(論文)焊接機器人的發(fā)展論文最新優(yōu)秀畢業(yè)論文資料搜集嘔血奉獻

37畢業(yè)設計論文畢業(yè)設計：焊接機器人的發(fā)展和應用 焊接機器人的發(fā)展和應用摘要：中國裝焊生產線機械化自動化技術發(fā)展應用經歷了仿制、自行研制和穩(wěn)步發(fā)展三個階段。焊接結構制造行業(yè)的大中型骨干企業(yè)焊接專機將得到普遍應用，焊接生產過程機械化與自動化程度將提高1020個百分點，焊接機械化與自動化程度將達到4050%，為了發(fā)展焊接現(xiàn)代自動化技術，中國在“九五”計劃中已將圍繞計算機技術的CIMS技術、CAD/CAM、CAPP、CAPM等技術列為重點推廣項目。預計焊接生產在以計算機為基礎的先進制造技術的帶動下，將有一個很大的變化，焊接自動化也將以嶄新面貌展現(xiàn)在人們面前。在汽車、船舶、鍋爐、工程機械等制造行業(yè)重點推廣采用焊接機器人、焊接中心、焊接柔性制造系統(tǒng)300400套，采用計算機輔助設計與制造及檢查技術。骨干企業(yè)的焊接現(xiàn)代自動化技術將達到國際90年代初先進水平。當然，中國是發(fā)展中國家，科學技術水平和工業(yè)生產相對來說比較落后，焊接自動化水平只能逐漸提高，手工操作在近期內仍將占主導地位。本文從自動化焊接設備技術、焊接自動控制技術、焊接生產線機械化與自動化技術等方面，對建國50多年來中國焊接生產機械化、自動化技術發(fā)展的歷程進行了回顧，并對中國焊接生產機械化與自動化技術今后的發(fā)展進行了展望。關鍵詞：中國,焊接,機械化,自動化,發(fā)展the research on the technological design of Chinese jointing and assembling production lineAbstract：The development of welding mechanization and automation in China has experienced three steps of imitation,independent research and manufacturing and smooth development.This article makes a review on the achievements of welding mechanization and automation China has made in the past 50 years in terms of welding automation device,welding automatic control technology,mechanization and automation technology of welding production line.It also describes the prospects of the future development of welding mechanization and automation in China.Key words：China;welding;mechanization;automation;development 目錄引 言51自動焊接設備技術的發(fā)展62焊接自動控制技術的狀況研究103焊接機器人技術研究1631焊接機器人20311 焊接機器人的組成21312 焊接用機器人的主要結構形式及性能22313點焊機器人的特點243. 1. 4弧焊機器人的特點2732焊接機器人的應用29（1）焊接機器人工作站（單元）30（2） 焊接機器人生產線314我國焊接機器人技術335焊接機器人的最新應用技術3651 TCP(tool center point工具中心點)自動校零技術3652雙絲焊接技術3753激光/電弧復合焊接技術386結論39參考文獻40引 言裝焊生產線包括焊接生產機械化與自動化，所包括的內容很多，可以指焊接生產過程焊接工序本身的自動控制機械化與自動化，也可以指焊接生產包括備料、運輸、組裝、清理、檢驗、精整等焊接輔助工序在內的全過程綜合自動控制機械化與自動化。不同的焊接類型其機械化與自動化技術內容也不盡相同。1自動焊接設備技術的發(fā)展發(fā)展焊接生產機械自動化技術，首先是從發(fā)展自動焊接設備開始的。50年代初，中國首先引進、后仿制了熔化焊的自動或半自動焊機。1955年，上海電焊機廠和上海電器科學研究所電焊設備研究室(今為成都電焊機研究所)仿制成功自動和半自動埋弧焊機。到“一.五”計劃末期，中國已能仿制生產自動焊機、半自動焊機，還發(fā)展了焊絲自動送給和焊槍自動行走的自動化技術。至“二五”計劃期間，中國的一些主要大中型廠礦企業(yè)在焊接生產中已較普遍地應用自動焊機和半自動焊機技術1。在大型鍋爐廠中自動焊的工作量約占40%，14300t遠洋貨輪上自動焊和半自動焊約占全部焊接工作量的60%以上，壁厚205mm的高壓容器、3150t水壓機壓力缸、和平號機車鍋爐及350t橋式吊車等也全都是采用自動焊完成的。