（機械工程專業(yè)論文）微車白車身焊接機械手結構及策略優(yōu)化設計.pdf

獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽名：日期： 學位論文使用授權書 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即 學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權經武漢理工大學認可的國家有 關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生c ：獵導師c ：船醐劭刈1 7 f 中文摘要 隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和入力成本的逐年上升，車身工藝自動化已 成為時代發(fā)展的必然趨勢。然而現(xiàn)階段，我國絕大多數(shù)汽車企業(yè)的車身焊裝生 產線是以人工焊接為主，但設計出的能替代人工焊接的、低成本的焊接機械手 在使用中存在現(xiàn)實悶題。本文以優(yōu)化產品的生產工藝，提高產品的質量和生產 效率為目標，對其現(xiàn)有的簡易焊接機械手設備進行優(yōu)化、改造和完善。 本文在充分調研了焊接機械手的使用條件和技術指標后，結合實際使用問 題，合理提出了改進策略及方法，確定了結構及控制優(yōu)化策略。通過對原機構 添加平衡裝置、改變整機布局優(yōu)化設計，及通過標準化設計在焊接機械手的防 塵、防滑、防銹、潤滑、過載保護和后期維護等方面進行完善優(yōu)化設計。本文 以標準化設計為思想，以完善機械手為目標，將整機按模塊進行優(yōu)化設計，減 短了優(yōu)化設計周期，減小了優(yōu)化設計難度。 本文運用u g 軟件的相關功能對焊接機械手進行三維建模，完成了整機的虛 擬裝配。運用u g 高級仿真功能，應用n a s t r a n 解算器對焊接機械手關鍵部件進 行了有限元分析，通過分析結果，驗證了優(yōu)化設計合理性。最后對焊接機械手 工作誤差來源進行詳細分析，提出了合理的誤差補償方案。 本文對焊接機械手使用的華中數(shù)控系統(tǒng)進行簡單介紹后，針對其工作流程 及實際生產需求功能，設計出計數(shù)功能、斷點恢復功能、自動磨損補償功能， 完善了焊接機械手的控制系統(tǒng)。 縱觀全文，此次優(yōu)化設計最終完成了焊接機械手結構及策略的優(yōu)化設計。 樣機已經加工制造完成，并在生產線上使用。目前運行穩(wěn)定，使用良好。 關鍵詞：焊接機械手，結構優(yōu)化，控制策略， u g ，n a s t r a n a b s t r a c t w i t hc h i n a sr a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dm a n p o w e rc o s ti s i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r , b o d yp r o c e s sa u t o m a t i o nh a sb e c o m ea ni n e x o r a b l et r e n do f t h et i m e s h o w e v e r , a tt h i ss t a g e ，t h ev a s tm a j o r i t yo fo u re n t e r p r i s ec a rb o d yw e l d i n g p r o d u c t i o nl i n ei sm a n u a lw e l d i n g ，t h ew e l d i n gm a n i p u l a t o rt h a td e s i g n e dt or e p l a c e m a n u a lw e l d i n ga n dt or e d u c ec o s th a sp r a c t i c a lp r o b l e m s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e r i st o o p t i m i z et h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y , i st oo p t i m i z e a n di m p r o v et h ee x i s t i n gs i m p l ew e l d i n gm a n i p u l a t o r e q u i p m e n t i n t h i sp a p e r , i nt h ef u l li n v e s t i g a t i o no ft h ew e l d i n gm a n i p u l a t o ru s i n g