【正文】 征 48 角焊縫外形特征 49 焊接速度測試圖 50 焊接電流測試圖 51 焊接電壓測試圖 51 鋁合金腳手架試焊效果 52 幾種工作站結(jié)構(gòu)方式特點 14 產(chǎn)品尺寸系列 15 不同安裝方式下的最大支承力 24 滾珠絲杠導(dǎo)軌副安裝條件 25 軸向負荷變化表 26 伺服電機參數(shù) 29 孔系組合夾具主要組類 38 型材搭接件的焊縫形式構(gòu)成 46 焊接參數(shù)設(shè)定 49第一章 緒論 引言焊接是通過加熱熔融（有時輔以壓力）將兩塊金屬或熱塑材料連接在一起，使兩者之間達到原子結(jié)合的制造方法，它在工業(yè)生產(chǎn)中具有極其廣泛應(yīng)用，被稱為工業(yè)制造的“裁縫”，廣泛應(yīng)用于汽車、航空宇航、船舶制造、石油化工、能源動力、機械制造等行業(yè)中[[]Harry Udin,Edwerd ,John Wulff. Welding for engineers. New York: John Wiley amp。研究焊接工作站關(guān)鍵部件機器人移載平臺。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。在對數(shù)學(xué)模型進行分析的基礎(chǔ)上研究該類工件的定位特點。然而由于焊接工人的技術(shù)水平、心態(tài)情緒、生產(chǎn)責(zé)任等因素均因人而異，在人工操作的基礎(chǔ)上解決上述問題的成本極高。上述原因使焊接自動化工作站取代人工焊接成為主流。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。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)濟效益接近因此在生產(chǎn)中應(yīng)用也很廣泛。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。傳統(tǒng)防護裝置一般是防護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。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]。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。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。德國學(xué)者L. Jones、. Dagenais、（European Fusion Development Agreement）的支持下，針對中空薄壁管道相貫處焊縫跟蹤問題，設(shè)計了一種IWR機器人（Intersection Welding Robot）并采用激光探照方式糾正焊槍循跡的偏差[[] L. Jones, . Dagenais, , etc. Design of the Intersector Welding Robot for vacuum vessel assembly and maintenance, Fusion Engineering and Design. 2000, 51~51：979~983.]。專用夾具一般以汽車、飛機的大型零部件生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，例如波音公司針對波音787機體設(shè)計了復(fù)雜而精密的專用裝夾定位系統(tǒng)，通用汽車的裝配生產(chǎn)線也是采用專用焊裝夾具。上海交通大學(xué)的徐濤、林濤在對火箭貯箱五通連接器焊接變形預(yù)測研究的基礎(chǔ)上提出了“N21”定位準則并對N5的柔性工裝進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證薄壁工件在焊接工裝自持力、自重、和焊槍作用力下變形最小[[] ，[碩士學(xué)位論文]. 上海，上海交通大學(xué)，2007.]。土耳其伊斯坦布爾大學(xué)的M. Vural, . Muzafferoglu 等人深入研究了焊裝夾具對不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接冷卻過程中的變形所產(chǎn)生的影響[[] M. Vural, ., Muzafferoglu, ., Tapici. The effect of welding fixtures on welding distortions. Journal of Achievements in Material and Manufacturing Engineering,2007,20(2)：17~21.]。美國學(xué)者Kato K、Tokisue 、5052017鋁合金進行焊接促使了增強顆粒向另一側(cè)鋁合金移動的傾向，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出專用摩擦焊焊接工作站設(shè)備[[] Kato K, Tokisue H. Weld interface of friction welded aluminum alloy posite to aluminum alloy joints. Welding International,1995,9(5):352~356.]