【正文】 焊接工件裝夾系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置。工作站的布局方式直接關(guān)系生產(chǎn)效率和物流敏捷，因此應(yīng)根據(jù)車間情況、工藝需求、物流路線布局工作站整體布局方式。第二章 鋁合金焊接工作站系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 引言隨著制造業(yè)對(duì)焊接質(zhì)量和效率的要求不斷提高，自動(dòng)化焊接工作站在車間中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，每個(gè)企業(yè)對(duì)焊接自動(dòng)化的需求是不同的，相應(yīng)的焊接自動(dòng)化工作站也是由不同的功能模塊組成。結(jié)合課題項(xiàng)目，提出了自己的研究方向：同尺寸系列工件的自動(dòng)化焊接工作站研究。 本章小結(jié)本章首先闡述了焊接自動(dòng)化產(chǎn)生的背景和經(jīng)濟(jì)意義，隨之?dāng)⑹隽怂鼮楹附又圃祛I(lǐng)域帶來(lái)的生產(chǎn)力提升、工作環(huán)境改善等重要意義。最后簡(jiǎn)述機(jī)器人示教方法并進(jìn)行工件試焊。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)，分析兩種裝夾方式：有級(jí)可調(diào)、無(wú)級(jí)可調(diào)方式的區(qū)別并選擇合理的裝夾方式。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。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)。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。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。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)。最終確定機(jī)器人移載平臺(tái)的裝配形式。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)。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(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)證并進(jìn)行試焊。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)。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。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。 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.]。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.]。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(guò)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.]。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)。 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。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.]。可以準(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.]。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.]。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.]。柔性焊接工裝的設(shè)計(jì)過(guò)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。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。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。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。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。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.]。M University, 2000.]。美國(guó)德克薩斯Aamp。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.]。上海交通大學(xué)的Yanlin Xu、Huanwei Yu、Jiyong Zhong等人設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于GTAW焊接工作站上的teachingplayback型機(jī)器人的視覺傳感系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)焊縫圖像分析，提出canny算法獲取焊縫熔池及邊緣特征。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題，通過(guò)利用激光視覺傳感器，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.]。利用單片機(jī)和EDA各自的控制優(yōu)勢(shì)，對(duì)雙行波超聲波電機(jī)進(jìn)行微步控制，從而提高了焊槍定位精度[[] 吳曉，華亮，顧菊平，等. ，2010,5(17):372~376.]。提高了造船業(yè)的焊接生產(chǎn)效率[[] Aaron T. O’Toole. Design of a mobile robotic welding system,[Master Dissertation]. Tennessee, Tennessee Technological University, 2010.]。傳統(tǒng)焊接工作站中采用的焊接機(jī)器人為示教再現(xiàn)型控制方式，這種機(jī)器人在一定空間內(nèi)、焊接周圍不變的條件下能實(shí)現(xiàn)焊接的高精確度操作[[] 劉志紅，高潔，姜飛，等. 焊接機(jī)器人光電跟蹤C(jī)CD傳感系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì). 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，1(18)：14~17.]