【正文】 的組織結(jié)構(gòu)如下：第一章 緒論，分析介紹國(guó)內(nèi)外同業(yè)人員在自動(dòng)化焊接工作站領(lǐng)域研究熱點(diǎn)領(lǐng)域及研究現(xiàn)狀。主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 自動(dòng)化焊接工作站需求分析及功能設(shè)計(jì)，工作站布局研究與設(shè)計(jì)，工作站內(nèi)部各功能模塊的相對(duì)分布結(jié)構(gòu)形式研究與設(shè)計(jì)。在廣泛參考前述工作的基礎(chǔ)上，對(duì)已有的研究工作進(jìn)行歸納，結(jié)合常熟市常勝鋁制品公司的自動(dòng)化焊接需求，認(rèn)為在焊接制造領(lǐng)域中，針對(duì)鋁合金型材同尺寸系列的自動(dòng)化焊接研究不夠多，而這是制造業(yè)中很常見(jiàn)的焊接任務(wù)，因此對(duì)它展開(kāi)深入研究有重要的意義。唐山的周軍年、李靜、王廣英等人從焊接效率和焊縫力學(xué)性能的角度出發(fā)，從鋁合金焊接適用性的角度分析，比較雙絲和單絲MIG機(jī)器人生產(chǎn)特點(diǎn)。近些年來(lái)，一系列裝夾工藝知識(shí)的建模與表達(dá)方法、工裝夾具知識(shí)的獲得和應(yīng)用等得到了學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的關(guān)注，例如FAN等學(xué)者基于XML和UML技術(shù)對(duì)工裝夾具設(shè)計(jì)知識(shí)的建模方法展開(kāi)研究，通過(guò)將夾具設(shè)計(jì)知識(shí)、范例模式轉(zhuǎn)化為一系列的特征集合，并將知識(shí)庫(kù)植入分布式系統(tǒng)，供自動(dòng)查詢和檢索時(shí)候應(yīng)用[[] FAN L Q, KUMAR A Senthil. XMLbased representation in a CBR system for fixture design. ComputerAided Design and Application, 2005,2(1/2/3/4):339348.]。在柔性焊接工裝的研究領(lǐng)域中上海交通大學(xué)陳建平、董曉雨提出了一種焊接機(jī)器人工裝即插即用控制技術(shù)，在工裝中引入嵌入式控制系統(tǒng)，將機(jī)器人的焊接作業(yè)程序及控制邏輯固化在工裝模塊中，當(dāng)新的工裝引入到焊接工作站中時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單地坐標(biāo)系變換，將相對(duì)作業(yè)程序轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序。M University, 2000.]。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.]。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。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.]。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]。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。車間中廣泛應(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。 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、柔性制造單元、柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，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。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)專用工作站也是不切實(shí)際的。目前在工廠車間中由于勞動(dòng)力短缺、人工操作的不穩(wěn)定等原因，自動(dòng)化焊接工作站已經(jīng)成為大量制造業(yè)的經(jīng)濟(jì)之選。關(guān)鍵詞：焊接工作站、機(jī)器人移載平臺(tái)、可調(diào)工裝、DSLD工件ABSTRACTAutomatic welding workstation is the focus of research in the field of welding. Many efforts have been made on research directions like fixture design, research in the distribution, control technique, etc. In this paper, a new kind of automatic welding workstation which can adapt varisized welding work piece by adopting a new kind of welding fixture is developed. This workstation is designed to solve the automatic welding requirements of Alalloy welding pieces in different size.Firstly, in this paper, the functional requirements of workstation, which include fixture module, execution module, robot mobile platform, and security amp。