c o n d i t i o n sa n dt e c h n i c a l i n d i c a t o r s ，w i t ht h ea c t u a lu s e ，w er e a s o n a b l ep u tf o r w a r d i m p r o v e m e n ts t r a t e g y a n dm e t h o d ，a n dd e t e r m i n et h es t r u c t u r ea n dc o n t r o l o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y w ea d db a l a n c ed e v i c e ，c h a n g et h el a y o u to p t i m i z a t i o nd e s i g n f o rt h eo r i g i n a lm e c h a n i s m ，a n di m p r o v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nb ym e a n so f s t a n d a r d i z e dd e s i g ni nt h ew e l d i n gm a n i p u l a t o rd u s t - p r o o f , a n t i s k i d ，a n t i - r u s t ， l u b r i c a t i o n ，o v e r l o a dp r o t e c t i o na n dt h el a t e rm a i n t e n a n c ea n do t h e ra s p e c t s b a s e do n t h es t a n d a r d i z e dd e s i g nf o rt h ei d e a ，i no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lh a n df o rt h e t a r g e t ，t h em a c h i n ea c c o r d i n gt ot h em o d u l ef o ro p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s h o r t e n st h e d e s i g nc y c l e ，r e d u c e st h ed e s i g nd i f f i c u l t y t h i sp a p e ru s e su gs o f t w a r er e l a t e df u n c t i o n so nt h ew e l d i n gr o b o tf o r t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n g ，i tc o m p l e t ev i r t u a lm a c h i n ea s s e m b l y u s i n gu g a d v a n c e ds i m u l a t i o nf u n c t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fn a s t r a ns o l v e ro nt h ew e l d i n g m a n i p u l a t o rk e yp a r t si sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h er e s u l t s ，v e r i f yt h er a t i o n a l i t yo fo p t i m i z a t i o nd e s i g n a tt h ee n do ft h ew e l d i n g r o b o tw o r ks o u r c eo fe r r o ri sa n a l y z e di nd e t a i l ，w ep u tf o r w a r dr e a s o n a b l ee r r o r c o m p e n s a t i o ns c h e m e t h eh n c 2 1 mc n c s y s t e mt h ew e l d i n gm a n i p u l a t o r u s e sa l ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , a c c o r d i n gt oi t sw o r k i n gp r o c e s sa n dt h ea c t u a lp r o d u c t i o nn e e d s ，w ed e s i