60年代中期至70年代中期，中國堅持自力更生的方針，獨立研究發(fā)展自動化焊接設備，其中以半自動CO2氣體保護焊技術發(fā)展較快。中國的一些研究單位、高等院校和廠礦企業(yè)等自1958年研制成功半自動CO2氣體保護焊機后，到60年代中期在焊接結構件生產實踐中已得到廣泛應用，如用于鍋駝機筒身、煉鋼爐殼等的焊接生產。在堆焊、電渣焊、對焊、縫焊、真空電子束焊等方面，也都發(fā)展了自動焊機。1978年中國實行改革開放后，焊接生產機械化與自動化技術研究開發(fā)進入了新的發(fā)展時期，走自主發(fā)展和引進技術相結合的發(fā)展道路。80年代至90年代初，中國從國外引進了一批先進或較先進的自動焊接設備和技術，如自動或半自動埋弧焊機、半自動CO2氣體保護焊機、多頭自動點焊機、窄間隙埋弧自動焊機等裝置。通過消化、吸收與自行開發(fā)，中國的一些電焊機廠已能自制或與國外合作生產新型自動焊機，并開發(fā)出自動化水平較高的電焊機。在北京埃森焊接展覽會上，中國展出的自動化焊接設備、輔機具與工業(yè)發(fā)達國家的展品差距已明顯縮小。例如，哈爾濱焊接研究所研制了具有形變功能帶機上淬火裝置及自動去飛邊裝置的混合式摩擦焊機，配以自動上下料裝置、無損檢測裝置等，可用在不同產品的生產線上；沈陽電焊機廠為一汽、二汽等企業(yè)提供了15種成套多頭自動點焊機，其中單機最大容量達14100kVA，一次可焊(1.0+1.2)104個點，工序自動化比較先進。同期國內還研制出新型半自動CO2氣體保護焊機、LH-300型及LG-400-1自動等離子弧焊機、自動高速或多絲窄間隙埋弧焊機、NBA1-500型半自動氬弧焊機等。到1995年，中國生產的自動和半自動焊機已占焊機總量的5.7%2，為發(fā)展焊接生產機械化自動化提供了堅實的基礎。特別值得提到的是，50年代末至60年代，中國開始發(fā)展專用焊接自動機，例如開發(fā)了同時裝焊雙面連續(xù)式間斷焊縫的T形梁裝焊自動機，4個焊頭同時對箱形梁的4條焊縫施焊的4級CO2氣體保護自動焊機等。60年代末期，哈爾濱鍋爐廠等單位開發(fā)成功的摩擦焊、一次穿透等離子弧焊和自動填絲TIG焊機，應用于直管接長。武漢鍋爐廠、東方鍋爐廠從德國BABCOCK公司引進了一次焊成壁厚為6mm的RRS76型直管接長TIG專用焊機。以后又發(fā)展了大量的專用焊接自動機，廣泛應用在石油、化工、工程機械、摩托車、汽車、建筑等部門的焊接結構件生產中。中國在“七五”至“八五”計劃期間，專用成套焊接設備發(fā)展較快。如電站鍋爐壓力容器部件的焊接，鍋爐組成部件流水作業(yè)焊接生產線，包括工件下料、焊接、焊后清理、校正和焊后檢查等工序。針對鍋爐部件生產線的需要，經過不懈的努力，開發(fā)了十余種機械化和自動化程度比較高的系列專用成套焊接設備，基本上滿足了國內生產的需要，改變了依賴進口的被動局面，加速了我國鍋爐壓力容器行業(yè)實現(xiàn)焊接過程機械化和自動化的進程。例如：(1)鍋爐集箱焊接。1986年，武漢鍋爐廠從德國BABCOCK公司引進了集箱管座TIG/SAW專用自動焊接裝置，國內北京精藝焊接技術聯(lián)合公司開發(fā)了類似德國BABCOCK公司集箱管座TIG/SAW專用自動焊接裝置，應用在四川鍋爐廠；(2)鍋爐蛇形管焊接。“七五”計劃期間，各鍋爐廠從瑞典、美國等國家引進了各種管子全位置自動焊接設備，對固定位置管子實現(xiàn)機械化全位置焊接。同期，北京精藝焊接技術聯(lián)合公司等單位研制成功鍋爐蛇形管全位置TIG自動焊接設備，為適應不同管徑規(guī)格，配備了系列焊接機頭，并成功地運用于生產；(3)直管接長焊接。80年代末期，哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠、東方鍋爐廠等先后從日本KKK公司、瑞典ESAB公司、加拿大CE公司引進了相應的MIG/MAG、MIG/MAG/TIG、TIG熱絲直管接長專用焊機，采用可編程控制器，對工件送進、對中定位、夾緊、焊槍到位、焊接、擺動、每層自動提升、停焊焊槍推出、管子松開、管子送出等焊接程序實現(xiàn)程序控制，各項焊接規(guī)范參數(shù)可以事先預置。北京精藝焊接技術聯(lián)合公司、北京特種工藝研究所和成都電焊機研究所等單位也研制成功TIG加填絲、MIG/MAG/TIG和TIG熱絲直管接長焊接設備，并應用于生產實際；(4)膜式水冷壁焊接。“七五”計劃期間，上海鍋爐廠、武漢鍋爐廠等從德國引進了KOMESMA800型、1600型、P3200型膜式水冷壁專用成套焊接設備，哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠相繼從日本三菱重工引進了膜式水冷壁管雙面MAG專用成套焊接設備。90年代初，北京精藝焊接技術聯(lián)合公司等單位自行開發(fā)成功適于管屏焊接的多頭埋弧自動焊接設備和多頭MAG自動焊專用系列焊接設備，至此，結束了我國膜式水冷壁專用焊機依賴進口的被動局面?，F(xiàn)國內已有十多家工業(yè)鍋爐廠使用國產膜式水冷壁專用焊接設備。