【正文】 此焊接機(jī)器人運(yùn)行程序也不同；第三類(lèi)則是焊縫極長(zhǎng)，焊接條件復(fù)雜，需要有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的自動(dòng)焊接流動(dòng)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(dòng)化應(yīng)用中，有一種需求被關(guān)注的相對(duì)偏少，即針對(duì)同一產(chǎn)品系列，而在系列產(chǎn)品間某個(gè)方向或某兩個(gè)方向的尺寸有所變化的任務(wù)。這種焊接自動(dòng)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(duì)于每個(gè)焊接任務(wù)設(shè)計(jì)專(zhuān)用工作站也是不切實(shí)際的。 課題來(lái)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(dòng)化焊接工作站為依托，對(duì)同系列工件焊接自動(dòng)化方案進(jìn)行研究。本文的研究工作旨在針對(duì)前述同系列工件的自動(dòng)化焊接任務(wù)概括出一種普遍性模型，并針對(duì)該模型設(shè)計(jì)通用焊接工裝夾緊方案，在對(duì)自動(dòng)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(dòng)化焊接的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。本文針對(duì)自動(dòng)化焊接工作站的研究工作具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)意義和生產(chǎn)意義，自動(dòng)化焊接工作站具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。與人工焊接相比，自動(dòng)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(gè)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(dòng)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(lèi)常見(jiàn)焊接工件，對(duì)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(lèi)工件柔性可調(diào)的裝夾方式，并對(duì)該類(lèi)工件的夾具進(jìn)行了一定的研究與設(shè)計(jì)?？梢詾樵擃?lèi)型工件的工裝設(shè)計(jì)提供一般性的解決思路，對(duì)該類(lèi)工件的研究解決的焊接生產(chǎn)中一類(lèi)工件的自動(dòng)化焊接問(wèn)題。 自動(dòng)化焊接工作站國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀焊接自動(dòng)化布置方式分為生產(chǎn)線(xiàn)方式和工作站布置方式，具體表現(xiàn)有剛性自動(dòng)化工作單元、剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、柔性制造單元、柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，其中剛性自動(dòng)化工作單元處于加工自動(dòng)化的最底層，針對(duì)加工任務(wù)更換時(shí)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(zhǎng)。柔性焊接制造單元是以自動(dòng)化焊接執(zhí)行裝置如焊接機(jī)器人為工作核心，由計(jì)算機(jī)實(shí)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)一般由多個(gè)柔性焊接制造單元構(gòu)成加工節(jié)點(diǎn)，由自動(dòng)化物料流通存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化，多級(jí)計(jì)算機(jī)組成控制及管理系統(tǒng)。柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(jí)自動(dòng)化制造系統(tǒng)，但是該種生產(chǎn)線(xiàn)投資額度最大。自動(dòng)化焊接工作站屬于柔性制造單元的一種，自動(dòng)化程度雖然略低于柔性焊接生產(chǎn)線(xiàn)，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(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的是電弧焊，在生產(chǎn)中最為常見(jiàn)。車(chē)間中廣泛應(yīng)用的焊接自動(dòng)化工作站也是針對(duì)這種焊接方式開(kāi)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(dòng)焊槍為焊絲載體，通過(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)弧焊焊接自動(dòng)化站提供普遍性依據(jù)。自動(dòng)化焊接工作站一般由機(jī)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(jī)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(dòng)完成焊接操作的機(jī)電液氣一體化產(chǎn)品。隨著人口紅利逐年降低，我國(guó)制造業(yè)面臨升級(jí)轉(zhuǎn)型的艱巨課題，自動(dòng)化技術(shù)受到越來(lái)越多的重視，在這樣的背景下，焊接自動(dòng)化工作站受到以汽車(chē)制造企業(yè)為代表的廣大企業(yè)的歡迎。一個(gè)典型的焊接工作站一般具有以下幾個(gè)基本的模塊：1. 工裝夾具，包括焊接工裝平臺(tái)、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(jī)器人，起到的作用是攜持焊槍形成焊接軌跡。除工業(yè)機(jī)器人外焊槍、焊機(jī)、繞片機(jī)及送片機(jī)也是焊接操作完成必不可少的設(shè)備。3. 