g n e d t h ec o u n t i n gf u n c t i o n ，t h er e c o v e r yf u n c t i o na n da u t o m a t i cw e a rc o m p e n s a t i o n f u n c t i o nt oi m p r o v et h ew e l d i n gm a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e m t h r o u g h o u t t h i sp a p e r , t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf i n i s h e dt h ew e l d i n gm a n i p u l a t o r ss t r u c t u r ea n ds t r a t e g y t h ep r o t o t y p eh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dw a su s e di nt h e p r o d u c t i o nl i n e i th a s s t a b l eo p e r a t i o na n dg o o du s e k e yw o r d s ：w e l d i n gm a n i p u l a t o r ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；c o n t r o ls t r a t e g y ；u g ； n a s t r a n i i i 目錄 中文摘要i a b s t r a c t i i 第l 章緒論1 1 1 引言1 1 2 課題來源、研究目的及意義2 1 2 1 課題來源2 1 2 2 研究目的及意義2 1 3 國內外研究現(xiàn)狀3 1 4 研究的主要內容5 1 5 本文研究的主要任務和組織5 1 5 1 主要任務5 1 5 2 本文組織5 第2 章焊接機械手研究分析7 2 1 焊接機械手簡介7 2 2 焊接機械手使用條件及參數(shù)9 2 2 1 使用條件9 2 2 2 技術指標：1 0 2 3 焊接機械手存在實際問題及解決辦法1 2 2 3 1 存在問題1 2 2 3 2 解決方法1 3 2 4 小結l3 第3 章焊接機械手結構優(yōu)化設計1 5 3 1 焊接機械手原機構優(yōu)化設計1 5 3 1 1 原機構底座優(yōu)化1 5 3 1 2 原機構添加平衡裝置l6 3 1 3 原機構整機布局優(yōu)化1 8 3 2 焊接機械手的標準化設計1 9 3 2 1 標準化設計定義及內容1 9 3 2 2 標準化設計準則及流程2 0 3 3 焊接機械手標準化優(yōu)化設計2 3 i v 3 3 1 焊接機械手防塵優(yōu)化設計2 3 3 3 2 焊接機械手防滑優(yōu)化設計2 4 3 3 3 焊接機械手防銹優(yōu)化設計2 5 3 3 4 焊接機械手潤滑優(yōu)化設計2 6 3 3 5 焊接機械手行程過載保護優(yōu)化設計2 7 3 3 6 焊接機械手后期維護優(yōu)化設計2 9 3 4 小結3 2 第4 章焊接機械手關鍵部件有限元分析3 4 4 1 使用工具概述3 4 4 1 1u g n x 軟件簡介3 4 4 1 2u gc a e 分析模塊3 5 4 2 基于n a s t r a n 有限元分析步驟3 6 4 2 1 有限元模塊分析3 7 4 2 2 建立有限元模型3 7 4 2 3 分析和查看結果3 8 4 3 主要部件基于n a s t r a n 有限元分析3 8 4 3 1 基座有限元分析。3 9 4 3 2 豎直梁有限元分析4 2 4 3 2 橫梁模塊有限元分析4 5 4 4 焊接機械手的誤差分析4 8 4 4 1 焊接機械手誤差成因4 8 4 4 2 焊接機械手誤差解決方案5 0 4 5 本章小結5l 第5 章焊接機械手控制系統(tǒng)策略優(yōu)化設計5 2 5 1 焊接機械手控制系統(tǒng)簡介5 2 5 2 焊接機械手焊接作業(yè)流程5 4 5 3 焊接機械手控制功能設計5 6 5 3 1 計數(shù)功能設計5 7 5 3 2 故障后斷點恢復功能設計5 7 5 3 3 電極帽自動補償功能設計5 9 5 4 本章小結6 1 第6 章總結與展望6 2 v 6 1 本文總結6 2 6 2 后期展望6 3 致謝6 4 參考文獻一6 5 附錄a 作者研究生期間發(fā)表的論文6 8 附錄b 作者研究生期間參與的科研項目6 9 v i 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 引言 第1 章緒論 伴隨著我國國內生產總值( g d p ) 以8 5 一9 的年平均速度穩(wěn)定增長，人 們對各種汽車的消費需求也不斷提高。