【正文】 人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能、對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 多智能體調(diào)控技術(shù) 這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)新領(lǐng)域。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自助系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性、非平穩(wěn)和非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。搜索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均年增長(zhǎng)率都超過(guò)40%焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過(guò)了60%；2004年國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400臺(tái)，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過(guò)9000臺(tái)，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005年我國(guó)新增機(jī)器人數(shù)量超過(guò)了5000臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量6%，遠(yuǎn)小于韓國(guó)所占的15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的69%。截止2005年，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了50萬(wàn)臺(tái)以上，成為“機(jī)器人王國(guó)”，其次是美國(guó)和德國(guó)；在亞洲，日本。目前，世界各國(guó)都在加大科研力度，對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行研究，從發(fā)展趨勢(shì)上看，焊接機(jī)器人和其他工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。機(jī)器人可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，人工焊接已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)，必須使用機(jī)器人焊接；（3）改善了工人的勞動(dòng)條件。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，幫助人們解決了很多問(wèn)題。這類機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等功能，工作時(shí)借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。1緒論自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UMMATE于1959年在美國(guó)誕生以來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人。第三代是智能機(jī)器人。焊接機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其一致性。采用機(jī)器人焊接工人只是參與管理和控制焊接過(guò)程，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等；（4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接機(jī)器人的研究主要體現(xiàn)在機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)、焊縫跟蹤和傳感技術(shù)、多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)、機(jī)器人專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)與焊接機(jī)器人工藝方法等方面。韓國(guó)和新加坡的制造業(yè)中每萬(wàn)名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。這對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來(lái)說(shuō)顯然是不匹配的，這說(shuō)明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊接機(jī)器人和其他工業(yè)機(jī)器人一樣，在不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。例如，以德國(guó)FGFI公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的性能。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，兩者正朝著一體化方向發(fā)展。向基于PC機(jī)得開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)，在某些領(lǐng)域的離線編程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 機(jī)器人性能價(jià)格比機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降。主要對(duì)多智能體的群體體系機(jī)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類的助手和伙伴。并以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化為戰(zhàn)略目標(biāo)，積極推動(dòng)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化和過(guò)程智能化，研發(fā)焊接生產(chǎn)線及柔性制造技術(shù)，將數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)等技術(shù)引入焊接生產(chǎn)，促進(jìn)可焊接自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，取得了一定的成果。雖然目前對(duì)單個(gè)相貫線或多個(gè)相貫線但無(wú)障礙施焊的自動(dòng)化焊接技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用廣泛，但從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料看，尚沒(méi)有查到關(guān)于多相貫線連續(xù)焊接的避障式自動(dòng)焊接設(shè)備的信息。目前國(guó)外生產(chǎn)的重型焊接滾輪架最大的承載能力達(dá)1600T，自動(dòng)防竄滾輪架的最大承載能力達(dá)800T,采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為0. 5mm。焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大承載能力達(dá)500T。（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)。（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。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。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(gè)因素。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(lái)求。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。