變位機(jī)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(huì)配有焊接變位機(jī)配合焊接操作機(jī)器人動(dòng)作或者機(jī)器人移載平臺(tái)實(shí)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(jī)器人控制器模塊、實(shí)現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換的機(jī)器人移載模塊或外部軸控制器、傳遞信號(hào)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(shí)容易產(chǎn)生焊渣、飛濺等現(xiàn)象，不僅會(huì)造成氣缸或者定位元件的損傷還有可能對(duì)操作人員產(chǎn)生傷害，因此近年受到越來(lái)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(jī)玻璃罩，但是這些裝置降低了焊接過(guò)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(guò)安全光幕檢測(cè)工作過(guò)程中的異物進(jìn)入，不過(guò)成本昂貴。焊接自動(dòng)化工作站始終是焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接自動(dòng)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(dòng)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(jiān)實(shí)的保證，已經(jīng)逐步取代人工焊接乃至最終實(shí)現(xiàn)全焊接流程的操作無(wú)人化[[] 胡繩蓀，王立君，杜則裕，等. 焊接自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007:5~6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外焊接行業(yè)對(duì)于自動(dòng)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(jì)技術(shù)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、焊縫識(shí)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(dòng)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(jiǎn)要闡述，并結(jié)合本文主要研究工作對(duì)鋁合金自動(dòng)化焊接研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。自動(dòng)化焊接工作站在車(chē)架車(chē)身等機(jī)構(gòu)件中應(yīng)用最為廣泛。河北焦建武在汽車(chē)車(chē)身自動(dòng)化焊接工作站中結(jié)合汽車(chē)車(chē)身主焊線(xiàn)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(shí)別技術(shù)建立工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)與控制中心數(shù)據(jù)比并進(jìn)行不匹配報(bào)警的方式[[] 焦建武. 汽車(chē)車(chē)身焊裝機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)及應(yīng)用. 機(jī)械工程師，2012，1：126~128]。北京郗安民、劉穎、劉鴻飛等人在摩托車(chē)車(chē)架焊接工藝中采用機(jī)器人焊接工作站對(duì)焊接工作站進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)、H型變位器支架設(shè)計(jì)大大提高了車(chē)架焊接效率和質(zhì)量[[] 郗安民，劉穎，劉鴻飛. 摩托車(chē)車(chē)架焊接機(jī)器人工作站. 組合機(jī)床與自動(dòng)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(duì)柔性焊接工作站中RV12L6R弧焊機(jī)器人控制問(wèn)題展開(kāi)研究，基于機(jī)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(jī)器人編程效率[[] 劉成良、張凱、付莊，等. RV12L6R機(jī)器人軌跡規(guī)劃及其應(yīng)用研究. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2002,18(1)：60~63]。合肥工業(yè)大學(xué)呂堃對(duì)商務(wù)車(chē)前橋橫梁機(jī)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(tái)進(jìn)行研究，依據(jù)商務(wù)車(chē)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(shí)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(dòng)環(huán)境惡劣的問(wèn)題[[] 呂堃. 商務(wù)車(chē)前橋橫梁焊接機(jī)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(chē)關(guān)鍵零件焊接工藝特點(diǎn)和要求的角度分析，分析機(jī)器人自動(dòng)焊接單元系統(tǒng)構(gòu)成及特征，對(duì)焊接單元的工藝分析與選擇、夾具設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電氣控制方案進(jìn)行著重分析。成功研制出汽車(chē)車(chē)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(jī)器人焊接單元研制. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,6(4)：359~362.]。在自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)階段，很多學(xué)者也致力于研究更高效快捷的設(shè)計(jì)方法。