。并在上述工作的基礎(chǔ)上為該類工件設(shè)計通用的可調(diào)式柔性裝夾方案。提出了有級可調(diào)和無級可調(diào)兩種裝夾方案。繼而為機器人移載平臺的關(guān)鍵零部件選擇與校核，并研究其不同的裝配形式。最后對本文內(nèi)容安排和主要研究工作進行規(guī)劃。作為焊接操作的執(zhí)行部分，執(zhí)行裝置既可以采用工業(yè)機器人攜帶焊槍完成TIG、MIG焊接，也可以根據(jù)具體焊接任務(wù)設(shè)計專用焊接操作設(shè)備。夾緊裝置可以采用氣動夾緊和焊接專用夾緊裝置聯(lián)合夾緊。因此在焊接工作站設(shè)計階段就應(yīng)該將廠房狀況、工藝需求、投資預(yù)算充分納入考慮范圍。2）緊湊原則。2）有效利用待焊原件和成品原件劃分出焊接操作區(qū)域。這種工作站對于兩臺機器人的協(xié)調(diào)程度要求很高，循跡焊接的同時需要保證兩機械手臂不發(fā)生干涉。 多變位外部軸+雙機器人工作站 機器人焊接自動生產(chǎn)線焊接工作站的設(shè)計是非常個性化的過程，應(yīng)該根據(jù)車間實際情況、工廠生產(chǎn)要求具體問題具體分析，因此實際生產(chǎn)中的工作站結(jié)構(gòu)方式絕不僅僅限于以上五種情況，但是大多是由上述結(jié)構(gòu)化身出來的。缺點是控制難度大、價格昂貴，設(shè)備維護費用高。焊接工裝需要能夠適應(yīng)所有尺寸種類，因此工裝平臺要能夠滿足最大工件尺寸裝配。 方案一：外部軸安裝在工裝夾具下 方案二：外部軸安裝在機器人下分析對比前兩種外部軸安裝方法，可以發(fā)現(xiàn)方法1將工裝平臺安裝在外部軸上，通過工裝平臺移動來解決超長工件時焊接機器人，由于本文焊接任務(wù)需求，這樣外部軸的長度需求就長，另外也造成在焊接過程中產(chǎn)生的輕度飛濺熔渣容易落在外部軸上。這樣的好處是當(dāng)機器人在一個工位進行自動焊接時，防火布簾可以將在另一個工位手動操作的工作者和焊接機器人隔離，這樣可以防止焊接強光或飛濺損害工人健康。 焊接機器人安裝方式的研究焊接機器人是焊接工作站的核心部件，是焊接操作的執(zhí)行器，其安裝方式和運動形式直接關(guān)系到焊接的精度和質(zhì)量。所以本文焊接機器人采用外部軸安裝方式，外部軸采用滾珠絲杠帶動滑動導(dǎo)軌及機器人移載平臺的方式。、。在加速度為零時其滑塊、導(dǎo)軌受力最大值分別為： (38) 側(cè)壁吊裝機器人底座受力模型當(dāng)考慮速度參量，則在加速階段時的最大受力為： (39)當(dāng)在加速階段時的最大受力為： (310)本文采用的焊接機器人為Panasonic TA1400 6P6R單臂機器人?，F(xiàn)在對兩種安裝方式下的最大受力情況進行討論。 機器人移載平臺研究 絲杠導(dǎo)軌平臺關(guān)鍵部件研究機器人移載平臺即機器人外部軸負責(zé)機器人在工件長度方向上的工位轉(zhuǎn)換，增加焊接機器人的工作空間，常見的直線傳動方式有絲杠傳動、直線電機等方式。將根據(jù)這些參數(shù)計算選擇合適的滾珠絲杠及配套模塊。滾珠絲杠傳動通過螺紋與滾珠結(jié)合，螺紋底徑的大小影響滾珠絲杠的剛度。代入前述參數(shù)計算出滾珠絲杠底徑。本文機器人縱向移動的過程中軸承所承受的最大軸向載荷，其中為滾珠絲杠上的預(yù)拉伸力?？紤]結(jié)構(gòu)簡潔和負載容量并不大，因此本文不自行設(shè)計減速裝置，選用SY型的鼠籠型交流伺服電機外配一臺伺服驅(qū)動卡，其功能是實現(xiàn)電機的低轉(zhuǎn)速控制。其各自的安裝形式與性能如下所示： GZ安裝方式GZ安裝方式下固定端軸承采用對列角接觸球軸承支撐，自由端不采取支撐措施。 JJ安裝方式這種安裝方式兩端均采用深溝球軸承支承，軸向力承受能力比較弱。且焊接精度要求比機加工精度要求低。最后針對滾珠絲杠四種常見的安裝方式進行比較，選擇最優(yōu)的方式。 本章小結(jié)本章針對焊接機器人移載平臺的安裝方式、關(guān)鍵零部件選擇方法、滾珠絲杠的四種安裝方法展開研究工作。車間現(xiàn)場中這種安裝方式常用于大型、重型數(shù)控機床或高精度的鏜床、銑床中。 GJ安裝方式，另一端游動。、。角接觸推力球軸承內(nèi)徑、背對背安裝。因為本機器人外部軸滾珠絲杠采用預(yù)緊安裝方式，應(yīng)計算出消除軸向間隙所需的預(yù)緊力。 (319)根據(jù)式59，可以確定情況①時允許最大軸向變形量，②時。此處取導(dǎo)程。滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動機構(gòu)的傳動效率比其他傳動形式高。在本文的伺服電機驅(qū)動機器人移載平臺的最大加速度為。懸臂狀態(tài)下的極端情況，重心距離基座中心最遠時（此時機器人關(guān)節(jié)臂完全向前伸直），支座滑塊最大支撐力為，在絕大多數(shù)的機器人應(yīng)用中，加速度、均遠小于。