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會保守估計，2 0 1 5 年 中國汽車產銷量將達2 5 0 0 萬輛，占全球汽車產量3 0 【。2 0 0 9 年汽車工業(yè)迅猛 發(fā)展，國產汽車產銷突破1 3 5 0 萬輛，正式超越美國，躍居世界第一位，成為全 球第一大新車市場。中國汽車銷量占全球汽車總銷量的比重如表卜1 所示。 表1 - 1 中國汽車銷量占全球汽車總銷量的比重 年份 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 92 0 1 02 0 1 1 全球銷量 5 5 6 15 8 9 7 6 0 6 7 6 3 7 2 6 5 7 7 6 8 5 6 7 3 2 7 7 0 5 3 6 0 9 87 7 6 t5 8 2 5 中國銷量2 3 83 3 34 4 65 0 95 7 77 0 08 4 3 9 0 2 1 3 6 71 8 3 01 4 1 3 全球增速 一5 6 3 5 3 4 7 一4 - 1 4 2 7 4 中國增速1 3 4 0 3 4 1 4 1 3 2 1 2 0 7 5 2 3 4 4 汽車發(fā)展受諸多因素影響，其中一個重要因素就是汽車上三大部件之一的 車身。汽車車身的作用主要是保護駕駛員以及構成良好的空氣力學環(huán)境。車身 是汽車的基本外形框架，車身同時也是汽車上所有零部件的安裝基礎，車身制 造質量的好壞對汽車的裝配質量及整車性能起決定性作用，而車身沖壓零件及 其焊接裝配的質量是影響車身質量的重要因素【2 】。在制造成本上，車身已占整車 的6 0 左右，隨著生活水平的不斷提高，以及人們對汽車的安全性、舒適性、外 觀等的追求，對車身焊接技術和制造設備提出了新的要求。 車身的焊接有多種工藝，最主要的是點焊，一般車型的車身焊點數(shù)就有 4 0 0 0 - 5 0 0 0 個。常見的焊接方式有人工焊接、焊接專機、焊接機器人等。隨著國 內汽車行業(yè)的快速發(fā)展，焊接機器入和焊接自動化專機在汽車行業(yè)中得到了一 定的推廣應用。但是人工焊接仍占焊接作業(yè)的主導地位，企業(yè)現(xiàn)有自動化焊接 設備占總焊接設備的1 5 左右。而國外同行業(yè)的先進企業(yè)焊接自動化設備占焊接 設備的比例為5 0 以上，部分已達到9 0 【引。對一些低端汽車產品來言，其利潤 不高，如果投入大批量的機器人代替人工焊接，前期投資和后期維護成本很高， 不適合采用高端的自動化技術。因此，為了提高企業(yè)的競爭力，開發(fā)出一種滿 武漢理工大學碩士學位論文 足低成本和一定自動化程度相平衡的精益化簡單自動化焊接系統(tǒng)勢在必行。 1 2 課題來源、研究目的及意義 1 2 1 課題來源 本課題來源于國內上汽通用五菱汽車股份有限公司與我校合作的焊接自動 化改造項目，鑒于目前我國汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，針對人力成本的不斷上升， 該企業(yè)致力于優(yōu)化產品的生產工藝，提高產品的質量和生產效率，因此對其現(xiàn) 有的自動化焊接設備進行優(yōu)化、改造和完善。開發(fā)出一種適應該企業(yè)商用車制 造體系即滿足較低制造成本和一定自動化程度相平衡的精益化簡單自動化焊接 系統(tǒng)，旨在以較低的投資實現(xiàn)商用車體系中車身部分區(qū)域焊接的簡單自動化， 減少單班生產人員，提高焊接質量的一致性，提高生產效率，優(yōu)化車間工藝布 局和人機工程等。 1 2 - 2 研究目的及意義 本文的主要目的是針對企業(yè)現(xiàn)有的微車白車身焊接機械手結構，為實現(xiàn)實 際生產線節(jié)拍要求，以及解決焊接機械手抖動過大的問題，對其進行結構及控 制策略的優(yōu)化設計，使其運用到現(xiàn)有的焊接生產線中，以提高焊接自動化效率。 該企業(yè)現(xiàn)有的焊接生產線是以人工焊接為主，一方面焊接的生產效率低、工人 勞動強度高；另一方面，對工人的焊接技能和經驗要求高，否則難以保證焊接 工作的穩(wěn)定性和一致性。而且市場上機器人自動焊接系統(tǒng)價格昂貴，需要專業(yè) 技術人員維護，用工業(yè)機器人自動焊機代替人工焊接并不適合該企業(yè)的發(fā)展。 該企業(yè)針對生產的汽車車身部分焊點的特征，設計出了成本較低的簡易焊接機 械手，但在實際應用中存在抖動量過大、節(jié)拍速度低、功能表現(xiàn)不全面、結構 設計缺乏標準化等問題。 本課題研究的意義主要表現(xiàn)在以下幾方面： ( 1 ) 穩(wěn)定和提高了焊接質量一致性。只要根據(jù)給出的焊接參數(shù)和運動軌跡， 設計編程控制軟件，機械手就會精確重復此任務，焊接電流、電壓、焊接速度 及焊接時間等焊接參數(shù)對焊接結果起著決定作用。采用機械手焊接時，只要預 先設定好焊接參數(shù)和運動軌跡，焊縫質量受外界因素影響較小，因此焊接質量 穩(wěn)定【4 j 。