2焊接自動控制技術的狀況研究焊接自動控制是焊接生產機械化自動化的關鍵，50年來中國在焊接自動控制方面有了長足發(fā)展，技術水平不斷提高，并取得了許多應用成果。在焊接過程的焊道(縫)自動控制方面，5060年代發(fā)展了有軌道小車自動焊機。70年代后期發(fā)展了無軌道小車自動焊機，并取得了專利。在焊縫跟蹤方面，由于發(fā)展了各種類型的傳感器技術，控制坐標已從單坐標和雙坐標發(fā)展到了多坐標。5060年代多采用接觸跟蹤，西安交通大學和三橋機車車輛廠是中國從事接觸跟蹤和電磁跟蹤研究較早的單位之一。6070年代后期發(fā)展了電磁跟蹤、光電跟蹤、電弧跟蹤、激光跟蹤等非接觸跟蹤技術，例如，華中理工大學與湖北造船廠合作研制成功全位置電磁跟蹤氣體保護焊機，跟蹤精度達1mm；華南理工大學與廣州造船廠共同研制的電磁立焊縫自動跟蹤焊機，用在萬噸輪的焊接上；天水電氣傳動研究所和上海造船工藝研究所合作，研制的光電跟蹤裝置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生產中；哈爾濱焊接研究所與遼陽鋼廠合作研制的激光跟蹤裝置用于螺旋管焊接自動生產線，等等。80年代后期，微機跟蹤和電視跟蹤技術得到迅速發(fā)展，從而為傳統(tǒng)焊接自動化向現(xiàn)代焊接自動化發(fā)展奠定了基礎。我國研制成功各種新型傳感技術和視覺傳感器后，焊接自 適應控制技術又有了較大發(fā)展?！拔逦濉庇媱澠陂g，冶金部建筑科學研究院研制成功電偶插入法(或紅外法)，對熔池溫度進行自適應控制。上海交通大學用光敏晶體管作熔透傳感器，利用等離子焊接熔池背面高溫輻射場或小孔效應的等離子焰流的變化來控制焊接速度，實現(xiàn)了等離子焊接過程中熔透度的自適應控制。70年代末3，清華大學潘際鑾院士對電弧傳感器跟蹤焊縫做了大量研究，80年代末，潘院士在電弧傳感器結構及控制方面又有新研究，研制出一種空心馬達式高速旋轉掃描電弧傳感器，并成功地對一種無道軌的自動小車進行跟蹤控制，獲得了專利。清華大學研究的CCD圖象處理傳感器對焊縫背面橫向溫度的實時檢測及圖象處理在窄間隙MIG/MAG焊在線檢測中的應用，做到適時焊接質量(熔透)控制。北京航空航天大學研究的CCD圖象處理傳感器在螺旋縫間隙調整中的應用，能較精確地檢測焊縫間隙大小?，F(xiàn)代焊接生產自適應控制離不開計算機應用技術。70年代末，中國開始發(fā)展焊接生產中微型計算機的應用技術，采用可編程序控制器和微處理機控制全位置自動焊和弧焊機器人電源，自動焊接過程的程序控制等，到80年代已取得實際應用成果。例如，上海交通大學研制的CMC-80型微處理機應用在超薄板焊接過程的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了點位控制、熔透度適應控制、電流波形調節(jié)與恒流控制，并能顯示出班產量及廢品率等功能。黎明發(fā)動機制造公司研制的微處理機控制點焊質量技術，具有產生分流時能自動補償、能探測電極端面磨損，并可將飛濺抑制在最小限度。北京工業(yè)大學研制成功利用光導纖維的紅外成象電視監(jiān)控及采用TP-801型微型計算機監(jiān)控的TIG焊縫熔寬自適應控制技術。水電部電力建設研究所研制成功的微處理機應用在小徑管脈沖TIG自動焊的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了焊接順序自動控制、工位自動轉換及獲得多種電流波形。研制的微處理機應用在多點焊的控制系統(tǒng)中，成功地解決了處于惡劣環(huán)境中的多點焊機的動作程序及自動焊接程序的控制，并可進行多點焊機的群控，從而提高了焊接生產自動化水平。北京航空工藝研究所將微處理機應用于電子束焊機上，實現(xiàn)了對程序中的時間、焊接規(guī)范、電子束偏轉等的自動控制。此外，703所研制成功微處理機控制6軸TIG焊系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學研制成功單片機控制高精度激光跟蹤系統(tǒng)，西北工業(yè)大學研制成功微處理機控制熔化極脈沖窄間隙焊縫自動跟蹤系統(tǒng)等，都獲得了較好的自動控制效果。計算機圖象法控制技術也在80年代研究成功，如水電部電力建設研究所研制成功DL-64固態(tài)圖象傳感器進行焊縫跟蹤的裝置。80年代還發(fā)展了微型計算機圖象處理焊縫對中技術和微型計算機模式識別自動檢測焊縫缺陷技術，開發(fā)了計算機輔助設計CAD系統(tǒng)，并都已取得實際應用成果。焊接用機械手中國也于70年代末研制成功。上海電焊機廠與上海電動工具研究所合作，研制成功用于上海牌轎車底盤焊接的直角坐標、四個軸的焊接機械手。哈爾濱焊接研究所研制的五軸示教型機械手是一種通用性很強的焊接自動化機械，可用于CO2焊、氬弧焊、等離子弧焊等多種焊接方法和切割。在引進國外技術的基礎上，中國于70年代末開始發(fā)展焊接機器人及采用計算機對多臺焊接設備進行群控的技術。1985年哈爾濱工業(yè)大學研制成功中國第一臺HY-1型焊接機器人。