焦恩璋在自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)前期基于AutoCAD工作平臺(tái)的AutoLSP開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在對(duì)CAD軟件個(gè)性化開(kāi)發(fā)的工作上，采用參數(shù)化三維建模技術(shù)，建立了puma560機(jī)器人的幾何模型，并進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真[[] 徐呈藝，李業(yè)農(nóng)，張佳興，等. 基于AutoCAD的PUMA560機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析. 煤礦機(jī)械，2012，11(33):97~99.]，這種技術(shù)可以直觀(guān)的規(guī)避焊接工作站設(shè)計(jì)初期的干涉等問(wèn)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(dòng)化時(shí)提出了一種組合式結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化工作站微機(jī)控制系統(tǒng)，將焊接自動(dòng)化工作站控制分為整體控制、焊接電源參數(shù)控制、自動(dòng)焊頭參數(shù)控制、繞/送片機(jī)控制等幾大模塊，針對(duì)后面三者采用了成熟的集成控制板控制，實(shí)現(xiàn)控制的快速反應(yīng)與調(diào)控準(zhǔn)確；針對(duì)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(jiǎn)化了控制邏輯，取的了令人滿(mǎn)意的控制效果[[] 蔣力培，王澤，俞建榮，等. 組合式焊接自動(dòng)化控制系統(tǒng). 焊接學(xué)報(bào)，1994，4(15)：270~274.]。燕山大學(xué)的于忠海針對(duì)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(jī)的升降機(jī)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(jì)與研究. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，5(39)：116~118.]。南京理工大學(xué)學(xué)者劉永、楊靜宇針對(duì)兵器行業(yè)多自由度機(jī)器人焊接工作站中焊接機(jī)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(shí)際應(yīng)用局限性大的現(xiàn)狀提出了一套融合視覺(jué)傳感信息的機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)總體方案。提高了機(jī)器人編程效率，利用智能傳感和自動(dòng)補(bǔ)償提高了自動(dòng)化程度和精度[[] 劉永. 弧焊機(jī)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(jī)器人為示教再現(xiàn)型控制方式，這種機(jī)器人在一定空間內(nèi)、焊接周?chē)蛔兊臈l件下能實(shí)現(xiàn)焊接的高精確度操作[[] 劉志紅，高潔，姜飛，等. 焊接機(jī)器人光電跟蹤C(jī)CD傳感系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì). 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，1(18)：14~17.]，然而工業(yè)生產(chǎn)中往往面臨長(zhǎng)跨距焊縫、多變動(dòng)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(guó)田納西理工大學(xué)Aaron Toole 針對(duì)船體焊接中超長(zhǎng)空間分布連續(xù)焊縫提出了利用電磁履帶視覺(jué)導(dǎo)航自動(dòng)追蹤焊縫的MRWS移動(dòng)焊接站點(diǎn)。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(guó)內(nèi)南通大學(xué)的吳曉、華亮針兩位學(xué)者對(duì)移動(dòng)焊接機(jī)器人精密定位焊槍位置的控制方式展開(kāi)研究，為實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器下精密開(kāi)環(huán)定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了在焊槍跟蹤控制時(shí)調(diào)整電機(jī)微補(bǔ)步通時(shí)間的控制方法。利用單片機(jī)和EDA各自的控制優(yōu)勢(shì)，對(duì)雙行波超聲波電機(jī)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(duì)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(duì)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(yàn)知識(shí)和焊件特征的弧焊機(jī)器人高效的離線(xiàn)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(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的Pyunghyun Kim、Sehun Rhee、Chang Hee Lee等人針對(duì)空間任意焊縫循跡問(wèn)題，通過(guò)利用激光視覺(jué)傳感器，采集焊縫數(shù)據(jù)，并建立對(duì)象的幾何模型，實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人軌跡的自動(dòng)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(guó)釜慶大學(xué)的Manh Dung Ngo等人利用一臺(tái)總控制器和多臺(tái)與總控制器通過(guò)I2C通信的伺服控制器實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人操作末端對(duì)長(zhǎng)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(jì)一套應(yīng)用于GTAW焊接工作站上的teachingplayback型機(jī)器人的視覺(jué)傳感系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)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