【正文】 ]。近期一種采用紅外傳感器技術(shù)的光柵防護(hù)欄可以通過安全光幕檢測(cè)工作過程中的異物進(jìn)入，不過成本昂貴。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。研究發(fā)現(xiàn)，目前的焊接工作站面向的焊接對(duì)象要么是單一焊接參數(shù)，固定焊縫布置，固定型號(hào)任務(wù)的大批量零件；要么是產(chǎn)品任務(wù)經(jīng)常改變，需要針對(duì)不同任務(wù)采取不同的工裝，使用不同的焊接參數(shù)，而且因?yàn)楹缚p布置不同因此焊接機(jī)器人運(yùn)行程序也不同；第三類則是焊縫極長(zhǎng)，焊接條件復(fù)雜，需要有針對(duì)性的開發(fā)專用的自動(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.]。并在上述工作的基礎(chǔ)上為該類工件設(shè)計(jì)通用的可調(diào)式柔性裝夾方案。首先對(duì)焊接工作站進(jìn)行功能需求分析，確定了工裝模塊、焊接執(zhí)行模塊、安全防護(hù)模塊、系統(tǒng)控制模塊、機(jī)器人移載平臺(tái)模塊等功能模塊，構(gòu)建了工作站的功能框架并在此基礎(chǔ)上確定焊接工作站的布局形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從成本角度來考慮：焊接是一種對(duì)技術(shù)要求較高的加工方式，目前在工廠一線上勞動(dòng)者工資很容易達(dá)到4000元／月，市場(chǎng)一臺(tái)焊接工業(yè)機(jī)器人均價(jià)咋15萬元左右，其勞動(dòng)效率可以頂替三個(gè)工人，如此算下來人力成本與機(jī)器人使用成本相差無幾，再考慮到機(jī)器人的使用壽命至少3—5年，成本優(yōu)勢(shì)更顯著。剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線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)。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。上海談士力、沈俊杰從汽車關(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。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.]。實(shí)現(xiàn)了工裝更換時(shí)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.]。進(jìn)而依據(jù)焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jī)器人在軌道車輛鋁合金焊接中的應(yīng)用. 物理測(cè)試，2010,3(28)：16~19.]。2. 對(duì)焊接工作站關(guān)鍵部件機(jī)器人移載平臺(tái)展開研究，首先分析導(dǎo)軌平臺(tái)各安裝方式利弊，其次對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型與分析。第六章 總結(jié)與展望 對(duì)本研究課題相關(guān)工作進(jìn)行了總結(jié)，反思研究工作中的不到之處，并對(duì)今后類似研究方向的工作進(jìn)行了建議與相關(guān)前景展望。本文自動(dòng)化焊接工作站的服務(wù)對(duì)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(tái)的適當(dāng)位置。對(duì)焊接工作站布局進(jìn)行規(guī)劃，需要提前了解生產(chǎn)情況，做好充分的準(zhǔn)備工作。這種焊接工作站的特點(diǎn)在于敞開式工作，適用于物料I/O頻繁，焊縫布置簡(jiǎn)單均布于一面的場(chǎng)合，2. 兩套帶變位機(jī)工裝平臺(tái)+焊接機(jī)器人構(gòu)成焊接工作站，這種結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了前一種工作站不能滿足復(fù)雜空間焊縫要求的缺點(diǎn)， 此種機(jī)器人可以固定安裝在地面上也可以懸掛安裝，實(shí)現(xiàn)更大范圍的焊接。適用于簡(jiǎn)單焊縫焊接。同時(shí)因?yàn)楹缚p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。在功能模塊分析的基礎(chǔ)上結(jié)合工作站布局方法，對(duì)自動(dòng)化焊接工作站整體布局方式進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。因此下面只側(cè)墻吊裝、地面平裝兩種安裝方式進(jìn)行研究。懸臂狀態(tài)下的極端情況，重心距離基座中心最遠(yuǎn)時(shí)（此時(shí)機(jī)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(jī)器人應(yīng)用中，加速度、均遠(yuǎn)小于。滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率比其他傳動(dòng)形式高。 (319)根據(jù)式59，可以確定情況①時(shí)允許最大軸向變形量，②時(shí)。角接觸推力球軸承內(nèi)徑、背對(duì)背安裝。 GJ安裝方式，另一端游動(dòng)。 本章小結(jié)本章針對(duì)焊接機(jī)器人移載平臺(tái)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。