人工焊接時。由于每個工人焊接技術不同，焊接條件不同，很難保證焊 接質量的一致性。 ( 2 ) 柔性化能力增強，適用于多品種多工位車型。焊接機械手控制系統(tǒng)只需 武漢理工大學碩士學位論文 要簡單的修改程序及工作參數(shù)和更改焊槍及焊接拼臺底座，就可以適用于不同 型號的汽車焊裝生產線，提高了汽車車身焊接的通用性，使多種車型能共線生 產，滿足了汽車多品種、更新快的特點，并且降低了汽車換型投資成本。 ( 3 ) 進一步提升焊接節(jié)拍，提高了焊接生產率。節(jié)拍是指單件零件或單項工 作完成所需的時間，包括焊接時間、裝夾時間、焊前處理、異常情況處理時間 等。通過對焊縫數(shù)量、長度、分布特點分析，重新設計焊鉗軌跡，編制新的程 序，以節(jié)約時間。 ( 4 ) 提高了焊點的焊接精度及焊接質量。本文主要通過兩個具體方法來解決 現(xiàn)有焊接機械手抖動過大的問題。一是添加機構增加穩(wěn)定性，在底座立柱后添 加后支撐，以防止使用過程中的前后抖動問題；添加承重梁、兩平衡器及平衡 器固定裝置。二是減輕負載，優(yōu)化整機布局降低抖動。 ( 5 ) 提高了安全性和可靠性。通過增加機械過載保護裝置和數(shù)控過載保護裝 置提高了使用中的安全性與可靠性。控制系統(tǒng)方面采用華中數(shù)控世紀星 h n c - 2 l i v i d 數(shù)控裝置，包括自動化作業(yè)、物流傳輸、車型識別、故障診斷、安全 防護等功能，添加防護開關進行過載保護，還可以對加工過程進行實時控制。 ( 6 ) 減少生產線單班次人員，降低生產成本。車身焊接簡單自動化系統(tǒng)雖前 期投資較高，但使用車身焊接簡單自動化系統(tǒng)后，將大大減少生產線單班次操 作工人的人數(shù)以及焊機的數(shù)量，隨著時間的累積，省下的人工費用將會盡快逐 步回收自動化設備的投資。尤其是近幾年，隨著國內人力成本的飛速上漲，用 車身焊接簡單自動化系統(tǒng)代替人工的優(yōu)點將會越來越明顯。 1 3 國內外研究現(xiàn)狀 眾所周知，隨著科學技術的發(fā)展，焊接逐步成為制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè) 中的重要加工手段【5 】。1 9 5 9 年，美國人英格伯格和德沃爾合作，共同研制出第 一臺工業(yè)機器人u n i m a t e 。6 0 年代初期，美國通用汽車公司首先采用點焊機械 手焊接汽車車身。從此，焊接機械手在世界范圍內得到了飛速發(fā)展。據(jù)不完全 統(tǒng)計，焊接加工領域的機器人占全世界機器人大約一半。一方面是提高焊接質 量和生產效率的需求；另一方面是節(jié)約人力成本的要求，國內外的勞動力成本 高，采用焊接自動化后，節(jié)約了人力成本。 美國、日本和歐洲等發(fā)達國家，汽車制造、車輛、造船及航空航天業(yè)的焊 接生產中，焊接機器人和焊接自動化專機的應用非常廣泛1 6 j 。1 9 7 6 年，由美國 通用公司設計的t i g 焊接機器人，可以實現(xiàn)焊縫的跟蹤檢測功能。1 9 8 0 年，日 武漢理工大學碩士學位論文 本研制成功第一個弧焊機器人。1 9 9 9 年通用公司成功研制出a r m 水下機器人， 可以用于清理、監(jiān)視焊縫、修復焊縫。2 0 世紀9 0 年代，日本學者成功研制出視 覺伺服焊接機器人，可對任何復雜焊縫進行識別和檢測并能精確跟蹤。2 0 0 0 年， 美國c a r n e g i em e l l o n 大學研制出四腿行走的焊接機器人，采用“遙控+ 自主”方 式工作，并成功運用于造船工業(yè)中。 目前，國際上的工業(yè)機器人公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、 f a n l u c 、o t c 、松下、n a c h 等公司的產品，歐系中主要有德國的k u k a 、 c l o o s 、瑞典的a b b 、意大利的c o m a u 及奧地利的i g m 公司的產品【7 j 。世界上 許多大型汽車企業(yè)，如美國通用、福特，日本豐田、日產，德國大眾、寶馬等， 都廣泛采用焊接機器人，并使用多臺焊接機器人組成的柔性焊接生產線，進行 汽車制造的焊接加工，大幅度提高了汽車質量、生產效率以及生產柔性。 我國機器人焊接應用起步較晚，從上世紀7 0 年代后期，才開始進行工業(yè)機 器人技術的研究和開發(fā)。隨著上世紀9 0 年代中期，焊接機器人作為我國重點進 行開發(fā)研究的工程應用項目，我國迅速掌握了焊接機器人應用工程開發(fā)技術、 關鍵設備制造及工程現(xiàn)場設備安裝調試等技術【8 】，研發(fā)出了一批具有自主知識產 權的焊接機械手。1 9 8 5 年，我國第一臺h y - 1 型焊接機器人在哈爾濱工業(yè)大學研 制成功。上海交通大學研制的“上海1 號”、“上海2 號”示教機器人也具有弧 焊和點焊的功能【9 1 。