【文章內(nèi)容簡介】 研究在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各個分散的、相對獨立的智能子系統(tǒng)之間通過合作，共同完成一個或多個控制作業(yè)任務(wù)的技術(shù)。多機器人焊接的協(xié)調(diào)控制是一個目前的研究熱點問題。 專用弧焊電源 在焊接機器人系統(tǒng)中，電氣性能良好的專用弧焊電源直接影響焊接機器 人的使用性能。目前，弧焊機器人一般采用熔化極氣體保護焊 (MIG 焊、 MAG 焊、CO2 焊 )或非熔化極氣體保護焊 (TIG、等離子弧焊 )，熔化極氣體保護焊焊接電源主要使用晶閘管電源和逆變電源。近年來，弧焊逆變器的技術(shù)已趨于成熟，機器人專用弧焊逆變電源大多為單片機控制的晶 體管式弧焊逆變器，并配以精細的波形控制和模糊控制技術(shù)，工作頻率 20～ 50 kHz，最高可達 200 kHz，焊接系統(tǒng)動特性優(yōu)良，適合于機器人自動化和智能化焊接。還有一些特殊功能的電源，如適合鋁及其鋁合金 TIG 焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的 焊接電源等。目前有一種采用模糊控制方法的焊接電源，可以更好地保證焊縫熔寬和熔深基本一致，不僅焊縫表面美觀，還能減少焊接缺陷?；『鸽娫床粩嘞驍?shù)字化方向發(fā)展，其特點是：焊接參數(shù)穩(wěn)定，受網(wǎng)路電壓波動、溫升、元器件老化等因素的影響小，具有較高的重復(fù)性，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成形良好。另外，利用DSP 快速響應(yīng)，通過主控制系統(tǒng)指令精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)多種焊接方法對電源的要求。 仿真技術(shù) 機器人在研制、設(shè)計和試驗過程中，經(jīng)常需要對其運動學(xué)、動力學(xué)性能 進行分析以及進行軌跡規(guī)劃設(shè)計，而機器人又是多自由度、多連桿空間機構(gòu)，其運動學(xué)和動力學(xué)問題十分復(fù)雜，計算難度大。若將機械手作為仿真對象，運用計算機圖形技術(shù) CAD 技術(shù)和機器人學(xué)理論在計算機中形成幾何圖形，并動畫顯示，然后對機器人的機構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)正反解分析、操作臂控制以及實際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機械手過程中出現(xiàn)的問題。 機器人用焊接工藝方法 目前，弧焊機器人普遍采用氣體 __保護焊方法，主要是熔化極氣體保護焊，其次是鎢極氬氣保護焊， 等離子弧焊、切割以及機器人激光焊的數(shù)量有限，比 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 例較低。國外先進國家的弧焊機器人已普遍采用高速、高效氣體保護焊接工藝，如雙絲氣體保護焊、 T． I． M． E 焊、熱絲 TIG 焊、熱絲等離子焊等先進的工藝方法，這些工藝方法不僅有效地保證了優(yōu)良的焊接接頭，還使焊接速度和熔敷效率提高數(shù)倍至幾十倍。 3． 7 遙控焊接技術(shù) 遙控焊接是指人離開現(xiàn)場在安全環(huán)境中對焊接設(shè)備和焊接過程進行遠程監(jiān)視和控制，從而完成完整的焊接工作。如核電站設(shè)備的維修，海洋工程建設(shè)以及未來的空間站建設(shè)中都要用到焊接，這些環(huán)境中的焊接工作不適合人親臨現(xiàn)場 ，而目前的技術(shù)水平還不可能實現(xiàn)完全的自主焊接，因此需要采用遙控焊接技術(shù)。目前美國、歐洲、日本等對遙控焊接進行了深入的研究，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)也正在進行這方面的研究。 