且焊接精度要求比機(jī)加工精度要求低。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(duì)列角接觸球軸承支撐，自由端不采取支撐措施。本文機(jī)器人縱向移動(dòng)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。滾珠絲杠傳動(dòng)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。 機(jī)器人移載平臺(tái)研究 絲杠導(dǎo)軌平臺(tái)關(guān)鍵部件研究機(jī)器人移載平臺(tái)即機(jī)器人外部軸負(fù)責(zé)機(jī)器人在工件長(zhǎng)度方向上的工位轉(zhuǎn)換，增加焊接機(jī)器人的工作空間，常見的直線傳動(dòng)方式有絲杠傳動(dòng)、直線電機(jī)等方式。在加速度為零時(shí)其滑塊、導(dǎo)軌受力最大值分別為： (38) 側(cè)壁吊裝機(jī)器人底座受力模型當(dāng)考慮速度參量，則在加速階段時(shí)的最大受力為： (39)當(dāng)在加速階段時(shí)的最大受力為： (310)本文采用的焊接機(jī)器人為Panasonic TA1400 6P6R單臂機(jī)器人。所以本文焊接機(jī)器人采用外部軸安裝方式，外部軸采用滾珠絲杠帶動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌及機(jī)器人移載平臺(tái)的方式。這樣的好處是當(dāng)機(jī)器人在一個(gè)工位進(jìn)行自動(dòng)焊接時(shí)，防火布簾可以將在另一個(gè)工位手動(dòng)操作的工作者和焊接機(jī)器人隔離，這樣可以防止焊接強(qiáng)光或飛濺損害工人健康。焊接工裝需要能夠適應(yīng)所有尺寸種類，因此工裝平臺(tái)要能夠滿足最大工件尺寸裝配。 多變位外部軸+雙機(jī)器人工作站 機(jī)器人焊接自動(dòng)生產(chǎn)線焊接工作站的設(shè)計(jì)是非常個(gè)性化的過程，應(yīng)該根據(jù)車間實(shí)際情況、工廠生產(chǎn)要求具體問題具體分析，因此實(shí)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。2）有效利用待焊原件和成品原件劃分出焊接操作區(qū)域。因此在焊接工作站設(shè)計(jì)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。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(jī)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(jì)專用焊接操作設(shè)備。繼而為機(jī)器人移載平臺(tái)的關(guān)鍵零部件選擇與校核，并研究其不同的裝配形式。并在上述工作的基礎(chǔ)上為該類工件設(shè)計(jì)通用的可調(diào)式柔性裝夾方案。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(duì)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.]。專用夾具一般以汽車、飛機(jī)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(duì)波音787機(jī)體設(shè)計(jì)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。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研究，為實(shí)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(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。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(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(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]。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。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。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。除了文中特別加以標(biāo)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(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 its mathematical model is established and analyzed to figure out the relationship between fixture key points and size verification. A new kind of adjustable fixture is proposed based on former analysis to adjust the kind of work piece mentioned above.Finally, based on the 3D design model of workstation, established the entity of