1 9 9 9 年7 月1 5 日，國家8 6 3 計劃智能機器入主題專家組驗 收通過了由一汽集團、哈爾濱工業(yè)大學和沈陽自動化研究所共同研發(fā)的h t 一 1 0 0 a 型點焊機器人【1 0 】。國內焊接機器人雖然取得了較快的發(fā)展，研發(fā)了一些具 有自主知識產權的焊接機器人，但大部分焊接設備仍然需要進口。與國外焊接 產品相比，國內焊接機器人在運行速度、最大負載、重復定位精度、焊接效率 等方面都存在很大的差距，價格方面也沒有競爭優(yōu)勢。 我國焊接機器人應用主要集中在汽車、工程機械、摩托車、鐵路機車等行 業(yè)。汽車是焊接機器人的最早用戶，也是最大用戶。1 9 8 4 年，“一汽”最早引用 焊接機器人，先后從k u k a 公司引進了3 臺點焊機器人，用于當時“紅旗牌” 轎車的車身焊接和“解放牌”車身項蓋的焊接【l 。隨后，“一汽”引進了捷達車 身焊裝車間的1 3 條生產線，每條生產線都由計算機來控制，自動完成工件的傳 送和焊接，其自動化率高達8 0 。2 1 世紀，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，國外汽車巨頭 不斷涌入，我國汽車行業(yè)的機器人數(shù)量迅速增長，國產汽車自動化率不斷提高。 4 武漢理工大學碩士學位論文 1 4 研究的主要內容 本課題研究目標是對現(xiàn)有微車白車身焊接機械手結構進行研究，分析導致 其負載過大及抖動的關鍵部件及因素，通過機械與控制策略的雙向優(yōu)化來提高 節(jié)拍，減小抖動量，以提高焊接效率及焊接穩(wěn)定性，使焊接機械手結構更加規(guī) 范化、標準化，提高使用壽命，降低制造成本。 本課題具體研究內容： ( 1 ) 機械結構優(yōu)化設計改進并完善焊接機械手機械系統(tǒng)。 ( 2 ) 優(yōu)化設計主要部件并進行靜力學分析。 ( 3 ) 控制策略優(yōu)化解決實際問題，完善機械手控制系統(tǒng)。 ( 4 ) 將大部分機械機構件選型為機械標準件，實現(xiàn)批量的低成本生產。 1 5 本文研究的主要任務和組織 1 。5 1 主要任務 ( 1 ) 對現(xiàn)有焊接生產線進行深入調研，了解焊接對象的工藝特點，根據(jù)焊 接生產線的生產需求及使用中遇到的實際生產問題找出焊接機械手的設計指標 及改進完善方法策略。 ( 2 ) 根據(jù)實際問題提出焊接機械手的優(yōu)化策略，對其機械結構優(yōu)化設計改 進并完善機械手機械系統(tǒng)結構，具體包括防銹、防塵、防滑、便于維護、過載 保護等優(yōu)化設計及現(xiàn)有不合理結構的改進，減輕負載，改善整機布局。 ( 3 ) 對焊接機械手優(yōu)化設計后的關鍵部件進行有限元分析，在u g 高級仿 真模塊中，運用n a s t r a n 解算器完成焊接機械手關鍵零部件的分析檢驗優(yōu)化 設計可靠性，并提出改進方法。 ( 4 ) 據(jù)分析出的實際問題，通過優(yōu)化數(shù)控部分控制策略，提出解決方法， 設計出適應現(xiàn)場實際使用要求的新功能，主要有計數(shù)功能、故障后斷點恢復功 能、電極帽自動補償功能，完善機械手控制系統(tǒng)。 1 5 2 本文組織 全文的內容如下： 第l 章為本文的緒論部分，該部分主要介紹了本文的課題來源、研究目的 及意義并詳細介紹了國內外針對焊接機械手的研究現(xiàn)狀，提出本文的主要研究 內容。 第2 章為焊接機械手研究分析部分，主要對本文優(yōu)化提到的焊接機械手做 武漢理工大學碩士學位論文 了簡介，說明了其使用條件、應用范圍及設計的技術指標，針對現(xiàn)場樣機使用 情況提出使用過程中存在的機械結構及控制策略問題及應對解決辦法。 第3 章為焊接機械手結構優(yōu)化部分，該部分以標準化設計為主要思想，通 過對標準化設計的內容了解，提出標準化設計準則及流程，結構上主要從原結 構防抖動優(yōu)化設計和新結構標準化設計兩個方面進行。原結構防抖動優(yōu)化設計 上主要是添加平衡機構和優(yōu)化整機布局并減輕相關連接件的負載。新結構的標 準化設計主要從防塵、防滑、防銹、潤滑、過載保護及方便以后維護等方面進 行。 第4 章為焊接機械手的主要結構件性能分析及優(yōu)化部分，通過使用u g 軟 件的c a e 分析模塊介紹研究，建立基于n a s t r a n 有限元分析步驟，對焊接機 械手的主要部件進行有限元分析，驗證優(yōu)化結果的合理性，并提過更好的改進 措施。 第5 章為焊接機械手的控制系統(tǒng)策略優(yōu)化部分，該部分首先概述了運動控 制分析，對焊接機械手使用的控制系統(tǒng)做了簡要介紹，舉例說明了焊接機械手 的作業(yè)流程，提出了三個新的控制功能以解決現(xiàn)場使用中存在的控制策略問題： 計數(shù)功能、故障后斷點恢復功能、電極帽自動補償功能。 第6 章全文總結，主要是對本文所做的工作進行總結，并提出了文中存在 的不足與改進之處。 