移动焊接机器人焊接手臂设计(文献综述)【优秀】

移动焊接机器人焊接手臂设计（文献综述）【优秀】(文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用,可编辑推荐下载）移动焊接机器人焊接手臂设计（文献综述）研究目的和意义近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。

机械手广泛地应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。

特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。

总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。

焊接是机械制造工业的基本生产手段之一，提高焊接质量的稳定性和可靠性是至关重要的。

采用自动焊接技术是达到上述目的的唯一途径。

随着机械、电子计算机、自动控制技术的发展，工业机器人这一融合多学科技术的高科技产品得到了很大的发展，许多工业生产领域都应用了工业机器人，弧焊机器人就是其中的一种。

通用型弧焊机器人由机械系统、控制系统、驱动系统组成。

其中，机械系统包括机身、关节型手臂、焊接工具。

控制系统一般分为两部分：一部分是主控微型计算机和从微型计算机或单片微型计算机，微型计算机一般由主机、键盘、显示器、输入设备、输入/输出接口组成；另一部分为控制柜，由输入/输出接口、功率驱动放大电路组成。

驱动系统一般为液压驱动或电动驱动，常以动力站的形式单独放置，控制程序编程多采用示教编程。

这种结构形式的通用型弧焊机器人在国内流水生产作业线上得到了比较广泛的使用。

在石油化工、水利电力等企业许多焊接生产作业需要在室外或野外进行，有些还需要在狭小的生产作业空间内完成，外界环境恶劣，焊接生产作业条件十分苛刻，目前完成这些焊接生产一般都还采用手工操作。

能完成这样的焊接生产作业任务的自动焊接设备，弧焊机器人是首选的，但如沿用通用型弧焊机器人又受到机器人本体结构、体积、重量、抗干扰能力以及机器人价格的限制。

我们结合焊接生产作业的需要和实际情况，针对狭小的U型生产作业空间设计、开发了一种可移动式焊接机械手。

图1 安装在可移动平台上的三连杆机械手可移动机械手由一个有轮子的平台和一个机械手组成（如图1）。

这个可移动平台有两个独立的位于两边中间位置的驱动轮和两个位于平台前后面中间的被动式脚轮。

机械手有三个外卷的关节，能够在水平面运动。

为了追踪水平楞条式焊缝，可移动自动焊机工作台焊接系统采用激光距离传感器操纵移动平台和一个影像传感器操纵机械手的末端受动器精确的追踪焊缝线。

针对可移动工作台和机械手的路径计划编制进行研究。

可移动工作台的路径由可操作性测量决定，机械手的路径由焊接过程的特征决定。

研究背景和现状世界各国都很重视工业机械手的应用和发展。

机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段，就显示出许多特殊的优点，展现了广阔的应用前景。

目前，国内使用的自动焊接设备，有通用型弧焊机器人，其结构前已叙述，主要使用在流水生产作业线上。

另一类是微型计算机或单片机控制的各型自动焊机，其结构由焊接机头、行走环行导轨和控制系统组成。

便携式弧焊机器人的开发，是本着在充分满足自动焊接功能和控制精度的前提下，利用机电一体化技术高度集中的特点，和计算机控制硬、软件配合，合理简化关节型手臂和控制系统结构，以降低生产成本和开发费用的原则而设计的。

世界各国都很重视工业机械手的应用和发展。

机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段，就显示出许多特殊的优点，展现了广阔的应用前景。

目前，国内使用的自动焊接设备，有通用型弧焊机器人，其结构前已叙述，主要使用在流水生产作业线上。

另一类是微型计算机或单片机控制的各型自动焊机，其结构由焊接机头、行走环行导轨和控制系统组成。

便携式弧焊机器人的开发，是本着在充分满足自动焊接功能和控制精度的前提下，利用机电一体化技术高度集中的特点，和计算机控制硬、软件配合，合理简化关节型手臂和控制系统结构，以降低生产成本和开发费用的原则而设计的。

移动焊接机器人，日本、韩国等国研究的相对较早，已有产品应用于实际工程，而国内这几年也逐渐开始了这方面的研究工作。

舱体格子形构件焊接移动机器人在造船工业的焊接工艺中，为了加强船体的牢固和强度，通常在船的底部要组焊几个蛋形的框架体。

这种格子性框架体由于工作空间很狭窄，具有六个自由度的常规性机器人是很难胜任这个工作，因此为了克服这种情况，韩国Pukyong国立大学的Kam B O等研制了一种体积小巧，重量轻的用于这种复杂焊接环境的轮式智能移动焊接机器人。

它能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程，能够自动寻找焊缝的起始点。

在遇到格子框架的拐角焊缝时，在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下，能够自动调整机器人本体和十字滑块的位置。

机器人本体采用四轮行走机构，侧面两个驱动轮，前后各有一个自位轮，以稳定车体和使焊接小车能够转动;在小车的本体上和焊炬上各有一个机械式的接触传感器，在焊炬上的传感器用来检测焊炬的位置，而小车本体上的传感器对焊炬传感器的位置检测起补偿作用。

在机器人的侧面还装有一个接近传感器，用来检测焊接起始点;控制策略采用模糊控制与PID联合控制;跟踪精度可达±0.5mm，满足实际焊接的需要。

图2 舱体格子形构件焊接移动机器人无导轨全位置爬行式弧焊机器人爬壁机器人，是能够在垂直陡壁上进行作业的移动机器人，应用领域主要是用来在壁面、球面及管道等曲面上爬行焊接，随着大型结构件的应用越来越多，这种机器人有着广阔的应用前景。