1987年北京機床研究所為天津自行車二廠研制出用于焊接自行車前三角架的TJR-G1型弧焊機器人，為“二汽”研制出用于焊接東風牌汽車系列駕駛室及車身的點焊機器人。上海交通大學研制的“上海1號”、“上海2號”和廣州機床研究所等研制的示教型機器人也都具有可供弧焊或點焊的功能，有的還有自動跟蹤、尋找起始點和保持姿勢等功能。90年代初，自行設計、開發(fā)、制造并投入運行的中國第一臺點焊機器人，成功地應用在卡車駕駛室裝焊生產線上。轎車車身焊裝線上也應用了機器人技術。據(jù)1997年不完全統(tǒng)計4，全國使用焊接機器人的企業(yè)約70家，共約500余臺，機器人焊接工作站約300個，其中國產的約占6%。中國工廠目前所安裝的焊接機器人，其技術水平達到國際從70年代末到90年代初的不同水平。國內已具備點焊、弧焊機器人設計制造能力的廠家近10家，有10余所大學和研究所具有多年從事機器人焊接相關技術的研究歷史，取得了許多達到國際先進水平的學術成果和較高水平的應用技術成果。1997年，沈陽第一機床廠與沈陽自動化研究所合作，北京首都鋼鐵公司與日本株式會社安川電機等合作，已開始建廠生產以焊接機器人為主的專門產業(yè)，合作發(fā)展焊接機器人?，F(xiàn)代焊接自動化的主要標志是焊接過程控制系統(tǒng)的智能化、焊接生產系統(tǒng)的柔性化以及焊接生產系統(tǒng)的集成化。80年代中期，中國開始發(fā)展焊接專家系統(tǒng)和開發(fā)焊接智能技術。1986年前后，中國的一些高等學校已開始研究焊接軟件，以后一些科研院所和企業(yè)也進行了焊接軟件的開發(fā)工作。1988年南昌航空工業(yè)學院方宇洞等嘗試用PROLOG語言開發(fā)出鋁合金焊接方法的選擇專家系統(tǒng)。同年清華大學施克仁等用LISP語言編寫出一個焊接材料選擇系統(tǒng)。以后，天津大學、上海交通大學、哈爾濱鍋爐廠等也分別研制了焊接材料選擇專家系統(tǒng)、低合金高強度鋼冷裂紋專家系統(tǒng)演示原型。進入90年代后，中國加快發(fā)展焊接生產中計算機應用技術步伐，跟蹤模擬與仿真、離線編程、人工神經元網絡、模糊控制、機器人協(xié)調控制、柔性生產線等應用技術發(fā)展較快。僅焊接專家系統(tǒng)而言，到1993年中國已發(fā)表的焊接過程專家系統(tǒng)有近20個。1995年清華大學陳丙森等推出商品化的“通用型弧焊工藝專家系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有良好的適應性和簡潔、方便、友好的人機接口裝置。與此同時，使用計算機控制的焊接設備如管管板TIG自動焊機、球形儲罐全位置自動焊機等先進的自動化焊接設備已在生產中使用，也有一些廠家利用CAD設計軟件直接與數(shù)控切割機接口進行相貫線等復雜曲線工件的下料，大大提高了焊接結構的制造質量和生產率。需要指出的是，中國焊接軟件的研制開發(fā)與應用，與國外相比還有很大差距，特別是真正形成商品化的軟件很少。由于缺乏軟件開發(fā)的經驗，以及受到較多限制的原因，中國計算機軟件的發(fā)展對比于國外相對滯后。即使開發(fā)了軟件原型，也因種種原因而難以使研制的軟件最終成為商品化的產品推廣應用。還由于中國執(zhí)行的焊接標準與國外有所不同，自主開發(fā)適應國情廠情的焊接應用軟件是唯一可行的道路。計算機技術日新月異的發(fā)展已成為推動各行各業(yè)技術革命的主要力量。為了迅速開辟焊接生產中的計算機應用技術，焊接學會與焊接協(xié)會聯(lián)合，分別于1992年9月及1996年10月在山西太原召開了“計算機在焊接生產中的應用與技術交流會”5，充分認識到開發(fā)焊接應用軟件是在焊接生產中推廣應用計算機技術的關鍵。商定組織有待發(fā)展的重要軟件的協(xié)調開發(fā)，在有限的目標上跟蹤和趕上世界高新技術發(fā)展。因此大大地推動了中國焊接工程應用計算機技術的進程。3焊接機器人技術研究建立流水式的焊接生產線為最大限度地實現(xiàn)焊接機械化與自動化創(chuàng)造了條件。中國的焊接生產，逐步發(fā)展了焊接自動機、焊接中心和焊接生產線機械化自動化技術。中國在60年代初期開始發(fā)展焊接生產線，例如哈爾濱鍋爐廠、沈陽變壓器廠等相繼建立了鍋爐蛇形管、變壓器散熱器管焊接件的自動生產線，取得了顯著的成績。70年代焊接生產線機械化自動化技術發(fā)展較快，例如：輕工行業(yè)的上海自行車廠、天津自行車廠等發(fā)展了自行車車架釬焊生產線，實現(xiàn)由管子和管接頭等12個零件在自動控制下進行鹽溶釬焊生產；汽車行業(yè)的南京汽車制造廠等發(fā)展了汽車后橋殼及總成裝置生產線，車輪合成自動裝焊生產線；鍋爐行業(yè)的中小直徑管(體)節(jié)焊接生產線；石油行業(yè)的直縫管、螺旋縫管焊接自動生產線；建筑行業(yè)的鋼筋網裝焊自動或半自動生產線等。到70年代末，相當多的批量較大的焊接結構生產，都程度不等地發(fā)展應用了各種類型的焊接生產線技術。