武漢理工大學碩士學位論文 第2 章焊接機械手研究分析 2 1 焊接機械手簡介 在車身焊接線中，目前常見的焊接方式有人工焊、多點焊、機器人焊等。 人工點焊由工人手持點焊鉗逐點對工件進行焊接。其柔性大、成本相對較 低，但是存在人工定位不準確、焊點一致性質量和外觀質量不高、特殊位置焊 點人機工程差等弊端，且隨著國內人力成本的不斷上升，人工焊接的成本也將 越來越高。 專機多點焊是指為特定工件設計制造的焊機，其上安裝的多把點焊槍同時 進行工作。其適用于具有焊點位置分布密集，且分布特征有共性、接頭搭邊小、 操作困難、焊接質量難以保證等特征的工件，但是設備投資多、專用性強，制 造成本及維修費用高，只適用于某一種產品焊接，對涉及到結構強度的電阻點 焊難以同時保證多點的焊接質量，且柔性程度低。 機器人點焊是指利用集成有伺服焊槍的機器人按預規(guī)劃的軌跡沿工件表面 運動逐點焊接。其功能強大、自動化程度高、運動精度高、質量一致性好、柔 性能力強，但前期投資和后期維護成本高，且需要配備專門的技術人員，不利 于大面積快速推廣。 將簡單自動焊接技術與常用的焊接技術在安全性、成本、焊接質量等方面 進行對比，各項技術指標對比如表2 1 所示。 表2 - 1 各項技術指標對比表 焊接方式 人工 直線伺 一體式機器 指標權重 焊服焊傀儡焊簡易機 人 械手 安全性高 0 134 54 555 5 成本低實旋成本 o 4 5 4 54 543 運行成本 o 454 54 54 54 焊接質量高 o 434 54 555 5 、 工作效率高 0 42 5554 54 5 工人技能操作人員 o 254 54 543 5 武漢理工大學碩士學位論文 要求低 維護人員 o 254 54 54 53 5 適用范圍廣 0 352 53 54 55 總分( 權重分值) 1 01 0 41 0 71 0 7 51 0 2 5 由上表可知，一體式簡易機械手焊的綜合性能優(yōu)于其他焊接方式。 機械手( m e c h a n i c a lh a n d 或m a n i p u l a t o r ) ，又名機械手臂，是一種代替 人的手臂進行搬運或加工的機械裝置。機器人( r o b o t ) ，各界學者對機器人定 義不一，美國機器人協(xié)會定義機器人為，“一種具有可編程能力的，通過預先設 定的可編程動作，能完成搬運各類材料、零件、工具或專用裝置等各種任務的 多功能機械手 【l2 1 。日常生產生活中，并未嚴格區(qū)分兩者關系，人們常把機械 手和機器人劃等號。隨著計算機和電子信息技術的快速發(fā)展，從工業(yè)角度看， 機械手通過簡單添加數(shù)控系統(tǒng)基本可實現(xiàn)可編程自動化控制，因此這種看法也 不是無道理的。 隨著新科技的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的自動化程度越來越高，機器人也越來 越廣泛的運用到工業(yè)領域中，從世界工業(yè)機器人的應用統(tǒng)計來看，工業(yè)機器人 主要應用在焊接、噴涂及噴漆、裝配、搬運和上下料等方面，從行業(yè)情況來看， 目前主要應用于汽車制造業(yè)、工程機械、機車車輛等重要行業(yè)【l3 1 。其中應用最 廣泛的領域是汽車工業(yè)及汽車零部件制造業(yè)。而工業(yè)機器人當前的運用主要集 中在焊接( 弧焊、點焊) 、搬運、沖壓、裝配、檢測、噴漆、碼垛、精密加工( 研 磨拋光和激光加工) 等領域。在各個領域中分布情況如圖2 - 1 所示。 目疆焊 一點攆 口上鞫卸鞫 0 裝配 一物$ 3 擻運 瑤鑄造 一、孛壓 a 噴涂 一奠它 圖2 - 1 工業(yè)機器人在各領域的分布狀況 焊接機械手( w e l dm a n i p u l a t o r ) ，從名稱上看就是運用于焊接工藝的專用 武漢理工大學碩士學位論文 工業(yè)機器人，與涂膠機械手，噴漆機器人一樣，廣泛應用于鋼鐵和汽車行業(yè)中。 其實這些工業(yè)機器人本體結構與運行動作極為相似，只因末端執(zhí)行器的不同而 有所不同。焊接機械手因焊接工藝的不同又可分為點焊機械手和弧焊機械手。 焊接機械手人具有焊接質量穩(wěn)定，焊接一致性高，安全可操作性高，焊接 效率高等特點，廣泛應用于汽車、通用機械、工程機械、兵器工業(yè)和金屬結構 等行業(yè)。 本文研究的一體式簡易焊接機械手基礎模型簡如圖2 - 2 所示。 l 1 底座2 底座支撐柱3 、1 1 、1 6 、1 7 伺服電機4 、1 0 、1 5 聯(lián)軸器5 、8 、 2 2 導軌6 、9 、1 4 絲杠7 滑塊1 2 豎直支撐柱( 豎直梁)1 3 橫梁1 8 減速機1 9 小齒輪2 0 回轉支承2 1 一體化焊機2 3 底座支撐加強筋 圖2 2 一體式簡易焊接機械手機構簡圖 2 2 焊接機械手使用條件及參數(shù) 2 2 1 使用條件 一體式簡易焊接機械手是焊接機器人的簡化，可完成在近似平面分布的三 武漢理工大學碩士學位論文 維焊點。其外形與搖臂鉆床相似，占地空間較焊接機器人小，成本低，效率高。 