自动焊接机器人项目的建议书

摘要：焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。 关键词：自动化 可行性 伺服系统

1 研究目的及应用

1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上。其中在汽车工业等部门中，焊接机器人可以完成对人体有害物料的焊接或工艺操作。

接下来我们将从焊接机器人的用途，特点，社会意义和经济利益以及研发过程中的技术要求等方面来对焊接机器人进行可行性研究。

2 国内外相关技术水平

随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接或毛坯制造，发展成为制造业中的精加工方法之一。随着制造业的高速发展，传统的手工焊接已不能满足现代高科技产品制造的质量和数量要求；同时，在对环境和人身安全的考虑上，均让我们认识到现代焊接加工正在向着机械化、自动化的方向发展。

焊接自动化主要是指焊接生产过程的自动化。其主要任务就是：在采用先进的焊接、检验和装配工艺过程的基础上，建立不需要人直接参与焊接过程的焊接加工方法和工艺方案，以及焊接机械装备和焊接系统的结构和配置。其核心说实现没有人直接参与的自动焊接过程。焊接自动化主要包括两方面：一是焊接工序的自动化，二是焊接生产的自动化。在焊接自动化方面主要的技术包括：机械技术、传感技术、伺服传动技术、自动控制技术和系统技术。焊接自动化不仅可以大大提高焊接生产率，更重要的可以确保焊接质量，减少人为因素的影响，改善操作环境及对人的伤害。自动化焊接专机、机器人工作、生产线盒柔性制造系统在工程中的应用已成为一种不可阻挡的趋势。据此，国内外发展有如下概况：

（1）高精度、高速度、高质量、高可靠性。由于焊接加工越来越向着“精细化”加工方向发展，因此，焊接自动化系统也向着高精度、高速度、高质量、高可靠性方向发展。这要求系统的控制器及软件系统有很高的信息处理速度，电气机械装置有很好的控制精度。如，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度可达0.1mm，移位速度的控制精度可达0.1%。

（2）集成化。焊接自动化系统的集成化技术包括硬件系统的结构集成、功能集成和控制技术集成。现代焊接自动化系统的结构都采用模块化的设计，根据不同用户对系统功能的要求，进行模块的组合。而且其控制功能也采用模块化设计，根据用户需要，可以提供不同的控制软件模块，提供不同的控制功能。

（3）智能化。将现今的传感技术、计算机技术和智能控制技术应用于焊接自动化系统中，使其能够在各种复杂环境、变化的焊接工况下实现高质量、高效率的自动焊接。智能化的焊接自动化系统，不仅可以根据指令完成自动焊接过程，而且可以根据连续实测焊接工件坡口宽度，确定每层焊缝的焊道数及相关参数、覆盖层位置等，而且从坡口底部到盖面层的所有焊道均由焊机自动提升、变道、完成焊接。

（4）柔性化。大型自动化焊接装备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接装备时必须考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。

（5）网络化。 由于现代网络技术的发展，也促进那里焊接自动化系统管控

一体化技术的发展。通过网络，利用计算机技术、远程通信技术等，将生产管理和焊接过程自动控制一体化，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修。

在自动化方面， 各种焊接专机的应用也具有重要意义。焊接专机说在世界焊接工程结构中，大多数焊缝具有一定规则的角焊缝和对接焊缝，其中直线焊缝占70%，圆环形焊缝占17.5，复杂的空间去西安焊缝相对较少，因此可以采用价格较低、结构不太复杂而又有一定控制水平的机械装备实现焊接的机械化和自动化。当下，焊接专机以低成本自动化技术与设备更适合发展中国家使用。

3 研究目标

自动焊接设备的焊接执行部件，拟采用旋转副驱动方式。因旋转副摩擦力小于移动副摩擦力，运动灵活，可以灵活改变焊枪的姿态，更适用于全方位自动焊接。驱动同样的焊接执行部件，电动机功率可以减小，进而减轻焊接机头的质量。焊枪位置传感器尽量安装在末级减速轴上，直接检测焊枪的位置和姿态。这样的安装方式，不存在国内外全自动焊接设备通过间接方式检测焊枪位置的问题，控制精度更高。全自动焊机设备上的存储器，存储焊点跟踪控制程序和部分焊接参数，更多的焊接参数存储在焊接电源内，以利于发挥焊接电源生产厂家的技术优势。

对焊枪的驱动拟采用步进电机。步进电机是一种能将数字输入脉冲信号转换为旋转运动的电磁执行元件，它本身所特有的高精度、无漂移、无累计误差等优点，使他成为目前机电一体化产品中，唯一能使用开环控制技术的伺服和执行的元件。目前，高精度步进电机驱动技术已十分成熟，且具有控制系统结构简单、工作可靠、成本低廉的优点。步进电机不是电压控制型元件，而是频率型控制元件。步进电机转动的快慢、角度决定于数字脉冲信号的频率。即使放大器的“零漂移”使控制信号的幅度改变，也不会改变步进电机的转速。而采用计算机产生的控制信号是很稳定的。因此，拟采用步进电机，以使焊枪的位移更准确。

4 总体构思

4.1 焊接机械手的组成

所谓焊接机器人，一般指6轴机器人本体，夹持重量为6kg，也就有6个自由度：X，Y，Z用于定位，偏转角用于定向，能够沿着三维曲线运动，到达任意角度的任意位置；另外，还包括一套控制系统和焊接系统（焊接电源、焊枪、

焊接软件系统等）。为完成一项点焊机器人工程，除需要点焊机器人以外，还需要使用的后边设备。点焊机器人与周边设备组成的系统，称点焊机器人集成系统。

焊枪位置控制：采用焊枪位置信号、送死控制模板、弧压控制模板、机械电弧摆动模板等实现焊枪位置的控制。在管道全方位自动焊接时，生产工人需要跟随焊接机头对焊枪位置作适当的调整。

焊接电源：控制焊接工艺参数的旋钮、按键都集中在控制盒或焊接机头上，通过旋钮、按键操作改变焊接工艺参数，因此，弧焊电源是一个专用的焊接电源。

对成熟焊接工艺的继承和再现：焊接执行部件是焊接机头，其在焊接过程中应作多种复合远动，是焊枪保持一定的姿态。但受焊接机头运动自由度的限制，不易实现多种的复合远动。因此，焊接工艺参数的制定需要工艺试验，一般采用分段法，需要生产工人跟随焊接机头对焊枪位置作适当的调整，对成熟焊接工艺的继承和再现性差。

4.2总体方案的确定

机械手系统总体方案的内容包括：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。应根椐设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行总体分析和论证，最后确定总体方案。

系统运动方式的确定：焊接机械手按运动方式选用5轴联动式。

伺服系统的选择：旋转、摆动机构采用开环控制系统，选用快速步进电机。开环控制系统无检测元件，系统结构简单，造价低，调整和维修都容易。

执行机构传动方式的确定：为保证系统的传动精度和工作平稳性，运动机构为摆动机构及其减速机构和旋转机构

5 详细设计方案

5.1 步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

5.2 步进电机的基本工作原理

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