由于自動控制系統(tǒng)、可編程序控制器、微處理機和計算機技術等在焊接生產中的應用，80年代以后，中國發(fā)展了采用焊接方法的自動控制、焊接過程的自動控制，用自動傳送裝置、專用焊接設備及電控部分等組成的焊接中心和焊接生產自動線，較廣泛地應用在汽車、船舶、核能、電站、鍋爐、礦山機械等行業(yè)中，不斷提高焊接生產的自動化程度。例如：發(fā)展了12極鍋爐模式壁焊接中心、CA141車輪合成內環(huán)縫焊接中心、輕型汽車車輪合成內環(huán)縫焊接中心、EQ140車輪合成內環(huán)縫焊接中心等；焊接自動生產線有：汽車車輪合成沖焊自動裝焊線，汽車車身裝焊線，輕型越野汽車車身總成裝焊線，汽車半軸合成閃光對接焊自動裝焊線或雙頭CO2焊機多工位自動裝焊線、摩托車車架裝焊線等。汽車橋殼改成沖焊工藝后，重型汽車引進了奧地利斯太爾91系列橋殼工藝，建立了一條年產2萬根橋殼的生產線。該線采用雙頭自動焊機焊接橋殼縱焊縫，做到不開坡口一次成形，焊透率達70%。后蓋環(huán)縫采用Ar+CO2混合氣體保護焊。湖北隨州鋼圈廠等建立了以型材卷圓機、閃光對焊機、擋圈擴切組合機和車輪試驗臺等組成的車輪輪輻合成生產自動線。80年代中期以后，汽車、摩托車等行業(yè)發(fā)展焊接生產線上應用機器人焊接技術突出，在中國現(xiàn)代的工廠里可以看到那一排排焊接機器人正在揮舞著鋼鐵的臂膀認真操作的場景。1986年嘉陵工業(yè)股份有限公司(集團)引進美國焊接機械手，與原有車架焊接生產線結合，形成了5條先進的專業(yè)生產線?！捌呶濉庇媱澠陂g，幾乎所有主要汽車制造廠都對車身裝焊生產線進行了改造，較多地在車身裝焊線上應用機器人焊接技術。1987年在早先建成的CA141型駕室裝焊線上裝備了一臺聯(lián)邦德國KUKA公司的LR662/100點焊機器人，用來點焊車身頂蓋上的99個焊點。南京汽車制造廠、北京汽車制造廠、天津汽車制造廠等新車身裝焊線在改造后也采用了弧焊或點焊機器人。大客車和專用車的車身生產中傳統(tǒng)手工鈑金工作業(yè)已逐步由機械化代替，車身、車架裝焊生產線機械化自動化程度大大提高。進入90年代后，中國焊接界把實現(xiàn)焊接生產機械化、自動化作為戰(zhàn)略目標，已在各行業(yè)的科技發(fā)展規(guī)劃中付諸實施。大力發(fā)展焊接生產自動化和過程控制智能化技術，發(fā)展焊接生產線和柔性制造技術，發(fā)展應用計算機輔助設計與制造技術等。1993年6月在青島召開的中國焊接學會第七次全國學術會議就是以“焊接先進技術與自動化”為主題內容，1995年5月在合肥召開了全國機械行業(yè)焊接自動化研討會。這兩次會議對中國焊接生產機械化自動化技術發(fā)展應用起到推動作用。到“八五”計劃末期，國產CO2半自動焊機在全國推廣使用的范圍迅速擴大，自動鎢極氬弧焊、垂直自動立焊與橫焊、多頭電阻點焊等得到較普遍應用。建立了如電站鍋爐蛇形管組焊及系統(tǒng)彎管自動生產線、膜式水冷壁管排鋼管組裝和焊接自動生產線、鍋爐鋼結構H型鋼焊接流水生產線等。東方鍋爐廠周有培等研制投入生產實際的新二條蛇形管自動生產線于1995年通過鑒定，具有90年代國際先進水平。西安重型機械研究所研制的219mm鋼管直縫高頻連續(xù)焊接機組，由20余臺單機和機組組成的全連續(xù)生產線采用PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了開卷矯平、剪切對焊、活塞儲存等一系列動作的自動工作制，填補國內空白，達到國際同類產品水平。鍋爐集箱密排短接管焊接生產線、推土機及挖掘機部件焊接生產線等都采用了機器人技術?！岸苯⒘艘院附訖C械手和機器人為主的東風牌汽車系列駕駛室及車身的焊接生產線，達到國際90年代先進水平。“一汽”副車架廠在幾千平方米的面積上使用27臺弧焊機器人，白山市轎車廠開發(fā)了奧迪車門鋁合金弧焊機器人工作站，嘉陵工業(yè)股份有限公司(集團)開發(fā)了摩托車車架弧焊機器人焊接生產線。上海大眾轎車廠等企業(yè)也發(fā)展了點焊機器人焊接汽車側框(墻)柔性生產線技術，工程機械行業(yè)的山東濰坊推土機廠、合肥日立挖掘機廠等都發(fā)展了弧焊機器人焊接車架及框架組件。柳州工程機械廠、常州林業(yè)機械廠等廠的工程機械構件生產已建成5條較先進的機器人柔性焊接制造系統(tǒng)FMS，等等，說明中國焊接生產線機械化自動化技術發(fā)展應用，已由傳統(tǒng)機械化自動化向現(xiàn)代自動化方向發(fā)展。31焊接機器人圖1 焊接機器人的基本組成a)弧焊機器人 b)點焊機器人焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。1311 焊接機器人的組成焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。圖1a、b表示弧焊機器人和點焊機器人的基本組成。312 焊接用機器人的主要結構形式及性能圖2 焊接用機器人的基本結構形式a) 平行四邊形式機器人 b) 側置式（擺式）機器人世界各國生產的焊接用機器人基本上都屬關節(jié)式機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器人本體的機械結構主要有兩種形式：一種為平行四邊形結構，一種為側置式（擺式）結構，如圖2a、b所示。