【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ng Zhong, etc. Realtime seam tracking control technology during welding robot GTAW process based on passive vision sensor, Journal of Materials Processing Technology. 2012,8(212)：1654~1662.]。韓國(guó)三星重型機(jī)械的Donghun Lee和嶺南大學(xué)的Taewon Seo兩位學(xué)者對(duì)于輪船零部件焊接工作站中的3P3R型串聯(lián)弧焊機(jī)器人工作空間進(jìn)行分析，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化，采用雙步優(yōu)化方法獲得了機(jī)器人可行參數(shù)域[[] Donghun Lee, Taewon Seo, Jongwon Kim. Optimal design and workspace analysis of a mobile welding robot with a 3P3R serial manipulator, Robotic and Autonomous System. 2011, 10(59)：813~826.]。德國(guó)學(xué)者L. Jones、. Dagenais、（European Fusion Development Agreement）的支持下，針對(duì)中空薄壁管道相貫處焊縫跟蹤問題，設(shè)計(jì)了一種IWR機(jī)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.]。美國(guó)德克薩斯Aamp。M大學(xué)的RANJEET AGARWALA將SCARA機(jī)器人應(yīng)用于GMAW焊接過程中，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。M University, 2000.]。 焊接工件柔性工裝技術(shù)在焊接工裝夾具設(shè)計(jì)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。在高精密、高價(jià)值或者大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品線上，由于加強(qiáng)剛度、增加穩(wěn)定性、提高精度和效率的需求，常常采用專用夾具，如飛機(jī)裝配生產(chǎn)線、汽車零部件生產(chǎn)線等[[] 王政著. 焊接工裝夾具及變位機(jī)械:性能、設(shè)計(jì)、選用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001:7~10.]。而針對(duì)中小型批量產(chǎn)品，模塊化的柔性工裝夾具則因具有能快速適應(yīng)變化的工裝需求、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用[[] Bi, WJ Zhang. Flexible fixture design and automation: Review, issues and future directions, International Journal of Production Research. 2001,13(39):2867~2894.]。目前焊接工裝領(lǐng)域的研究也主要針對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域。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。專用夾具的設(shè)計(jì)條件依據(jù)需求而定，本文暫不多做討論。柔性焊接夾具以其廣泛的適用性得到越來越的研究和關(guān)注。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。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.]。賈秀杰、李劍鋒等人在研究ZL50 的前車架焊接夾具是提出了可重構(gòu)的焊接夾具設(shè)計(jì)思想。通過功能—結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行組織焊接工裝，詳細(xì)研究焊接夾具的定位穩(wěn)定性、夾緊穩(wěn)定性和焊接過程變形穩(wěn)定性及總體約束4個(gè)功能要求，通過建立功能層—特征層—結(jié)構(gòu)層的映射，匹配不同的夾具結(jié)構(gòu)模塊，形成夾具方案，使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更為快捷[[] 賈秀杰，李劍鋒，. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008，10(7)：212~214.]。柔性焊接工裝的設(shè)計(jì)過程中，焊接結(jié)構(gòu)加熱和冷卻循環(huán)不可避免地導(dǎo)致殘余應(yīng)力和焊接變形是不容忽視的因素。上海交通大學(xué)的徐濤、林濤在對(duì)火箭貯箱五通連接器焊接變形預(yù)測(cè)研究的基礎(chǔ)上提出了“N21”定位準(zhǔn)則并對(duì)N5的柔性工裝進(jìn)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.]。香港理工大學(xué)的Li,B., Shui,., Lau,，以金屬橫梁組裝為研究依托，建立了一種新的夾具組態(tài)方式并驗(yàn)證了可行性[[] Li,B., Lau,..Principle and simulation of fixture configuration design for sheet metal assembly with laser welding. Advanced Manufacturing Technology,2001,18(9):276~284.]。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。近些年來，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)的建模方法展開研究，通過將夾具設(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.]。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(shí)例推理(CBR)的兩重混合推理技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成計(jì)算機(jī)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(píng)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?？梢詼?zhǔn)確有效地獲得定位特征[[] ，[碩士學(xué)位論文]. 長(zhǎng)沙，中南大學(xué)，2011.]。美國(guó)伍斯特理工學(xué)院（Worcester Polytechnic Institute）的Kevin RONG教授與卡特彼勒公司合作開展了針對(duì)卡特彼勒公司大型工程機(jī)械零部件焊接工藝的計(jì)算機(jī)輔助工裝夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究開發(fā)和應(yīng)用工作[[] WANG Hui, RONG Yi ming (Kevin). Case based reasoning method for puter aided welding fixture design. Computer Aided Design, 2008,40(12):11211132.]