本文以一種可以適應(yīng)鋁合金型材搭接件焊接工裝的自動(dòng)化焊接工作站為研究對(duì)象，深入研究了工作站的功能模塊、焊接機(jī)器人移載平臺(tái)模塊、柔性焊接工裝模塊，并基于鋁合金腳手架步道板實(shí)例進(jìn)行了焊接工作站設(shè)計(jì)、搭建及調(diào)試。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書(shū)）　　 作者簽名： 日 期： 57 / 72摘 要自動(dòng)化焊接工作站是焊接自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。結(jié)合鋁合金型材搭接件研究基于實(shí)例的自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)，建立自動(dòng)化焊接工作站實(shí)體，針對(duì)具體鋁合金型材搭接件焊接工藝特性選擇機(jī)器人焊接參數(shù)，并通過(guò)控制變量方法對(duì)三個(gè)主要焊接參數(shù)進(jìn)行試焊驗(yàn)證。舉例來(lái)說(shuō)：經(jīng)過(guò)對(duì)大批制造企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大量80后、90后勞動(dòng)者對(duì)單調(diào)、枯燥、環(huán)境惡劣的焊接工作表現(xiàn)排斥態(tài)度，盡管焊接工作平均薪水高于電子產(chǎn)品制造企業(yè)27%以上——可見(jiàn)薪酬已經(jīng)不是造成焊接工人匱乏的唯一原因。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)。可以為該類型工件的工裝設(shè)計(jì)提供一般性的解決思路，對(duì)該類工件的研究解決的焊接生產(chǎn)中一類工件的自動(dòng)化焊接問(wèn)題。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)。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)。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。合肥工業(yè)大學(xué)呂堃對(duì)商務(wù)車前橋橫梁機(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)車前橋橫梁的焊接工藝性確定焊接工藝參數(shù)。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.]。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.]。M大學(xué)的RANJEET AGARWALA將SCARA機(jī)器人應(yīng)用于GMAW焊接過(guò)程中，對(duì)焊接電壓、電弧以及機(jī)器人手臂軌跡精確控制，并對(duì)系統(tǒng)對(duì)于電壓變化響應(yīng)速度進(jìn)行了分析[[] Ranjeet Agarwala. Control of Robot Integrated Gas Metal ARC Welding Process, [Master Dissertation].Texas USA: Texas Aamp。柔性焊接夾具以其廣泛的適用性得到越來(lái)越的研究和關(guān)注。Bluco公司在與通用汽車公司合作進(jìn)行汽車車架焊接中，提出了網(wǎng)格型夾具系統(tǒng)可以為工件提供合理并柔性的夾具。目前國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)鋁合金的焊接特性而開(kāi)發(fā)焊接工作站的研究工作已經(jīng)有了一些。但是由于在一般應(yīng)用場(chǎng)合下，鋁合金焊接TIG、MIG焊接方法與其他金屬操作方式差別并不大，因此從經(jīng)濟(jì)的角度考慮多數(shù)仍采用通用工業(yè)機(jī)器人負(fù)載焊槍執(zhí)行焊接動(dòng)作的方法。 論文的研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外焊接自動(dòng)化工作站設(shè)計(jì)相關(guān)論文、專著的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)外同業(yè)者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和即有成品的背景下，緊密聯(lián)系目標(biāo)焊接要求，設(shè)計(jì)了一套基于孔槽結(jié)合焊接工裝夾具的自動(dòng)化焊接工作站。并對(duì)鋁合金腳手架進(jìn)行試焊。第五章 結(jié)合實(shí)際鋁合金腳手架焊接工件進(jìn)行焊接工作站設(shè)計(jì)，建立焊接自動(dòng)化工作站整體組裝三維模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合鋁合金腳手架焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接工作站實(shí)體搭建，根據(jù)工件金屬焊接性以及焊縫形狀焊接特性確定焊接參數(shù)并采用固定變量法進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)的前提是根據(jù)工廠需求規(guī)劃功能模塊。安全防護(hù)裝置可以采用高成本高可靠度的光柵圍欄防護(hù)，也可以采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的柵欄、耐火布料防護(hù)。自動(dòng)化焊接工作站需要將以上功能進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，自動(dòng)化焊接工作站的集成設(shè)計(jì)要考慮的因素非常多，如機(jī)械接口、強(qiáng)電電纜和弱電信號(hào)線的分布，以及氣動(dòng)管線布置等。