2022年焊接机器人结构设计方案及智能化发展研究 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 焊接机器人的结构设计及智能化进展讨论-机电论文焊接机器人的结构设计及智能化进展讨论 杨仁 郝云卿 马嵩 宋冠儒（大连理工高校机械工程学院,辽宁 大连 116024 ）摘要：目前较多企业开头采纳通用的工业焊接机器人完成各种复杂的焊接任 务,但是主要针对焊缝种类较为单一的情形；现分析传统焊接机器人的基本特 点,然后从机械设计和焊接智能化掌握等方面阐述焊接机器人的智能化进展方 向；关键词：焊接机器人；自由度；工作站；智能化 0 引言 焊接是一种重要的加工工艺方法,是现代制造工艺的重要组成部分；由于焊 接作业环境恶劣,产生剧烈的弧光会对人眼造成损害,并

2、且待焊零件构型复杂 多变,故传统的手工焊接作业及其焊接质量难以满意现代高技术产品制造的要 求；随着运算机技术、自动掌握技术的进展和应用,焊接机器人在制造业中得 到了广泛的应用,提高了焊接质量和焊接效率,改善了工人的工作环境；然 而,由于作业环境及任务的复杂性不断增加,一般的工业焊接机器人很难灵 活、自动避障地完成焊接任务,这就对焊接机器人的自动化、柔性化和智能化 提出了更高的技术要求； 1 焊接机器人的结构设计 目前,市场上常见的焊接机器人主要有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和链式坐标型（全关节型）4 种类型,其结构构型示意图依次如图1（a）（d ）所示；其中,全关节型焊接机器人,又称作机械

3、手臂,是焊接生产线上名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的通用焊接机器人,其通过不同机械臂的冗余组合,获得较高的移动自由度（自由度通常为56 个,直角坐标型机器人自由度通常为34 个）；因此,全关节型焊接机器人的焊接敏捷度较高,且焊枪的空间姿势远多于直角坐标型 机器人,可以实现多方位、多角度焊接,常用在焊缝外形复杂、焊枪不易接近 的焊接工况中；全关节型焊接机器人一般由机械臂、焊接电源、焊枪、工作台、移动机构、掌握系统、软件系统及其他帮助装置如焊缝跟踪传感器、伺服电机等部件构 成；焊接机器人的机械臂通常包括基座、立轴、机

4、械大臂、机械小臂、回转关 节、摇摆关节、俯仰关节和扭转关节等几部分,其中机械大臂的一端通过立轴 固定在基座上,并能绕立轴转动,另一端通过关节铰接机械小臂,且通过多个 关节的连续铰接,可以将多个机械小臂依次连接在机械大臂上；末段机械小臂 的外端设置有升降立轴,并与焊枪相铰接,同时各个机械臂和各种轴均设置有 独立的掌握电机；在焊接过程中,焊接机器人掌握系统通过传感器掌握各个电 机转动,带动各个轴联动,从而掌握机械大小臂转动、升降轴升降以及焊枪摆 动等,进而对水平角焊缝、水平对接焊缝、接管焊缝等多种形式的焊缝进行施 焊；在焊接机器人结构设计中,应当重点从“ 两多” 入手,以使其可以完成更加 复杂的焊

5、接任务,详细如下： 1.1 多自由度焊接机器人设计名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 对于常用的直角坐标型焊接机器人（图1a）,其自由度通常为3 个,仅能进行 X 轴水平运动、 Y 轴前后运动和 Z 轴上下运动,这就使得焊枪的焊接姿势较受限制,只能完成无其他工件遮挡部位的焊接作业,一旦焊接位置被遮挡,就很难进行施焊；通过将焊枪铰接在旋转轴上,可使焊枪绕旋转轴进行 回转,焊接机器人的自由度增加到4 个,从而可以对同一个焊缝进行多角度焊接,能适当减小其他工件对焊枪作业的遮挡和干涉；另外,在 4 自由度焊接机器人的基础上,通

6、过增加一个工件工装台的旋转轴O 轴,并通过高性能数控卡同步掌握多台伺服电机,带动 5 个自由度上的轴运动,能实现复杂的多轴和谐运动,使得焊接效率大幅度提高；全关节型焊接机器人（图1d ）的冗余自由度进一步得到了提高；通过增加关节构件将机械大臂和各种机械小臂进行铰接,形成 6 自由度、 7 自由度,甚 至 30 个自由度的超冗余焊接机器人,并分别设置伺服掌握电机掌握各个机械 臂的运动,从而实现了焊接机械臂的回转、摇摆、俯仰、扭转等复杂的多方位 协同运动,便于从不同角度和不同方位的作业空间进行施焊,极大地提高了焊 接机器人的避障才能和焊接效率；不过,冗余自由度的大幅度提高,也给焊接 机器人的驱动和

