1、自动焊接机械手设计1 绪论1.1 技术概述 工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一
2、种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2 现状及国内外发展趋势 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：(1)工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 103 万美元降至 97 年的 65 万美元。(2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用
3、重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环
4、境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五” 、 “八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨
5、迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通
6、用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国
7、外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.3 “十五”目标及主要研究内容 1.3.1 目标中国工业机器人现在的总装机量约为 1200 台，其中国产机器人占有量约为1/3，即 400 多台。与世界机器人总装机台数 75 万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。对中国这样一个 12 亿人口的大国来说，差距是很明显的。装机数量少，说明了我国的工业化程度与工业发达国家的差距大。因为工业机器人的诞生和应用发展是以工业生产高度自动化和柔性化为大背景的。除数量外，差距还表现在已有的机器人的利用率不高，以进口
8、的弧焊机器人为例，据调查，完全正常运转，充分发挥效益效益的只占 1/3；另外 1/3 处于负荷不满或不能安全正常运转状态，原因是生产管理及使用维护存在不合理现象或问题；还有 1/3 不能正常使用，这是由于机器人质量问题或缺乏备件，以及请不起外方维修人员造成的。机器人应用效果不理想，直接影响了用户使用更多机器人的信心。我国有组织有计划地发展机器人事业，应该说是从“七五”期间的科研攻关及实施“863 计划”开始的，经过十几年来的研制、生产、应用，从纵向看，有了长足的进步。目前在一些机种方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，
9、基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制，驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机器人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破；于此同时造就了一支具有一定水平的技术队伍。无疑，从技术方面来说，我国的机器人技术在世界机器人界已有一席之地，奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础；从社会经济角度来看，我国机器人技术的发展，为中、外机器人产品打开中国市场准备了物质和人员条件。根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况， “十五”期间机器
10、人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。1.3.2 主要研究内容（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。
11、焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD 成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。（2）智能机器人开发研究遥控加局部自主系统构成和控制策略研究包括建模遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共
12、享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。智能移动机器人的导航和定位技术研究包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。面向遥控机器人的虚拟现实系统包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈
13、控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于 VR 模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR 监控系统。人机交互环境建模系统包括 CAD 建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。基于计算机屏幕的多机器人遥控技术包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。（3）机器人化机械研究开发并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（ RMC）开发研究包括 VMT 与 RMC 智能化结构实现技术；VM
14、T 与 RMC 关键传动实现技术；VMT 与 RMC 加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT 与 RMC 监控检测技术开发；VMT 与 MRC 智能化开式 CMC 控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式 CNC 控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论；RMC 智能控制理论； VMT 与 RMC 典型应用工程开发。机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量
15、堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。（4）以机器人为基础的重组装配系统开放式模块化装配机器人包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块 CAD 设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。面向机器人装配的设计技术包括数字化装配与 CAD 集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。机器人柔性装配系统设计技术其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。可重构机器人柔性装配系统设计技术开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究
16、；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。装配力觉、视觉技术包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。智能装配策略及其控制包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。（5）多传感器信息融合与配置技术机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。机电一体化智能传感器包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统
17、；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用1.4本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：根据不完全统计,我国拥有点焊机器人集成系统的厂家约 20 余家。这些焊接机器人集成系统,全部是进口的。包括:igm、Cloos、 ABB、及 3K 等厂家的产品。设备购置费用很高，应用却不理想。1.4.1 应用的具体情况如下：1）几条焊接机器人柔性生产线，全部不能实现设计功能。较好的生产线，做单机使用；应用较差的生产线，差到千余万元的设备，一次没有应用。2）焊接机器人单机也没有达到设计要求。1.4.2 焊接机器人应用效果不良的原因1）在工艺设计中，对设备选型没有深入研究，以为机器人是“万能”的。选
18、择的焊件，几十点甚至百点焊点，即使机器人具有起始点寻找和跟踪能力，由于待焊焊点的偏差，机器人在完成焊接 20-30%，或者 40-50%焊接后，夹持的焊枪就可能偏离焊点了。有这样一个设计，要求用一条机器人柔性焊接生产线，完成推土机几个大焊件的焊接，这几乎是不可能的。2）焊坯制造精度低。焊接的前序，存在两个问题：一是下料精度低，达不到要求；二是组对精度低。由于切割下料的热变形，焊件的板坯误差较大。下道工序又在低精度的搭焊模上组对，制坯。这样，生产的焊坯，其待焊焊点的互换性很差，满足不了示教精度要求。笔者目睹，其主梁 6 条主要待焊焊点的间隙，大小相差10mm 之多。进口的机器人，就在车间里，没法
19、使用。 本课题拟在焊接机器人现有基础上对其的机械部分进行适当合理的调整，在市场需求和性价比高的前提下，采用目前先进的步进（伺服）电机、位置检测装置、先进的设 计理念等使其更能为其完全实行自动化奠定基础。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
20、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
21、。因此，拟采用步进电机，以使焊枪的位移更准确。2 焊接机械手设计的总体构想2.1 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(yaw)角，俯仰(pitch)角和旋转(roll)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。经济型点焊机器人主要应用在焊点分布简单，焊接工作量大，焊接劳动强度大、焊接环境恶劣的工
22、作。一般焊接机器人要求周边设备的传动精度偏高。图 2.1自动焊接设备的结构整机结构：自动焊接设备由焊接机头、行走环行导轨、控制系统组成，结构上个为一体。 （如上图 2.1）控制系统：包括微型计算机（或笔记本电脑）和控制箱，微型计算机由朱基、键盘、显示器、输入设备、输入输出接口等组成；控制箱由输入输出接口电路、功率驱动电路和焊枪位置控制的各种模板组成。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。 焊枪作业方式: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
23、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。2.2 总体方案的确定所谓的方案，就是为了实现某种运动而专门对装置本身作出的总体实现思路和具体的实践内容。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
24、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已经由题目归定好了，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，在设计机械传动装配时，应考虑以下几点：（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。（2）尽量消除传动间隙。（3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动误差。可以采用预紧以提高系统的传动刚度。例如，在丝杠的两支承端轴向固定，并加预紧拉伸的结构
25、等来提高传动刚度。2.2.1 总体布局的确定总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置，并使装置有一个协调完美的造型。总体布局的依据：工件尺寸、形状、重量、加工方法及工艺要求。本课程设计的题目为 5 轴机械手，其运动机构为摆动机构及其减速机构和旋转机构。其总体布局有如下图 2.2装置的总体布局要通过联系尺寸来体现，联系尺寸也是结构设计的关键。初步确定的联系尺寸是个部件的设计依据，并通过部件的设计，还应对联系尺寸进行必要的修改，最后确定装配总图。联系尺寸包括：(1).机械手的外型尺寸，长宽高，及个部分的轮廓尺寸。(2).各部件的连结、配合和相关位置尺寸。(3).移动部件的行程和极限位置，调整位置。(4).驱动装置和控制器以及执行器的位置和间距等。