還需要根據(jù)這些確定工作站內(nèi)部機(jī)器人系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、焊接電源、工裝夾具的位置關(guān)系，這其中尤其以焊接工裝和焊接機(jī)器人的相對(duì)位置最為關(guān)鍵。在保證物流順暢的前提下，保持較小的設(shè)備間距，便于工人操作。目前車間中常見(jiàn)的焊接工作站結(jié)構(gòu)形式有以下幾種[[] 李冬蘭. 基于汽車車架機(jī)器人焊接工作站的研究與應(yīng)用，[碩士學(xué)位論文].南昌大學(xué)，2010.]：1. 單套固定工裝平臺(tái)+焊接機(jī)器人構(gòu)成工作站，這種結(jié)構(gòu)形式最簡(jiǎn)單，故障率也比較低，但由于工人執(zhí)行上下料任務(wù)的時(shí)候設(shè)備處于閑置狀態(tài)，因此機(jī)器人工作效率低。但是這種工作站組成部分較多，占地面積大，成本昂貴。面向任務(wù)設(shè)計(jì)工作站時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體設(shè)計(jì)任務(wù)的不同選擇不同的結(jié)構(gòu)方式。缺點(diǎn)是占地面積大，成本昂貴。同時(shí)當(dāng)工件型號(hào)變化時(shí)，構(gòu)成工件的主型材長(zhǎng)度會(huì)增加，為保證工件的強(qiáng)度，中間加強(qiáng)條的個(gè)數(shù)和相對(duì)位置也會(huì)變化，因此還需要相應(yīng)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)不同定位、夾緊位置轉(zhuǎn)換的可調(diào)節(jié)夾具。綜合考慮方法2的優(yōu)劣，認(rèn)為焊接精度要求不高，方法2對(duì)精度的影響不會(huì)嚴(yán)重到產(chǎn)生廢件的程度，因此采用第二種方法。機(jī)器人設(shè)計(jì)最高移動(dòng)速率為14m/min，累計(jì)工人操作時(shí)間，以EURO鋁臺(tái)板型號(hào)的工件（26焊縫/件）為例，預(yù)計(jì)每件最大消耗工時(shí)310秒，相較原工作速率可以提升30%。外部軸安裝則分為頂棚式吊裝、側(cè)墻式吊裝、地面式平裝三種常用的安裝方式[[] 梁杰，畢樹(shù)生. 制孔執(zhí)行器的安裝方式對(duì)機(jī)器人性能的影響. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010,21(46)：13~18.]。在這三種安裝方式中機(jī)器人均有等速、靜止、加速、減速的狀態(tài)，因此機(jī)器人基座的受力狀態(tài)和對(duì)精度的影響也十分不同。四個(gè)滑塊受力與導(dǎo)軌間距、滑塊間距、重心作用點(diǎn)距幾何中心的距離、關(guān)系如下式332所示： (31) (32)本文只對(duì)四個(gè)滑塊及相應(yīng)導(dǎo)軌部分的最大受力狀態(tài)感興趣，即在這里只取導(dǎo)軌最大作用力研究。可見(jiàn)機(jī)器人在地面平裝工作在多數(shù)狀態(tài)下均為懸臂狀態(tài)。因此不失一般性的假設(shè)和相同。這是因?yàn)榕c其他傳動(dòng)方式相比，滾珠絲杠副有以下特點(diǎn)：1. 滾珠絲杠副發(fā)熱率低、溫升小以及在加工過(guò)程中對(duì)絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊的方法消除軸向間隙，因此滾珠絲杠副相比其他傳動(dòng)方式具有高的定位精度和可重復(fù)定位精度。 焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)速度曲線計(jì)算滾珠絲杠導(dǎo)程，本機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)與滾珠絲杠直連控制，中間無(wú)傳動(dòng)模塊。首先根據(jù)定位精度確定滾珠絲杠允許的最大軸向變形量。因此采用前者。且軸承內(nèi)圈直徑應(yīng)略小于滾珠絲杠底徑。折算表達(dá)式如下式：(322)由聯(lián)軸器手冊(cè)可查為，因此，本傳動(dòng)系統(tǒng)為單向直線傳遞，因此不需要折算，即也是電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以求出電機(jī)在等速、等加速、等減速階段的輸出扭矩、分別為： (323)根據(jù)上述參數(shù)可以選擇伺服電機(jī)， 伺服電機(jī)參數(shù)型號(hào)額定功率額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速額定電流適配驅(qū)動(dòng)器電壓轉(zhuǎn)子慣量130STM07725 kw 18 2500 rpm AAC220V103但是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故機(jī)械影響鏈短，且易于安裝。這種安裝方式主要用于中速輕載的應(yīng)用場(chǎng)和。 機(jī)器人移載平臺(tái)整體安裝方式根據(jù)前述對(duì)移載平臺(tái)安裝方式、滾珠絲杠兩端支撐方式的研究與計(jì)算，結(jié)合本文自動(dòng)化焊接工作站的布局方式，從機(jī)械穩(wěn)定性、機(jī)器人移動(dòng)敏捷性、生產(chǎn)節(jié)奏有序的角度考慮，本文采用松下TA1400焊接機(jī)器人，并將焊接機(jī)器人進(jìn)行可移動(dòng)式外部軸安裝，為優(yōu)化機(jī)器人執(zhí)行焊接操作的過(guò)程中基座平臺(tái)受力狀況，機(jī)器人移載平臺(tái)采用地面平裝安裝方式