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(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。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。不用花大量的時(shí)間搬運(yùn)和裝卡焊接機(jī)器人。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。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)專用的焊接機(jī)器人專機(jī)，專門針對(duì)錨鏈相貫線焊縫進(jìn)行焊接。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。(4)相貫線自動(dòng)焊接機(jī)各軸模型的設(shè)計(jì)。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。機(jī)床能夠滿足正常焊接的速度、精度和穩(wěn)定性要求。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。75176。等等。相貫線的形狀取決于三個(gè)因素：兩相貫體的形狀、相對(duì)大小和相對(duì)位置。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。 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(gè)圓柱方向上的投影為圓，因此相貫線在兩個(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)系下的相貫線方程為： （25） （26）（25）、（26）式分別為和兩個(gè)坐標(biāo)系下的相貫線方程表示。 馬鞍線焊縫的自動(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焊縫的焊接。 (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) (f)從K點(diǎn)到A點(diǎn) 圖24馬鞍線焊縫焊接工藝過(guò)程示意圖 Saddle wire weld process diagram首先焊槍1在圓柱面得最高點(diǎn)編前10mm處，焊槍移下后零件反向轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍1正向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿Y軸方向作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，在此5軸的聯(lián)動(dòng)配合下，焊槍1從A點(diǎn)引弧，經(jīng)過(guò)B、C、D、E點(diǎn)后在G點(diǎn)收弧，如圖24 a～c所示。 焊接系統(tǒng)方案初步確定 焊接系統(tǒng)所需自由度的分析如圖25所示，錨鏈的焊縫為空間馬鞍線，且兩側(cè)對(duì)稱，所以采用對(duì)焊（對(duì)焊是指利用電阻熱將兩工件沿整個(gè)端面同時(shí)焊接起來(lái)的一類電阻焊方法）的焊接形式。這樣，要完成錨鏈馬鞍線的焊縫的焊接至少需要四個(gè)自由度。一般情況，馬鞍落差量（馬鞍型焊縫最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之差）相對(duì)于馬鞍型焊縫軌跡比較?。灰虼嗽趯?shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，要保證徑向運(yùn)動(dòng)的精確性，選用了傳動(dòng)效率高、定位精確的滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。（2）自動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的手動(dòng)控制方式在焊槍的自動(dòng)運(yùn)行中，為達(dá)到比較好的焊接結(jié)果，要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)各軸發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出馬鞍型曲線軌跡進(jìn)行焊接。二、 控制參數(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化焊接控制技術(shù)日益完善，在自動(dòng)化焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)的調(diào)整是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。它決定焊道的熔深，電流增加熔深增大，反之熔深減??；電流對(duì)熔寬也有一定的影響，但效果不明顯。焊接中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)焊縫金屬不能覆蓋到焊道的兩個(gè)邊緣。(4)焊槍姿態(tài)焊槍姿態(tài)是影響焊接質(zhì)量和焊縫成形的關(guān)鍵因素。由于焊接質(zhì)量和焊縫成形對(duì)焊槍的進(jìn)給速度十分敏感，因此系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定的速度控制能力。（4） 焊槍傾角：177。（7） 送絲速度范圍（cm/min）：下降特性型（40～450），雙特性型（20～600）。對(duì)于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，除了要考慮完成焊接任務(wù)相匹配的機(jī)構(gòu)自由度外，還需要考慮注入焊接環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)備、焊槍姿態(tài)、焊接工藝、結(jié)構(gòu)裝配等各方面的問(wèn)題。它是用外力在外力作用方向上的變形量之比來(lái)度量的。(3)合理布置作用力的位置和方向。 平穩(wěn)性焊接機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于質(zhì)量較大，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又經(jīng)常發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。 其它在焊接過(guò)程中，焊接機(jī)器人控制的核心是對(duì)焊槍姿態(tài)的控制。 焊接機(jī)設(shè)計(jì)的原則一、焊接機(jī)應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)功能、運(yùn)動(dòng)性能、工作性能、經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)緊湊性等評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)計(jì)中要求各軸轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)、運(yùn)動(dòng)精度177。要求設(shè)計(jì)出的焊接機(jī)的工作效率是人工焊接的5倍、零件中易損件要少，各零件應(yīng)容易更換。整機(jī)結(jié)構(gòu)要求緊湊、復(fù)雜程度中等。（3） 滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的合理布局，以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理。大齒輪定位在定位支架上，齒輪上開有寬度大于錨鏈中檔直徑的槽以便于錨鏈的裝夾和定位?；剞D(zhuǎn)部分和擺動(dòng)部分分別采用伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。(3)安裝焊槍后，由于容易產(chǎn)生干涉，所以擺動(dòng)角度不大。各部分機(jī)構(gòu)的功能如下：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：完成焊槍的回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)相貫線小于180176。升降機(jī)構(gòu)：調(diào)整焊接部分的整體位置，當(dāng)改變錨鏈的半徑時(shí)，焊機(jī)的整體結(jié)構(gòu)不用改變，只需調(diào)整升降絲杠。圖36自動(dòng)焊接機(jī)簡(jiǎn)圖