这种机器人机械系统的任务是将携带的焊接装置移动到壁面上所需达到的任意位置，移动机构主要采用履带式移动机构，在壁面上的吸附方式主要采用电磁吸附的方式。

整个系统由爬行机构、图像传感系统、控制电路及计算机信息处理控制系统组成。

爬行机构是机器人的运动动力系统，图像传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝，控制电路与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪，通过控制电磁铁吸附可以达到对磁吸力的控制，使得履带块运动时能自由脱离壁面，静止时又能够提供足够大的电磁吸附力。

图3 履带式爬壁机器人平板对接自主移动机器人日本庆应大学为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人，它采用三轮移动机构，两个驱动轮在小车本体的侧面，车体前面是一个自位轮，起稳定作用，机器人能够直线前进，还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯，它装焊枪的臂可以伸缩，在臂的末端装有一个CCD摄像视觉传感器，通过这个CCD可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状，如是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝等，通过控制器对传感的信号进行处理以实现对焊缝的精确跟踪，它甚至可以跟踪90°的折线焊缝。

据相关文献报道，焊缝跟踪精度可达±0.3 mm。

图4 平板对接自主移动机器人管道焊接机器人日本庆应大学研制了管道焊接自主移动机器人，它可以沿着管道移动，根据CCD摄取的图像信息，在焊前可以自动寻找并识别焊缝，然后使机器人本体沿管道方向移动达到正确的焊接位置。

焊炬可以沿着管道360°旋转进行管道的全位置焊接，也可以用于管与管的T 形接头焊接。

机器人本体具有沿管道Z向(纵向)和θ向(环向)两个自由度，焊炬也具有R向和α向两个自由度。

由四个直流伺服电机驱动移动机构动作，CCD摄像传感器摄取焊缝位置信息。

在焊接过程中，CCD摄像传感器先检测出管与管对接处T形接头待焊处两基体金属的夹角，然后相应调整焊炬和小车本体的位姿，实现T形接头的全位置焊接。

据相关文献报道，焊缝跟踪精度可达±0.3 mm。

图5 管道自主焊接移动机器人球罐焊接移动机器人球罐焊接多在野外手工作业，恶劣的工作环境不仅增大了工人的劳动强度，而且影响到球罐的焊接质量。

新型智能球罐焊接机器人，是在轮式移动机器人的基础上，配以合适的传感器及控制系统，从而能够实现球罐自动焊接的一种自动化装置。

此类焊接机器人不需要传统的定位轨道，而是通过自身的传感装置来识别并跟踪焊缝路径的，因而，建立合理可靠的焊缝路径检测系统是球罐焊接移动机器人需要解决的关键。

图6 球罐焊接移动机器人清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸附轮式移动焊接机器人，目前该产品已经应用大型球罐焊接的野外作业，它主要由轮式移动机器人本体、焊炬运动机构，以及分别安装在机器人本体和焊炬移动机构上的线阵CCD传感器检测系统等构成，据报道，焊炬跟踪精度可达±0.5 mm，能够满足实际工程应用。

自寻迹舰船甲板焊接移动机器人由于大型舰船甲板的焊缝一般情况下很长，而且有些焊缝是横向大范围移动，甚至是曲线、折线。

要完全依靠手工焊接，工人的劳动强度将相当大，为了实现甲板的高效自动化焊接，保证焊接质量，上海交通大学研制了具有自寻迹功能的焊接移动机器人。

在焊前，小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态；焊炬位于焊缝的坡口中心，而小车本体与焊缝坡口平行；在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪。

采用柔性磁轮并在车体前部安装强磁，使它有足够的磁力能够在有一定坡度的斜面上进行爬坡焊接。

采用四轮移动机构，传感器系统采用激光位移传感器外加扫描的方式来获取焊接过程的二维偏差信息，控制器采用基于DSP+FPGA+MCU的架构。

图7 自寻迹舰船甲板焊接移动机器人实施方案与问题可移动式焊接机械手由一个有轮子的平台和一个机械手组成。

这个可移动平台有两个独立的位于两边中间位置的驱动轮和两个位于平台前后面中间的被动式脚轮。

机械手有三个外卷的关节，能够在水平面运动。

既然这样，它的自由度是5。

在先前规定的焊接程序中，操作空间是三维的：位置和末端受动器的方位。

因此，系统自由度是超出必需的。

b 驱动轮与对称轴心的距离r 各个驱动轮的半径l i机械手第i个链接臂的长度m p平台（不包括轮子）的质量m w驱动轮的质量m li机械手第i个链接臂的质量I p瞬时的平台（不包括轮子）对垂直轴的转动惯量I w瞬时的各个驱动轮对轮轴的转动惯量I li瞬时的机械手第i个链接臂对垂直轴的转动惯量图8 可移动机械手的期望路径和计划轨线在这项研究中，期望的路径在图8中已给出。

重要的是焊枪恒速运动和维持恒定的相对于垂直于焊缝面的倾角。

当跟踪纵向的焊缝线时，因此，可移动平台在一个恒定的速度沿着各个纵梁的中心线运动。

在横格板的面前，可移动平台停止和机械手接近焊缝线。

可操作性尺寸可以决定可移动平台的停止位置。

可操作性尺寸可被认作机械手结构的特殊的距离测量，此时可操作性尺寸为零。

最大化可操作尺寸导致机械手结构远离异常。

在或接近异常结构处，机械手的末端受动器可能不能轻易的沿着确定的方向运动。

焊缝跟踪系统的结构弧焊机器人焊缝跟踪系统虽然经过了几十年的发展和计算机软硬件的大力应用,但是整个系统的结构没有太大的变化。