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(完整版)焊接机器人毕业设计

ＶＩ１．１论文的选题意义
第１章绪论
自动化的焊接机器人能提供稳定地焊接质量，减轻人的劳动强度，提高工作
效率,降低生产成本，在工业领域得到了广泛的应用。但应用于工业生产中的焊
接机器人大多是固定的，主要通过机械臂的活动来工作,又由于空间的限制使得
机器人的工作范围、工作对象大大受到限制。在大型工件,如:石化工业中的大型
储油罐、球罐、管道的焊接，多在现场作业，焊接位置手工作业难以达到,恶劣
的工作环境不仅增大了工人的劳动强度，而且影响焊接质量.工程应用中亟待开
发出能够取代工人手工操作的低成本自动化的焊接设备，以减少生产过程中人为
因素的影响,提高焊接质量，这些情况都对移动焊接机器人的研究和应用提出了
迫切的要求。
现在，国外在这方面的技术基本成熟,但国内各单位对这些技术的了解有相
当部分还停留在文献上或局部上。所以应该从基本做起，开展一些基础技术研究
作为机器人课题的主要研究与开发内容之一。
１．２焊接机器人的发展历程
自从世界上第一台工业机器人ＵＭＭＡＴＥ于１９５９年在美国诞生以来,机器人的
应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人.这类机器人操作
简单,不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生
产中的应用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人.这类机器人对外界
环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能,工作时借助传感器获
得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作.第三代是智
能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力,而且具有独立判断、行动、记忆、
推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，
还具备故障自我诊断及修复能力.焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事
焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性＂，焊接路径和焊接参数
须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、
人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型
向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展¨。６３.
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移动焊接机器人系统研究
１．３焊接机器人国内外应用现状
焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，
广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全
统计,全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截
止２００５年，全世界在役工业机器人约为９１．４万台，其中日本装备的工业机器人总
量达到了５０万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国：在亚洲,日本、
韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几
年，全球机器人的数量在迅速增加，仅２００５年就达１２．１万台。我国自上世纪７０年
代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取
得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不
完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过
４０％，焊接机器人的增长率超过了６０％；２００４年国产工业机器人数量突破ｌ４００台,
进口机器人数量超过９０００台,其中绝大多数应用于焊接领域：２００５年我国新增机
器人数量超过了５０００台，但仅占亚洲新增数量的６％,远小于韩国所占的１５%,更
远小于日本所占的６９％＂¨钔。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是
不匹配的,这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了
我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到
限制。当前，焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发
展，焊接机器人的价格不断下降,性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上
升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强
企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大呻１。
１．４移动焊接机器人的关键技术
为了适应野外自动化作业的需要，要求移动焊接机器人能够在平面、球面或
是弧面上，都能有较大的动作范围，或者说只受电缆限制不受机构限制；在全位
置焊接时，还要求能够吸附在工件上爬行.研究这样的智能系统,必须解决以下
几个方面的问题:机构方面，必须具有最为合理的自由度配置形式,同时要尽量
使机构轻便、运动灵活；自动跟踪传感与闭环控制方面，研究最佳的信息传感方
式，使系统具有最强的实时性;控制器方面，研究最合理有效的协调各自由度运
动控制的原理与方法。所以,移动焊接机器人的关键技术是传感技术、行走机构、
控制技术、磁吸附技术及控制器架构等.
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硕十学何论文
１．４．１信息传感技术
在焊缝跟踪系统中，传感器是关键，它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度
ｎ叫ｎ¨.在焊接过程中,传感器必须精确检测焊缝(坡口）的位置及形状，在电弧焊
接过程中，存在强烈的弧光、烟尘、飞溅、高温辐射及强烈的电磁场干扰等。因
此,用于电弧焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能力。目前在移动焊接机器人
上采用的传感器主要是电弧传感器、机械传感器及视觉传感器等.电弧传感器是
从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，不需要在焊枪上附加任何装置,因
此其实时性好,可达性及焊枪运动的灵活性都非常好，尤其符合焊接过程低成本
自动化的要求。它是利用电弧自身电参数的动静态变化作为特征信号，通过一定
的控制策略实现高低及水平两个方向的跟踪控制。但它主要适用于具有对称形状
的坡口焊缝跟踪，并且对定位焊点等特殊情况难于识别.典型的机械接触式传感
器是依靠导轮或者导杆在焊炬前方检测焊缝位置,通过焊缝形状对导杆或者导轮
的强制力来导向，将焊缝偏差信息反映到检测器内，从而实现焊缝跟踪。接触传
感器结构简单,操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰,但由于它信
息量少,在移动焊接机器人中，主要是与其它传感器配合来完成焊缝跟踪任务，
一般不独立使用。采用视觉传感器是焊缝跟踪传感器发展的必然趋势.面阵ＣＣＤ
成像提供的信息量丰富，适应能力强，通过计算机处理，可以充分发挥它的智能，
但造价昂贵,信息处理时间长，实时性差,其应用受到一定的限制。线阵ＣＣＤ传
感器虽然只能获得一维图象,所提供的信息量少，但这些信息都十分关键，能满
足智能控制的需要.此外，其价格相对低廉，信号处理过程简单，响应速度快,
实时性强,更宜于在生产中推广应用。面基于三角测量法原理的激光视觉扫描传
感器,通过实时扫描焊接坡口横截面，不但可以获得焊炬与坡口之间的二维偏差
信息，还可以检测坡口的形状，因此它既可以用于焊缝的二维跟踪，又可以用于
焊接参数的控制。多传感器信息融合技术.移动焊接机器人与一般的焊缝跟踪系
统不同，它现场作业时，空间约束小,自由度大，在焊接过程中具有一定的自主
性。现代焊接技术的发展,使焊接系统更加趋于网络化、柔性化和集成化.在焊
接过程中，不但要求系统能够进行焊缝跟踪,可能还要求进行焊接参数的自动控
制，或者需要在非常复杂的焊接空间完成焊接任务。因此,多传感信息融和技术
是移动焊接机器人传感器技术发展的必然趋势.