7、掌握精度带来了更大的挑战,且制造成本也提高了几倍以上；因此,需要开发高性能掌握系统,并降低其制造成本,以促进多自由度焊接机 器人的应用； 1.2 多焊接机器人工作站设计 在工程机械生产过程中,一条焊接生产线上需要大量的焊接机器人参加；多 个焊接机器人通过合理布局,并配置先进的掌握器、工作台联动系统和 PLC 总 控系统,形成了多焊接机器人工作站；工作站内的多个焊接机器人系统按功名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 能、物理和时间划分为多个独立智能体,彼此之间相互通信,从而实现多个焊 接机器人的合作与和谐,进而提高焊接作业

8、的自动化和连续性,可以高效率地 完成巨大、复杂的焊接作业任务；多焊接机器人工作站并不是简洁的焊接机器人的线性叠加,每台焊接机器人 均有各自的焊接任务；因此,需要设定好各个焊接机器人的焊点种类、间距和 次序,防止其路径和任务发生干涉和碰撞等；采纳各种智能算法和程序,如遗 传算法、粒子群算法等,可对各个焊接机器人的焊点安排和路径进行约束,形 成各个分散、独立的自主智能子系统,进而借助软件和以太网网络技术,完成 不同子系统间的通信和协同作业； 2 焊接机器人的智能化进展方向 目前,焊接机器人经受了示教机器人、初级感知机器人的进展过程,开头进 入具有较强感知才能,可以独立判定、记忆及决策,并能依据焊接

9、环境自行编 程的智能机器人阶段； 2.1 焊缝智能追踪 在实际焊接过程中,焊接环境和焊接条件及工况的复杂性,简洁导致实际焊 点偏离焊缝位置,因此,需要实时调整焊接路径及参数,以订正焊缝位置偏 差；各种高性能的电弧传感器和光学视觉传感器被用于实时采集焊接参数（电 弧电压、电流、焊炬高度等）和焊接熔池图像信息（光纹与焊缝坡口中心的三 维关系等）,然后将信息传递给主控系统,经软件处理后发送给机器人各个驱 动器,从而实时调整焊接路径；另外,将多种传感器与人工神经网络模型进行 融合,可以使焊接机器人依据实际焊接工况的变化和实际问题的处理体会及案 例,进行自主学习、记忆和联想,从而在焊接过程中进行自动化的

10、焊缝跟踪和名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 智能化的路径调整； 2.2 离线自行编程 当前,基于传感器信息反馈进行离线编程,在焊接机器人中开头得到应用,可在机器人不工作的状态下,依据工作环境和传感器信息分析,进行焊接任 务、参数及路径的规划,但目前离线编程技术仍旧难以实现全自动编程；通过 多种传感器和人工神经网络模型的帮助,焊接机器人能自动提取和记忆焊缝信 息和焊接参数,建立焊接特点数据库,从而在接收焊接指令后,仅需人工简洁 输入工件模型,就可依据数据库和离线编程系统中的专家系统,自动制定相应 的工艺流程,并编写焊接

11、机器人程序,进而实现焊接机器人的全自动、自主焊 接； 3 结语 对于许多工业生产来说,焊接的质量和效率会对产品的生产质量、生产效率 和生产成本产生重大影响；机械结构设计和智能化掌握技术的进展,可以显著 提高焊接机器人的自动化水平,对满意当今工业领域多元化、柔性焊接的需求 具有重要意义； 参考文献1郑暾,陈栋栋,强华,等.焊接机械臂结构设计及关键部件强度分析J.轻工机械, 2022 ,32（6）： 48-52. 2宋金虎 .我国焊接机器人的应用与讨论现状（4）： 18-20 ,67. J.电焊机, 2022 ,393陈善本,吕娜 .焊接智能化与智能化焊接机器人技术讨论进展J.电焊机, 2022 ,43（5）： 28-36. 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 收稿日期： 2022-09-07 作者简介：杨仁（ 1994 ）,男,湖南怀化人,讨论方向：工业机械手以及复合材料工程应用；郝云卿（ 1993 ）,男,辽宁鞍山人,讨论方向：掌握系统设计；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页