workstation. Based on the welding characteristics of Alalloy structural welding pieces, the operation parameters are figured out and checked using parameter control method. Key Words: automatic welding workstation, robot mobile platform, adjustable fixture, DSLD work piece目錄第一章 緒論 1 引言 1 課題來源和研究意義 2 自動(dòng)化焊接工作站國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 4 焊接工件柔性工裝技術(shù) 5 鋁合金自動(dòng)化焊接 6 論文的研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排 7 本章小結(jié) 8第二章 鋁合金焊接工作站系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 9 引言 9 功能需求分析 9 焊接工作站布局研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 工作站整體布局研究與設(shè)計(jì) 10 工作站結(jié)構(gòu)研究 11 工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 本章小結(jié) 18第三章 機(jī)器人移載平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì) 19 概述 19 焊接機(jī)器人安裝方式的研究 19 機(jī)器人移載平臺(tái)研究 24 絲杠導(dǎo)軌平臺(tái)關(guān)鍵部件研究 24 絲杠導(dǎo)軌平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu) 29 本章小結(jié) 32第四章 DSLD工件柔性裝夾技術(shù) 33 33 DSLD工件及其數(shù)學(xué)分析 33 DSLD工件定義 33 DSLD工件數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 33 DSLD工件定位點(diǎn)分析 35 DSLD工件的工裝技術(shù)研究 37 組合夾具 38 可調(diào)夾具 38 DSLD工件的可調(diào)整夾具原理 39 本章小結(jié) 42第五章 基于實(shí)例的自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)與調(diào)試 43 概述 43 焊接工作站設(shè)計(jì) 43 鋁合金腳手架焊接工藝研究 45 鋁合金金屬焊接性研究 45 焊縫形狀工藝性研究 46 焊接參數(shù)確定 48 程序示教與工件試焊 51 本章小結(jié) 52第六章 總結(jié)與展望 53 本文的主要研究成果 53 研究中存在的問題和未來展望 53參考文獻(xiàn) 54致謝 58在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 59圖、表清單 自動(dòng)化焊接工作站的功能模塊 10 焊接工作站車間布局 11 單套固定夾具+焊接機(jī)器人工作站 12 兩套帶變位機(jī)工裝平臺(tái)+焊接機(jī)器人工作站 12 搬運(yùn)機(jī)器人+焊接機(jī)器人工作站 13 多變位外部軸+雙機(jī)器人工作站 13 機(jī)器人焊接自動(dòng)生產(chǎn)線 14 方案一：外部軸安裝在工裝夾具下 16 方案二：外部軸安裝在機(jī)器人下 16 焊接工作站整體布局1 17 焊接工作站整體布局2 18 非懸臂狀態(tài)下平裝機(jī)器人底座受力模型 20 懸臂狀態(tài)下平裝機(jī)器人底座受力模型 21 機(jī)器人速度曲線 21 側(cè)壁吊裝機(jī)器人底座受力模型 22 機(jī)器人工作空間 23 滾珠絲杠導(dǎo)軌副計(jì)算模型 25 焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)速度曲線 25 機(jī)器人移載平臺(tái)組成 30 機(jī)器人移載平臺(tái)組成 30 GZ安裝方式 30 GJ安裝方式 31 JJ安裝方式 31 GG安裝方式 31 工件坐標(biāo)系與平臺(tái)坐標(biāo)系 34 坐標(biāo)系平移模型 34 DSLD工件尺寸變化示意 35 組合夾具使用流程 37 可調(diào)整夾具使用流程 37 調(diào)整式可調(diào)夾具原理 39 撓性定位器原理 40 撓性定位器結(jié)構(gòu) 41 利用撓性件定位的定位桿結(jié)構(gòu) 41 無級(jí)可調(diào)工裝 42 帶定位尺的導(dǎo)軌側(cè)圖 42 自動(dòng)化焊接工作站裝配圖 44 自動(dòng)化焊接工作站實(shí)物 44 焊件主型材搭接截面 47 典型焊件結(jié)構(gòu)（編號(hào)1~13為焊縫分布位置） 48 型焊縫外形特征 48 角焊縫外形特征 49 焊接速度測(cè)試圖 50 焊接電流測(cè)試圖 51 焊接電壓測(cè)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(diǎn) 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(fù)荷變化表 26 伺服電機(jī)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