，然而工業(yè)生產(chǎn)中往往面臨長(zhǎng)跨距焊縫、多變動(dòng)焊接條件，因此如何在變化條件下獲得高精度焊接效果的有效途徑之一就是焊縫跟蹤。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傳感信息的機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)總體方案。分布式控制簡(jiǎn)化了控制邏輯，取的了令人滿意的控制效果[[] 蔣力培，王澤，俞建榮，等. 組合式焊接自動(dòng)化控制系統(tǒng). 焊接學(xué)報(bào)，1994，4(15)：270~274.]。焦恩璋在自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)前期基于AutoCAD工作平臺(tái)的AutoLSP開發(fā)語(yǔ)言，在對(duì)CAD軟件個(gè)性化開發(fā)的工作上，采用參數(shù)化三維建模技術(shù)，建立了puma560機(jī)器人的幾何模型，并進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真[[] 徐呈藝，李業(yè)農(nóng)，張佳興，等. 基于AutoCAD的PUMA560機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析. 煤礦機(jī)械，2012，11(33):97~99.]，這種技術(shù)可以直觀的規(guī)避焊接工作站設(shè)計(jì)初期的干涉等問題。成功研制出汽車車前懸架ABS結(jié)構(gòu)件的焊接工作站，取得了很高的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量[[] 談士力、沈俊杰. 弧焊機(jī)器人焊接單元研制. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,6(4)：359~362.]。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.]。上海交通大學(xué)的劉成良、張凱、付莊等人針對(duì)柔性焊接工作站中RV12L6R弧焊機(jī)器人控制問題展開研究，基于機(jī)器人關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，提高了焊接工作站機(jī)器人編程效率[[] 劉成良、張凱、付莊，等. RV12L6R機(jī)器人軌跡規(guī)劃及其應(yīng)用研究. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2002,18(1)：60~63]。河北焦建武在汽車車身自動(dòng)化焊接工作站中結(jié)合汽車車身主焊線生產(chǎn)工藝，為工作站進(jìn)行布局分析、工藝改進(jìn)并采用光電識(shí)別技術(shù)建立工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)與控制中心數(shù)據(jù)比并進(jìn)行不匹配報(bào)警的方式[[] 焦建武. 汽車車身焊裝機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)及應(yīng)用. 機(jī)械工程師，2012，1：126~128]。結(jié)合本文主要研究工作，下面就自動(dòng)化焊接工作站研究現(xiàn)狀、焊接工件柔性工裝技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，并結(jié)合本文主要研究工作對(duì)鋁合金自動(dòng)化焊接研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。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]。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(guò)安全光幕檢測(cè)工作過(guò)程中的異物進(jìn)入，不過(guò)成本昂貴。4. 工作站控制系統(tǒng)，主要包括焊接參數(shù)控制模塊、機(jī)器人控制器模塊、實(shí)現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換的機(jī)器人移載模塊或外部軸控制器、傳遞信號(hào)和加工信息的傳感器、電磁閥系統(tǒng)以及工作站整體協(xié)調(diào)控制模塊等等5. 安全防護(hù)系統(tǒng)，焊接時(shí)容易產(chǎn)生焊渣、飛濺等現(xiàn)象，不僅會(huì)造成氣缸或者定位元件的損傷還有可能對(duì)操作人員產(chǎn)生傷害，因此近年受到越來(lái)越多的重視。除工業(yè)機(jī)器人外焊槍、焊機(jī)、繞片機(jī)及送片機(jī)也是焊接操作完成必不可少的設(shè)備。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。隨著人口紅利逐年降低，我國(guó)制造業(yè)面臨升級(jí)轉(zhuǎn)型的艱巨課題，自動(dòng)化技術(shù)受到越來(lái)越多的重視，在這樣的背景下，焊接自動(dòng)化工作站受到以汽車制造企業(yè)為代表的廣大企業(yè)的歡迎。這些相似性可以為實(shí)現(xiàn)弧焊焊接自動(dòng)化站提供普遍性依據(jù)。因此在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接中也具有相似的特質(zhì)[[] Cary, Howard B., Helzer Scott. Modern welding technology. New Jersey:Englewood Cliffs, 2004:12~13.~[] NORRISH John. Advanced welding processes. Technologies amp。車間中廣泛應(yīng)用的焊接自動(dòng)化工作站也是針對(duì)這種焊接方式開發(fā)的。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。柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的加工質(zhì)量可靠、效率高、容易與ERP系統(tǒng)及工藝管理系統(tǒng)組成上級(jí)自動(dòng)化制造系統(tǒng)，但是該種生產(chǎn)線投資額度最大。柔性焊接制造單元是以自動(dòng)化焊接執(zhí)行裝置如焊接機(jī)器人為工作核心，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制、采用工件柔性裝夾技術(shù)的焊接制造系統(tǒng)。 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。另外本文的研究工作提取了工業(yè)生產(chǎn)中一類常見焊接工件，對(duì)其進(jìn)行建立模型，并做數(shù)學(xué)分析，在理論分析的基礎(chǔ)上提出了該類工件柔性可調(diào)的裝夾方式，并對(duì)該類工件的夾具進(jìn)行了一定的研究與設(shè)計(jì)。與人工焊接相比，自動(dòng)化焊接工作