，相關(guān)工作被分為兩個(gè)階段，第一階段為“計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用”，第二階段在第一階段工作的基礎(chǔ)上，開展“知識(shí)驅(qū)動(dòng)的智能化計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用”。河海大學(xué)的吳玉光教授、王錦橋教授將CAD系統(tǒng)集成入孔系工裝的設(shè)計(jì)中，++，縮短了夾具開發(fā)周期[[] ，[碩士學(xué)位論文] .南京，河海大學(xué)，2003.]。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.]。 鋁合金自動(dòng)化焊接由于鋁合金在制造業(yè)中的地位日趨上升，鋁合金制品的自動(dòng)化焊接成為焊接領(lǐng)域的重要課題。目前國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)鋁合金的焊接特性而開發(fā)焊接工作站的研究工作已經(jīng)有了一些。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)。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.]。上海交通大學(xué)的林麗華、唐逸民、陳立功等人就SiC(P)/LD2鋁基復(fù)合材料的釬焊過程將釬料對(duì)鋁基復(fù)合材料潤(rùn)濕在焊槍上露點(diǎn)增強(qiáng)設(shè)備，有效提高了接頭強(qiáng)度，減少了焊縫內(nèi)氣泡密度和體積權(quán)值[[] 林麗華，唐逸民，陳立功，等. 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊接機(jī)理，焊接學(xué)報(bào)，1997,1(18):12~15.]。大連研究者柳緒靜、劉黎明、王恒等人針對(duì)鋁合金熔池和焊縫斷面進(jìn)行研究，研發(fā)了一種激光—TIG復(fù)合熱源焊接方案彌補(bǔ)了TIG焊接鎂和鋁形成連續(xù)的金屬間化合物層，導(dǎo)致鎂和鋁接觸的界面開裂問題。大大提高了焊縫的強(qiáng)度，且焊縫美觀均勻[[] 柳緒靜、劉黎明、王恒，等. 鎂鋁異種金屬激光—TIG復(fù)合熱源焊焊接性分析. 焊接學(xué)報(bào)，2005,8(26)：31~35.]。美國(guó)學(xué)者Kato K、Tokisue 、5052017鋁合金進(jìn)行焊接促使了增強(qiáng)顆粒向另一側(cè)鋁合金移動(dòng)的傾向，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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.]。 Pushby基于可減輕車身總重的汽車車架太空鋁合金型材的接縫焊接拼接技術(shù)，對(duì)TIG焊接、激光焊接、摩擦攪拌焊三種焊接方法在拼接邊界處的焊接優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比研究[[] . Barnes, . Pashby. Joining techniques for aluminium spaceframes used in automobiles Part I—solid and liquid phase welding. Journal of Materials Processing Technology, 2000,(99)：66~77.]。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。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)中很常見的焊接任務(wù)，因此對(duì)它展開深入研究有重要的意義。結(jié)合目前汽車車架、摩托車車架、飛機(jī)機(jī)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)。其次研究焊接工作站關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行安裝形式的受力分析。第三，研究焊接加工中一類常見工件，對(duì)其進(jìn)行抽象概括并建立數(shù)學(xué)模型，通過模型分析研究尺寸變化對(duì)其工裝產(chǎn)生的影響。在對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上研究該類工件的定位特點(diǎn)。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。最后結(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)，與工廠技術(shù)人員合作建立自動(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)證并進(jìn)行試焊。 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。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)。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。最終確定機(jī)器人移載平臺(tái)的裝配形式。3. 針對(duì)焊接中一類常見焊接工件提出DSLD工件概念并對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。在基于數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行裝夾點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上提出了DSLD工件可調(diào)柔性裝夾技術(shù)。提出了有級(jí)可調(diào)和無級(jí)可調(diào)兩種裝夾方案。4. 結(jié)合實(shí)際鋁合金型材搭接腳手架焊接任務(wù)，進(jìn)行自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)，在建立起三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上，與廠方技術(shù)人員配合搭建實(shí)際工作站。并對(duì)鋁合金腳手架進(jìn)行試焊。根據(jù)工作的內(nèi)容文章的組織結(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。針對(duì)目前面向同系列不同尺寸工件的自動(dòng)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。第二章 工作站布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)焊接任務(wù)進(jìn)行工作站功能分析，結(jié)合車間現(xiàn)場(chǎng)及焊件參數(shù)進(jìn)行工作站的布局研究與設(shè)計(jì)。針對(duì)待焊工件的結(jié)構(gòu)分析、焊縫分布，依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)焊接工作站各功能模塊的整體結(jié)構(gòu)。第三章 重點(diǎn)研究了工作站中機(jī)器人移載平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)裝配方式，對(duì)導(dǎo)軌平臺(tái)的安裝方式進(jìn)行力學(xué)分析，選擇合理裝配形式。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。第四章 定義一類DSLD工件并對(duì)其做詳細(xì)解釋，在建立其數(shù)學(xué)模型并分析的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)DSLD工件可調(diào)柔性裝夾技術(shù)，分析兩種裝夾方