在階段導(dǎo)軌受力與靜止時相同，不需要考慮加速度影響，當(dāng)在階段時加速度為，在階段時加速度為。因此下面只側(cè)墻吊裝、地面平裝兩種安裝方式進行研究。針對大工件時需要增設(shè)多個焊接機器人。在功能模塊分析的基礎(chǔ)上結(jié)合工作站布局方法，對自動化焊接工作站整體布局方式進行研究和設(shè)計。、。同時因為焊縫布置均勻，且均分布在工件一側(cè)上，無空間分布焊縫，因此方案2結(jié)構(gòu)中的變位器也不需要配備，故焊接工作站的基本結(jié)構(gòu)采用方案1的形式。 工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計確定了車間中焊接工作區(qū)域布局后，需要對焊接工作站進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。適用于簡單焊縫焊接。5. 機器人焊接自動生產(chǎn)線，焊接生產(chǎn)線由多臺焊接機器人系統(tǒng)、自動輸送鏈組成。這種焊接工作站的特點在于敞開式工作，適用于物料I/O頻繁，焊縫布置簡單均布于一面的場合，2. 兩套帶變位機工裝平臺+焊接機器人構(gòu)成焊接工作站，這種結(jié)構(gòu)彌補了前一種工作站不能滿足復(fù)雜空間焊縫要求的缺點， 此種機器人可以固定安裝在地面上也可以懸掛安裝，實現(xiàn)更大范圍的焊接。某些設(shè)備安排時有位置要求，如機器人移載平臺必須在焊接工位對稱中間，以利于兩邊焊接。對焊接工作站布局進行規(guī)劃，需要提前了解生產(chǎn)情況，做好充分的準備工作。由圖可見，自動化焊接工作站從功能上可以分為以下幾個模塊：機器人模塊，機器人移載平臺模塊，焊接工作臺模塊，焊接工裝模塊，氣動夾緊模塊，機器人控制器模塊，總控PLC模塊，伺服驅(qū)動模塊，以及各類開關(guān)及傳感器模塊。本文自動化焊接工作站的服務(wù)對象是同尺寸系列的鋁制品焊件，為了完成焊接任務(wù)，焊件必須放置在工作臺的適當(dāng)位置。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計合理的工作站框架結(jié)構(gòu)以利于操作者生產(chǎn)。第六章 總結(jié)與展望 對本研究課題相關(guān)工作進行了總結(jié)，反思研究工作中的不到之處，并對今后類似研究方向的工作進行了建議與相關(guān)前景展望。針對目前面向同系列不同尺寸工件的自動化焊接工作站研究工作較少的情況提出了自己的研究方向。2. 對焊接工作站關(guān)鍵部件機器人移載平臺展開研究，首先分析導(dǎo)軌平臺各安裝方式利弊，其次對關(guān)鍵部件進行選型與分析。結(jié)合目前汽車車架、摩托車車架、飛機機體等焊接工作站的研究工作，總結(jié)其一般性結(jié)構(gòu)，本文首先在此基礎(chǔ)上確定焊接工作站的布局形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。進而依據(jù)焊接機器人設(shè)計焊接工作站，將4V坡口型材焊接效率提升1倍[[] 周軍年，李靜，王廣英，等. 焊接機器人在軌道車輛鋁合金焊接中的應(yīng)用. 物理測試，2010,3(28)：16~19.]。中南大學(xué)易文、劉德福等人在研究了結(jié)合規(guī)則推理(RBR)與實例推理(CBR)的兩重混合推理技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成計算機CAD系統(tǒng)二次開發(fā)工具，結(jié)合基于產(chǎn)生式規(guī)則的推理方式和模糊評定技術(shù)提出了一種RBR與CBR技術(shù)相結(jié)合的槽系組合夾具混合推理模型。實現(xiàn)了工裝更換時免示教，有效地縮短了新產(chǎn)品工裝作業(yè)程序問題[[] ，[碩士學(xué)位論文]. 上海，上海交通大學(xué)，2008.]。 焊接工件柔性工裝技術(shù)在焊接工裝夾具設(shè)計中根據(jù)焊接工裝夾具柔性化程度，焊接夾具可分為專用工裝夾具和柔性工裝夾具兩種。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.]。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.]。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)電氣控制方案進行著重分析。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、工作站先進控制、工作站先進設(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)。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。弧焊包括手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊等焊接方式，這些焊接方式的焊接參數(shù)、操作方法雖然有一