側置式（擺式）結構的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工作空間幾乎能達一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側置式機器人，2、3軸為懸臂結構，降低機器人的剛度，一般適用于負載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂是通過一根拉桿驅動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較?。ň窒抻跈C器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人，已能把工作空間擴大到機器人的頂部、背部及底部，又沒有測置式機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結構不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負載100150kg）大多選用平行四邊形結構形式的機器人。 上述兩種機器人各個軸都是作回轉運動，故采用伺取電機通過擺線針輪（RV）減速器（13軸）及諧波減速器（16軸）驅動。在80年代中期以前，對于電驅動的機器人都是用直流伺服電機，而80年代后期以來，各國先后改用交流伺服電機。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加（減）速度也快。一些負載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心點（TCP）的最高運動速度可達3m/s以上，定位準確，振動小。同時，機器人的控制柜也改用32位的微機和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運行軌跡更加貼近示教的軌跡，如圖3所示。圖3 有無自動優(yōu)化路徑功能的機器人其運動軌跡的對比度313點焊機器人的特點點焊機器人（如圖4所示）的基本功能 點焊對所用的機器人的要求是不很高的。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求。這也是機器人最早只能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準確，以減少移位的時間，提高工作效率。點焊機器人需要有多大的負載能力，取決于所用的焊鉗形式。對于用與變壓器分離的焊鉗，3045kg負載的機器人就足夠了。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機器人將焊鉗伸入工件內部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停擺動，電纜的損壞較快。因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質量在70kg左右?？紤]到機器人要有足夠的負載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進行焊接，一般都選用100150kg負載的重型機器人。為了適應連續(xù)點焊時焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內完成50mm位移的功能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。圖4 120公斤點焊機器人圖5 電伺服點焊鉗示意圖 點焊機器人的焊接裝備，由于采用了一體化焊鉗，焊接變壓器裝在焊鉗后面，所以變壓器必須盡量小型化。對于容量較小的變壓器可以用50Hz工頻交流，而對于容量較大的變壓器，已經開始采用逆變技術把50Hz工頻交流變?yōu)?00700Hz交流，使變壓器的體積減少、減輕。變壓后可以直接用600700Hz交流電焊接，也可以再進行二次整流，用直流電焊接。焊接參數(shù)由定時器調節(jié)，參見圖1b。新型定時器已經微機化，因此機器人控制柜可以直接控制定時器，無需另配接口。點焊機器人的焊鉗，通常用氣動的焊鉗，氣動焊鉗兩個電極之間的開口度一般只有兩級沖程。而且電極壓力一旦調定后是不能隨意變化的。近年來出現(xiàn)一種新的電伺服點焊鉗，如圖5所示。焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅動，碼盤反饋，使這種焊鉗的張開度可以根據(jù)實際需要任意選定并預置。而且電極間的壓緊力也可以無級調節(jié)。