【正文】 自動焊接機械手設計1 緒論 技術概述工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 現(xiàn)狀及國內外發(fā)展趨勢國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：(1)工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。(2）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 “十五”目標及主要研究內容中國工業(yè)機器人現(xiàn)在的總裝機量約為1200臺，其中國產機器人占有量約為1/3，即400多臺。與世界機器人總裝機臺數75萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。對中國這樣一個12億人口的大國來說，差距是很明顯的。裝機數量少，說明了我國的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達國家的差距大。因為工業(yè)機器人的誕生和應用發(fā)展是以工業(yè)生產高度自動化和柔性化為大背景的。除數量外，差距還表現(xiàn)在已有的機器人的利用率不高，以進口的弧焊機器人為例，據調查，完全正常運轉，充分發(fā)揮效益效益的只占1/3；另外1/3處于負荷不滿或不能安全正常運轉狀態(tài)，原因是生產管理及使用維護存在不合理現(xiàn)象或問題；還有1/3不能正常使用，這是由于機器人質量問題或缺乏備件，以及請不起外方維修人員造成的。機器人應用效果不理想，直接影響了用戶使用更多機器人的信心。我國有組織有計劃地發(fā)展機器人事業(yè)，應該說是從“七五”期間的科研攻關及實施“863計劃”開始的，經過十幾年來的研制、生產、應用，從縱向看，有了長足的進步。目前在一些機種方面，如噴涂機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人、裝配機器人、特種機器人(水下、爬壁、管道、遙控等機器人)，基本掌握了機器人操作機的設計制造技術，解決了控制，驅動系統(tǒng)的設計和配置、軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設備的全線自動通信、協(xié)調控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機器人焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破；于此同時造就了一支具有一定水平的技術隊伍。無疑，從技術方面來說，我國的機器人技術在世界機器人界已有一席之地，奠定了獨立自主發(fā)展中國機器人事業(yè)的基礎；從社會經濟角度來看，我國機器人技術的發(fā)展，為中、外機器人產品打開中國市場準備了物質和人員條件。根據國內外機器人發(fā)展的經驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內經濟發(fā)展的具體情況，“十五”期間機器人技術應重點開展智能機器人、機器人化機械及其相關技術的開發(fā)及應用；開展以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)及其相關技術的開發(fā)研究及加強多傳感器融合及決策、控制一體化技術及應用的研究。重點解決我國已研制應用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產業(yè)化前期關鍵技術，大力推進其產業(yè)化進程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機器人的產業(yè)化。（1）示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產業(yè)化技術研究①關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。②柔性仿形噴涂機器人開發(fā)：柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機安全防爆、防護技術開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。③焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ④弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術，視覺跟蹤與機器人協(xié)調控制。⑤焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。⑥電子行業(yè)用裝配機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。⑦批量生產機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發(fā)。（2）智能機器人開發(fā)研究①遙控加局部自主系統(tǒng)構成和控制策略研究包括建模－遙控機器人模型，人行為模型，人控制動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術；雙向力反應控制；知識庫的建立，學習與推理方法；人機交互的高級控制技術；虛擬現(xiàn)實（VR）控制與真實世界控制的相互關系；監(jiān)控系統(tǒng)的結構。②智能移動機器人的導航和定位技術研究包括導航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構；在結構環(huán)境或非結構環(huán)境中導航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構成；根據傳感器數據建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人導航的研究。③面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括人機交互圖形生成及其程序設計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機器人操作與數據的獲取；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應、反饋控制；面向任務的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。④人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)包括CAD建模中的人機交互技術；求知模型工件的反示過程中的交互技術；機器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術；傳感器數據處理中的交互技術；機器人標定、運動學建模、動力學建模中的交互技術。⑤基于計算機屏幕的多機器人遙控技術包括三維立體視覺建模；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網絡通訊。