第 2 章 焊接機器人信息及選型 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 技術(shù)參數(shù) (1)機器人具有三至五個自由度； (2)定位精度177。 ； (3)焊接速度 — ； (4)腕部具有 360 度的回轉(zhuǎn)能力； (5)腕部伸縮行程 350mm，升降行程 400mm。 設(shè)計要求 (1) 功能 主要功能為焊接，為此應(yīng)具有驅(qū)動功能、執(zhí)行功能、控制 功能和其他輔助功能。 (2) 適應(yīng)性 作業(yè)對象為火車窗，由于火車窗的尺寸在一定范圍內(nèi)變化。所以要求在長度不超過 350mm高度不超過 400mm均可進行焊接。焊接材料可以為低碳鋼，也可以是其它合金，運動形式為直線運動和局部轉(zhuǎn)動，運動速度不高于 60mm/s，氣體及不包括支撐架，長小于 1000mm 高小于 1200mm，工作載荷不大于 60N，要求振動小，噪聲不大于 80 分貝。 (3) 性能 動力：采用液壓驅(qū)動機器人的臂部，由液壓強為 機 器人，定位當塊采用機械式定位固定桿。工件的運動采用氣壓傳動。 運動：機械人手臂具有伸縮、升降、回轉(zhuǎn)。腕部具有回轉(zhuǎn)功能。工作臺具有往復(fù)直線運動的功能。機械人自由度為四個，運動形式采用圓柱坐標行，定位精度為177。 ，要求焊槍運動速度為 1200—— 1400mm/min。 運動范圍：臂部 X： 350mm， Z： 400mm，腕部回轉(zhuǎn)：≥ 360 度， Y：有少量位移。 啟動時間： 具有過載保護功能。 (4) 生產(chǎn)能力（生產(chǎn)率） 從理論上講，其生產(chǎn)率為 2 個 /min，但從實際情況看，由于材料的供送、工件的夾持、區(qū) 方凳為完全實現(xiàn)自動化，還需手工勞動，故實際生產(chǎn)率要低。 (5) 可靠性 為了提高可靠性，采用等強度原理。如臂部伸縮與升降、油缸等均盡量采用對稱不止合力流原理，余力平衡原理。為了提高構(gòu)件的可靠性與功能的可靠性，實欲采用完全存在原理（組成記述系統(tǒng)的各領(lǐng)鑒于零件之間的連接在規(guī)定時間內(nèi)完全處于完全狀態(tài)）。有限損壞原理（為了不使主要不見或整機遭到破壞，要求工作中失靈的零件易于查找和更換，如安全銷和安全閥等）。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ (6) 使用壽命 指產(chǎn)品的耐用性，由于零件的磨損有快有慢。因此需要找出提高整機壽命的綜合方法。對于一些易 磨損件，要易于更換。如導(dǎo)向支座加導(dǎo)向套可提高使用壽命。按每天工作 12 小時其壽命（大修前）為兩年。 (7) 安全 要保證機器安裝穩(wěn)定，保證人身安全。在手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)要給任意醒目的標志，以防撞傷人體。具有過載保護，觸電保護功能。 機器人的選擇 圓柱坐標型 如圖 2— 1 所示，具有此中運動形式的機器人臂部具有回轉(zhuǎn)，伸縮和升降三個自由度，其運動范圍是一個圓柱。具有占地面極小，運動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，應(yīng)用廣泛等特點。 圖 21圓柱坐標 型 極坐標型 如圖 2— 2 所示，機器人的臂部具有一個伸縮，一個俯仰與一個回轉(zhuǎn)運動組成。其運動范圍是一個球體，其運動靈活 ，工作范圍大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度低，運動直觀差。 圖 22極坐標型 直角坐標型 如圖 2— 3 所示，機器人的臂部由 X， Y， Z 三個方向運動組成，運動范圍 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 是立方體，其特點為：結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，缺點為占地面積極大，慣性大，工作范圍大，靈活性差。 圖 23直角坐標型 多關(guān)節(jié)型 如圖 2— 4 所示，機器人的臂部有多個關(guān)節(jié)組成，可以做幾個方向的轉(zhuǎn)動，他由立柱和大小臂組成，可是大臂回轉(zhuǎn)，俯仰以及小臂俯仰，工作范圍大，動作靈活，通用性強。