這種新的電伺服點焊鉗具有如下優(yōu)點： 1）每個焊點的焊接周期可大幅度降低，因為焊鉗的張開程度是由機器人精確控制的，機器人在點與點之間的移動過程、焊鉗就可以開始閉合；而焊完一點后，焊鉗一邊張開，機器人就可以一邊位移，不必等機器人到位后焊鉗才閉會或焊鉗完全張開后機器人再移動； 2）焊鉗張開度可以根據(jù)工件的情況任意調整，只要不發(fā)生碰撞或干涉盡可能減少張開度，以節(jié)省焊鉗開度，以節(jié)省焊鉗開合所占的時間。 3）焊鉗閉合加壓時，不僅壓力大小可以調節(jié)，而且在閉合時兩電極是輕輕閉合，減少撞擊變形和噪聲。3. 1. 4弧焊機器人的特點弧焊用機器人（如圖6所示）的基本功能 弧焊過程比點焊過程要復雜得多，工具中心點（TCP），也就是焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制。所以，弧焊用機器人除了前面所述的一般功能外，還必須具備一些適合弧焊要求的功能。 雖然從理論上講，有5個軸的機器人就可以用于電弧焊，但是對復雜形狀的焊縫，用5個軸的機器人會有困難。因此，除非焊縫比較簡單，否則應盡量選用6軸機器人。 弧焊機器人除前面圖2提及的在作“之”字形拐角焊或小直徑圓焊縫焊接時，其軌跡應能貼近示教的軌跡之外，還應具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點處，機器人也應自動停止向前運動，以滿足工藝要求。此外，還應有接觸尋位、自動尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。 弧焊機器人用的焊接設備 弧焊機器人多采用氣體保護焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶閘管式、逆變式、波形控制式、脈沖或非脈沖式等的焊接電源都可以裝到機器人上作電弧焊。由于機器人控制柜采用數(shù)字控制，而焊接電源多為模擬控制，所以需要在焊接電源與控制柜之間加一個接口。近年來，國外機器人生產廠都有自己特定的配套焊接設備，這些焊接設備內已經播人相應的接口板、所以在圖1a中的弧焊機器人系統(tǒng)中并沒有附加接口箱。應該指出，在弧焊機器人工作周期中電弧時間所占的比例較大，因此在選擇焊接電源時，一般應按持續(xù)率100來確定電源的容量。 送絲機構可以裝在機器人的上臂上，也可以放在機器人之外，前者焊槍到送絲機之間的軟管較短，有利于保持送絲的穩(wěn)定性，而后者軟管校長，當機器人把焊槍送到某些位置，使軟管處于多彎曲狀態(tài)，會嚴重影響送絲的質量。所以送絲機的安裝方式一定要考慮保證送絲穩(wěn)定性的問題。圖6 弧焊機器人32焊接機器人的應用國際上80年代是焊接機器人在生產中應用發(fā)展最快的10年。我國工廠從90年代開始，應用焊接機器人的步伐也顯著加快。應該明確，焊接機器人必須配備相應的外圍設備組成一個焊接機器人系統(tǒng)才有意義。國內外應用較多的焊接機器人系統(tǒng)有如下幾種形式：（1） 焊接機器人工作站（單元）如果工件在整個焊接過程中無需變位，就可以用夾具把工件定位在工作臺面上，這種系統(tǒng)既是最簡單不過的了。但在實際生產中，更多的工件在焊接時需要變位，使焊縫處在較好的位置（姿態(tài)）下焊接。對于這種情況，變位機與機器人可以是分別運動，即變位機變位后機器人再焊接；也可以是同時運動，即變位機一邊變位，機器人一邊焊接，也就是常說的變位機與機器人協(xié)調運動。這時變位機的運動及機器人的運動復合，使焊槍相對于工件的運動既能滿足焊縫軌跡又能滿足焊接速度及焊槍姿態(tài)的要求。實際上這時變位機的軸已成為機器人的組成部分，這種焊接機器人系統(tǒng)可以多達7-20個軸，或更多。最新的機器人控制柜可以是兩臺機器人的組合作12個軸協(xié)調運動。其中一臺是焊接機器人、另一臺是搬運機器人作變位機用。焊接機器人工作站由圖7所示的各單元構成圖7 IGM焊接機器人一機雙工位工作站（2） 焊接機器人生產線焊接機器人生產線（如圖8所示）比較簡單的是把多臺工作站（單元）用工件輸送線連接起來組成一條生產線。這種生產線仍然保持單站的特點，即每個站只能用選定的工件夾具及焊接機器人的程序來焊接預定的工件，在更改夾具及程序之前的一段時間內，這條線是不能焊其他工件的。另一種是焊接柔性生產線（FMS-W）。柔性線也是由多個站組成，不同的是被焊工件都裝卡在統(tǒng)一形式的托盤上，而托盤可以與線上任何一個站的變位機相配合并被自動卡緊。焊接機器人系統(tǒng)首先對托盤的編號或工件進行識別，自動調出焊接這種工件的程序進行焊接。這樣每一個站無需作任何調整就可以焊接不同的工件。焊接柔性線一般有一個軌道子母車，子母車可以自動將點固好的工件從存放工位取出，再送到有空位的焊接機器人工作站的變位機上。也可以從工作站上把焊好的工件取下，送到成品件流出位置。整個柔性焊接生產線由一臺調度計算機控制。因此，只要白天裝配好足夠多的工件，并放到存放工位上，夜間就可以實現(xiàn)無人或少人生產了。工廠選用哪種自動化焊接生產形式，必須根據(jù)工廠的實際情況及素要而定。