（3）機器人化機械研究開發(fā)①并聯(lián)機構機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究包括VMT與RMC智能化結構實現(xiàn)技術；VMT與RMC關鍵傳動實現(xiàn)技術；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術；VMT與RMC監(jiān)控檢測技術開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應用軟件開發(fā)；智能化機構、材料機電一體化技術；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術；機電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機構運動學及動力學理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應用工程開發(fā)。②機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；機器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應用；基于廣域網的遠程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。（4）以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)①開放式模塊化裝配機器人包括通用要素的提??；專用件標準化；裝配機器人模塊CAD設計；通用主流計算機構造的控制器；人機界面方式；網絡功能。②面向機器人裝配的設計技術包括數字化裝配與CAD集成技術；產品機器人化裝配規(guī)劃生成技術；產品可裝配性模糊評價。③機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術其中單元技術：供料系統(tǒng)智能化設計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。④可重構機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術開展基于任務和環(huán)境的動態(tài)重構機器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控制技術及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。⑤裝配力覺、視覺技術包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術；視覺識別與定位技術。⑥智能裝配策略及其控制包括裝配狀態(tài)實時檢測和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術。 （5）多傳感器信息融合與配置技術①機器人的傳感器配置和融合技術在水泥生產過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應用包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。②機電一體化智能傳感器包括具有感知、自主運動、自清污（自調整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構和控制技術在傳感器設計中的應用．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑：根據不完全統(tǒng)計,我國擁有點焊機器人集成系統(tǒng)的廠家約20余家。這些焊接機器人集成系統(tǒng),全部是進口的。包括:igm、Cloos、ABB、及3K等廠家的產品。設備購置費用很高，應用卻不理想。：1）幾條焊接機器人柔性生產線，全部不能實現(xiàn)設計功能。較好的生產線，做單機使用；應用較差的生產線，差到千余萬元的設備，一次沒有應用。2）焊接機器人單機也沒有達到設計要求。1）在工藝設計中，對設備選型沒有深入研究，以為機器人是“萬能”的。選擇的焊件，幾十點甚至百點焊點，即使機器人具有起始點尋找和跟蹤能力，由于待焊焊點的偏差，機器人在完成焊接2030%，或者4050%焊接后，夾持的焊槍就可能偏離焊點了。有這樣一個設計，要求用一條機器人柔性焊接生產線，完成推土機幾個大焊件的焊接，這幾乎是不可能的。2）焊坯制造精度低。焊接的前序，存在兩個問題：一是下料精度低，達不到要求；二是組對精度低。由于切割下料的熱變形，焊件的板坯誤差較大。下道工序又在低精度的搭焊模上組對，制坯。這樣，生產的焊坯，其待焊焊點的互換性很差，滿足不了示教精度要求。筆者目睹，其主梁6條主要待焊焊點的間隙，大小相差10mm之多。進口的機器人，就在車間里，沒法使用。 本課題擬在焊接機器人現(xiàn)有基礎上對其的機械部分進行適當合理的調整，在市場需求和性價比高的前提下，采用目前先進的步進（伺服）電機、位置檢測裝置、先進的設 計理念等使其更能為其完全實行自動化奠定基礎。自動焊接設備的焊接執(zhí)行部件，擬采用旋轉副驅動方式。因旋轉副摩擦力小于移動副摩擦力，運動靈活，可以靈活改變焊槍的姿態(tài)，更適用于全方位自動焊接。驅動同樣的焊接執(zhí)行部件，電動機功率可以減小，進而減輕焊接機頭的質量。焊槍位置傳感器盡量安裝在末級減速軸上，直接檢測焊槍的位置和姿態(tài)。這樣的安裝方式，不存在國內外全自動焊接設備通過間接方式檢測焊槍位置的問題，控制精度更高。全自動焊機設備上的存儲器，存儲焊點跟蹤控制程序和部分焊接參數，更多的焊接參數存儲在焊接電源內，以利于發(fā)揮焊接電源生產廠家的技術優(yōu)勢。對焊槍的驅動擬采用步進電機。步進電機是一種能將數字輸入脈沖信號轉換為旋轉運動的電磁執(zhí)行元件，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計誤差等優(yōu)點，使他成為目前機電一體化產品中，唯一能使用開環(huán)控制技術的伺服和執(zhí)行的元件。目前，高精度步進電機驅動技術已十分成熟，且具有控制系統(tǒng)結構簡單、工作可靠、成本低廉的優(yōu)點。步進電機不是電壓控制型元件，而是頻率型控制元件。步進電機轉動的快慢、角度決定于數字脈沖信號的頻率。即使放大器的“零漂移”使控制信號的幅度改變，也不會改變步進電機的轉速。而采用計算機產生的控制信號是很穩(wěn)定的。因此，擬采用步進電機，以使焊槍的位移更準確。2焊接機械手設計的總體構想 焊接機械手的組成所謂焊接機器人，一般指6軸機器人本體，夾持重量為6kg，也就有6個自由度：X，Y，Z用于定位，偏轉l)角用于定向，能夠沿著三維曲線運動，到達任意角度的任意位置；另外，還包括一套控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)（焊接電源、焊槍、焊接軟件系統(tǒng)等）。為完成一項點焊機器人工程，除需要點焊機器人以外，還需要使用的后邊設備。點焊機器人與周邊設備組成的系統(tǒng)，稱點焊機器人集成系統(tǒng)。 經濟型點焊機器人主要應用在焊點分布簡單，焊接工作量大，焊接勞動強度大、焊接環(huán)境惡劣的工作。一般焊接機器人要求周邊設備的傳動精度偏高。自動焊接設備的結構整機結構：自動焊接設備由焊接機頭、行走環(huán)行導軌、控制系統(tǒng)組成，結構上個為一體。（）控制系統(tǒng)：包括微型計算機（或筆記本電腦）和控制箱，微型計算機由朱基、鍵盤、顯示器、輸入設備、輸入輸出接口等組成；控制箱由輸入輸出接口電路、