但其慣性，定位性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 圖 24多關(guān)節(jié)型 綜合分析四種機器人類型，由于焊接機器人所要求的動作簡單，要求的自由度又少，所以決定選擇采用圓柱坐標型機器人。 第 3 章 擬定總體方案 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 臂布采用液壓驅(qū)動，工作速度為 — ，油液壓強 。臂部具有回轉(zhuǎn) 、升降、伸縮動能。伸縮 350mm升降 400mm，回轉(zhuǎn) 360 度。腕部采用液壓驅(qū)動，具有正反方向回轉(zhuǎn)功能，有三個位置定位。腕部具有微調(diào)功能。送絲機構(gòu)采用步進電機驅(qū)動，電機傳動采用齒輪式或聯(lián)軸器傳動。動作準確，保證送絲量 — 。送絲機構(gòu)要由張緊裝置。保證張緊可靠，不出現(xiàn)變形、拉斷等問題。焊絲直徑 ，送絲輪至焊槍頭部距離控制在 5m以內(nèi)。工作時，焊槍導(dǎo)絲嘴距離焊縫 10— 13mm，槍頭與焊縫成 90 度左右。焊接時要有氬氣保護，氬氣流量為 15— 18 升 /分，具有流量大小調(diào)節(jié)功能。手臂 升降與伸縮具有導(dǎo)向裝置，全程內(nèi)直線偏差不大于 。臂部伸縮升降采用擋塊定位，定位精度為177。 。腕部回轉(zhuǎn)采用插銷定位，定位精度177。 度。手臂和腕部的運動保證不與油管、絲管相干涉，保證油路不扭曲。夾具夾緊時要不能使工件變形，放松時不影響工件去處。工作臺采用氣壓驅(qū)動，壓力為 。工作臺驅(qū)動是帶有緩沖裝置，起停平穩(wěn)，不對相關(guān)件產(chǎn)生沖擊。工作臺啟動到工作結(jié)束，整個過程加上夾緊工件時間應(yīng)在 之內(nèi)。工作臺采用機械擋塊定位，定位精度177。 。機器人采用 PC 機控制器能控制其啟停、速度與位置 ，腕部的運動及焊槍的起弧、滅弧。除鋁合金外，還可以焊接其他材料的功能。工作載荷不大于 600N，工作定位采用固定支撐釘。機器人具有三個方向的調(diào)節(jié)功能，精度177。 。在滿足工作情況下，體積盡量小，緊湊，機構(gòu)簡單重量輕。 方案選定 本次設(shè)計我們采用技術(shù)經(jīng)濟綜合評價后，決定采用的方案：優(yōu)點為機器人操作力大、體積小、動作平穩(wěn)、耐沖擊和振動。標準件、外構(gòu)件較多，其工作采用氣壓工作，易于實現(xiàn)高速，工作效率高。其缺點是油缸不可避免會產(chǎn)生漏油。對系統(tǒng)工作性能有影響。 總體設(shè)計 總體設(shè)計時把組成機 器的各個部件進行合理布置協(xié)調(diào)他們在結(jié)構(gòu)上的性能參數(shù)上的關(guān)系。按照設(shè)計書的要求對原理方案設(shè)計確定的工作原理與組成部件進行總圖規(guī)劃。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 選擇機型 本機械手為弧焊專用機器手。 確定總體性能參數(shù) （ 1）總體尺寸參數(shù) 外輪廓尺寸：機器人 715 620 835 機器人底板具工作臺高度 1000 （ 2）總體運動參數(shù) 臂部工作速度： 1200 — 1400mm/min 送絲量： — 腕部回轉(zhuǎn)： 360 度 氬氣流量： 15 — 18 升 /分 （ 3）總體動力參數(shù) 臂部液壓油壓強 送絲機構(gòu)電機 110TDY4 總體布局及各部件的結(jié)構(gòu)形式 總體布局見布置圖，各部件結(jié)構(gòu)形式見裝配圖。 第 4 章 設(shè)計計算 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 臂部伸縮油缸的設(shè)計計算 確定活塞桿的材料 由《機械設(shè)計手冊》 P37—— 246 有關(guān)活塞的介紹和《液壓缸的設(shè)計制造和維修》中的有關(guān)知識，取活塞桿材料