焊接專機適合批量大，改型慢的產品，而且工件的焊縫數(shù)量較少、較長，形狀規(guī)矩（直線、圓形）的情況；焊接機器人系統(tǒng)一般適合中、小批量生產，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復雜。柔性焊接線特別適合產品品種多，每批數(shù)量又很少的情況，目前國外企業(yè)正在大力推廣無（少）庫存，按訂單生產（JIT）的管理方式，在這種情況下采用柔性焊接線是比較合適的。圖8 焊接機器人生產線4我國焊接機器人技術我國制造業(yè)中焊接機器人的應用主要是在20世紀90年代以后(個別企業(yè)在80年代中期)，經歷了摸索階段，近5年來焊接機器人的數(shù)量增加很快，特別是在汽車制造業(yè)。根據(jù)到2001年的統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，其中弧焊機器人多于點焊機器人，汽車制造和汽車零部件生產企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76，是我國焊接機器人最主要的用戶。汽車制造廠的點焊機器人多，弧焊機器人較少；而零部件廠弧焊機器人多，點焊機器人較少。該行業(yè)中點焊與弧焊總的比例約為3：2。其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械(10)、摩托車(6)、鐵路車輛(4)、鍋爐(1)等行業(yè)。焊接機器人分布在全國各個經濟地區(qū)，但主要集中在東部沿海和東北地區(qū)。東部的上海和東北的長春這兩個汽車城是我國擁有焊接機器人最多的城市。我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。今后應重點放在擴大應用領域，使更多行業(yè)用上焊接機器人。 我國從上世紀80年代開始在高校和科研單位全面開展工業(yè)機器人的研究，近20年來取得不少的成果。但是由于沒有和企業(yè)聯(lián)合，長期沒能形成有規(guī)模的產業(yè)。目前國內除了一家以組裝為主的中日合資的機器人公司外，具有自主知識產權的工業(yè)機器人主要由高校或科研單位組織生產，還沒能形成批量。因此，我國企業(yè)裝備的焊接機器人90以上是從世界各知名機器人廠家進口的。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7-8萬美元降低到2-3萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應的零部件產業(yè)，使得所生產的機器人需要配套進口的零部件，使價格難以降低。 日本從上世紀70年代中后期開始開發(fā)工業(yè)機器人，15年后就成為產量最多、應用最廣的世界工業(yè)機器人“王國”。日本的工業(yè)機器人是在幾家原本就具備機器人相關技術的企業(yè)的基礎上發(fā)展起來的，例如FANUC原本是生產數(shù)控設備的，YASKAWA原本是制造伺服電機的，PANASONIC原先就是著名的電器廠商。他們與高校結合，很快就能形成工業(yè)機器人的規(guī)模生產能力，加上政府用政策與資金支持企業(yè)擴大應用工業(yè)機器人，促進了日本機器人產業(yè)的迅速發(fā)展。我們應從中吸取日本發(fā)展機器人整個過程的各方面成功經驗。當前世界各國在發(fā)展工業(yè)機器人產業(yè)方面有三條不同的道路：(1)機器人制造廠商以開發(fā)新型機器人和批量生產優(yōu)質產品為主要目標，而各行業(yè)需要的機器人成套系統(tǒng)，一般由其子公司或社會上的工程公司來設計制造，并完成交鑰匙工程(暫稱為“日本模式”）；(2)機器人制造廠商自己既生產機器人又設計制造用戶所需要的系統(tǒng)，完成交鑰匙工程(暫稱為“歐洲模式”）；(3)本國基本不生產一般工業(yè)機器人，企業(yè)需要的機器人系統(tǒng)由工程公司用進口的機器人自行設計制造外圍設備并成套，完成交鑰匙工程(暫稱為“美國模式”)。目前我國需要研究我們的機器人產業(yè)應走什么道路的問題。我們認為應從“美國模式”著手，在條件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是，我國已經形成一批焊接自動化系統(tǒng)集成工程公司，可以完成焊接機器人工作站的設計、設備集成與技術咨詢工作。現(xiàn)在我國使用的焊接機器人工作站有近20是在國內由中國的工程師采用進口的機器人，配合自行設計的外圍設備而集成的。但是比較復雜的焊接機器人生產線或焊接FMS大多還需要全套從國外進口。今后，應促使這些工程公司做大做強，政府應以政策鼓勵企業(yè)采用我國自行成套的焊接機器人系統(tǒng)，而我國的工程師應進一步加強和國外的機器人廠家和集成公司的合作與技術交流，使國內應用的焊接機器人系統(tǒng)中自行成套的焊接機器人工作站迅速增多，促進我國機器人產業(yè)的成長。5焊接機器人的最新應用技術51 TCP(tool center point工具中心點)自動校零技術焊接機器人的工具中心點就是焊槍的焊絲的端點，因此TCP的零位