１．４．２行走机构
移动机器人的行走机构一般有履带式、轮式、步行式和爬行式等ｎ０１，目前移
动焊接机器人的行走机构主要是履带式和轮式两类。履带式移动机器人优点是着
地面积大，壁面适应能力强,通过电磁铁吸附控制吸附壁面力的大小，缺点是结
构复杂，转向性差，所以这种结构适用于壁面、球面、管道等曲面上的爬行焊接.
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移动焊接机器人系统研究
轮式移动机器人优点是移动速度快，转向性好，但着地面积小，壁面适应性差，
所以这种结构适应平面横向大范围变化焊缝的焊接和坡度不是很大的斜面爬坡
焊接，由于这种移动机器人结构相对简单,所以目前在焊接及其它行业中用得都
比较多。
１．４．３智能控制技术
移动焊接机器人是一个具有空间多自由度的智能焊缝跟踪系统，它本身具有
一定的自主性、对外的感知能力和局部的对跟踪路径的自主规划能力等。在焊缝
跟踪的过程中，不但要实时调整焊炬与焊缝之间的偏差，还需要实时调整机器人
本体在焊接空间的位姿。显然，要用精确的数学模型来描述这样复杂的系统是比
较困难的，这种情况下，经典控制理论就难以获得满意的效果,采用先进的信息
传感技术并在跟踪系统中引入模糊控制、神经网络等智能控制技术就是一个必然
趋势.
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１．４．４控制器架构
采用何种控制器架构,与传感器的选择、处理信息量的大小和系统的复杂程
度等有关。综合国内外的研究来看，目前主要有以下几种控制器架构：（１)ＰＣ机＋
运动控制器架构:这是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的移动焊缝跟踪系统,这种架构一般是采用
了摄像式视觉传感器，需要处理的信息量大，如ＣＣＤ结构光式传感器来获取焊缝
偏差信息。传感器将采集到的电弧区图象信息送到工控机，工控机对图象信息进
行处理后，获得焊缝偏差量，将这个偏差量送到专门的运动控制器，从而调节焊
炬或者机器人本体的位姿。这种架构的优点是对信息的处理能力极强，操作直观，
不但可以进行焊缝跟踪，同时还可以对焊接参数进行自动控制，也可以方便地与
焊接周边设备进行柔性化集成.缺点是控制系统庞大,移动不方便。对有些野外
作业场合不太合适。（２）ＰＬＣ＋ＭＣＵ架构：ＰＬＣ（可编程控制器）编程简单、稳定、
可靠、抗干扰能力强，而ＭＣＵ（微控制器)剥信号的处理能力强。将二者结合起
求．可以充分发挥二者的优势现在很多ＰＬＣ可编程控制器都内嵌ＭＣＵ，所以以
此为核心构建的控制系统。体积小，功能强，比较适合移动焊接机器人这种场合。
（３）ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ＋ＭＣＵ架构:ＤＳＰ(数字信号处理器)和ＦＰＧＡ可编程逻辑阵列的
出现是现代电于技术发展的一个里程碑。利用功能强大的ＤＳＰ怍为整个控制系统
的核心，ＭＣＵ作为专门的运动控制器,而ＦＰＧＡ综合控制系统外围所有的数字逻
辑，这样的控制系统结构简洁、体积小巧、移动方便、功能强大。且利用其ＣＡＮ
总线,很容易与焊接电源、翻转机构等焊接周边外围设备柔性化集成。这样的控
制器体系架构,是移动焊接饥器人比较理想的体系架构。