser vision sensor, Optics and Lasers in Engineering. 1999, 31(1999)：173~182.]。韓國釜慶大學(xué)的Manh Dung Ngo等人利用一臺總控制器和多臺與總控制器通過I2C通信的伺服控制器實現(xiàn)了焊接機器人操作末端對長方形平面焊縫跟蹤的魯棒性控制[[] Manh Dung Ngo, Vo Hoang Duy. Robust control of welding robot for tracking a rectangular welding line. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2006,3(3)：142~147.]。上海交通大學(xué)的Yanlin Xu、Huanwei Yu、Jiyong Zhong等人設(shè)計一套應(yīng)用于GTAW焊接工作站上的teachingplayback型機器人的視覺傳感系統(tǒng)，通過對焊縫圖像分析，提出canny算法獲取焊縫熔池及邊緣特征。獲得了高質(zhì)量的焊縫[[] Yanlin Xu, Huanwei Yu, Jiyo