對于分布相對密集、較規(guī)則、近似平面的焊點，例如側圍窗框、側圍流水 槽、車門框等，可采用簡易焊接機械手。 焊接機械手的焊機按照結構形式分可分為一體式和分體式，一體式是指焊 鉗與變壓器集于一體，分體式是指焊鉗與變壓器分離。根據(jù)現(xiàn)場生產線相關工 位工藝特性，采用一體式結構，可將其直接放置在簡易焊接機械手上，隨旋轉 機構一起運動，而分體式必須使用水冷電纜，水冷電纜不適合旋轉角度過大的 場合。 三維空間分布的焊點，焊接時無論是位置精度的把握還是工藝布置都相對 較難，而一體式簡易焊接機械手，具有良好的人機交互方式，能夠預先設定焊 點軌跡。有高精度、高效率等優(yōu)點，能夠完成這些位置的焊接。 以某車型尾門焊接為例，焊點分布近似平面，可利用多自由度焊接單元中 的一體式簡易機械手焊接系統(tǒng)對圖2 - 3 中標識焊點進行焊接，控制系統(tǒng)采用數(shù) 控集成，依次完成焊點焊接。 圖2 - 3 某車型尾門內邊框焊點 一體式簡易焊接機械手采用多軸聯(lián)動，焊接效率高，可靠性高，故障率低， 操作、維護簡單。 2 2 2 技術指標 衡量焊接機械手性能的技術指標主要有：重復定位精度、最大負荷、工作 行程、最大速度、加速度等。這些指標關聯(lián)了機械手的系統(tǒng)功能及智能化程度， 決定了機械手系統(tǒng)的整體結構和控制方式。 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 ( 1 ) 重復定位精度取決于焊接對象的重復定位精度，決定了整個機械手定位 的精度誤差。 ( 2 ) 最大負荷取決于搭載對象的的重量，決定了整機的剛性能力和尺寸大 小。 ( 3 ) 工作行程是針對不同的焊接對象位置布局設計而出，決定了各軸的尺寸 以及運動行程。 ( 4 ) 最大速度和加速度受兩焊點之間的距離和擬定節(jié)拍限制，影響了電機轉 速和焊接過程中整機的抖動等問題，在整機設計中起到關鍵作用。根據(jù)生產節(jié) 拍，確定機械手所需加速度值，加速度計算流程如圖2 4 所示。 圖2 4 加速度計算流程圖 負載最大速度受節(jié)拍和兩焊點之間的距離限制。在節(jié)拍相同的情況下，兩 焊點之間的距離越大，負載的最大速度越大；當兩焊點之間的距離相同的情況 下，節(jié)拍越高，負載的最大速度越大。負載的最大速度是伺服電機選型的一個 重要參數(shù)，它直接決定了電機轉速。 武漢理工大學碩士學位論文 2 3 焊接機械手存在實際問題及解決辦法 2 3 1 存在問題 隨著國內人力成本的不斷增加，通過提高自動化水平來減少人工成本已經 成為國內各汽車生產企業(yè)的共識，因此焊接自動化必將得到廣泛應用，并作為 企業(yè)贏得競爭的一大利器。但是一體式簡易焊接機械手的樣機在現(xiàn)場使用過程 中存在以下問題。 1 機械結構方面存在問題主要表現(xiàn)為： ( 1 ) 焊接質量不足，焊接效率較低。現(xiàn)場實際使用中焊接機械手進行焊接 時，焊接機械手加速驟停時抖動較明顯，導致焊接質量不足，焊接精度不高， 焊接質量一致性較差。且由于抖動問題明顯，必須降低焊接速度，導致焊接效 率較低。 ( 2 ) 焊接柔性度差，增大了生產成本。由于工廠不同的車門車型之間的焊 接拼臺不同，所以焊接機械手針對不同的車門車型工位需重新設計結構，以解 決各接拼臺的定位安置問題，也就相應的增加了制造及設計成本，增大了生產 成本。 ( 3 ) 機械結構設計欠規(guī)范化、標準化，系統(tǒng)不完善。很多機械結構設計時 沒有考慮批量化問題，導致很多部件存在加工制造困難和加工精度不高等問題， 影響了制造成本。還有一些功能性設計沒有添加，沒有考慮到焊接機械手的使 用壽命，后期維護等問題。這都無形中增加了生產成本，降低了焊接效率。 2 控制策略方面存在的問題表現(xiàn)為： ( 1 ) 缺少計數(shù)功能。工人加工生產線工件時，需對其焊接數(shù)量做統(tǒng)計，以 便記錄工作標準，但焊接機械手不能辨識焊接件數(shù)量，增加了工人的勞動，且 人工計數(shù)易出錯，導致信息不準確等錯誤。同時需要對焊接點數(shù)進行實時記錄。 ( 2 ) 缺少斷點恢復功能。人工焊接時，現(xiàn)場出現(xiàn)斷電等意外后，焊接停止， 但再次開始時，可依次進行焊接繼續(xù)，但焊接機械手不具備繼續(xù)焊接能力，需 重新在載入程序，進行重新焊接，工作極為不便，且降低了工作效率。 ( 3 ) 缺少自動磨損補償功能。人工焊接時，焊接幾個班次后，統(tǒng)一對電極 帽做修磨處理，但在焊接機械手焊接時，由于沒有人工參與，無法確定電極帽 是否磨損，且磨損多少，若在焊接過程中，發(fā)現(xiàn)焊接質量不合格，需要停下機 器，修復電極帽，大大降低焊接效率，且存在一定的焊接風險無法確定焊點質 量，萬一磨損且焊接后，就會造成公司損失，加大制造成本。 武漢理工大學碩士學位論文 2 3 2 解決方法 焊接機械手使用過程中暴露出一些問題，也可能不是全部問題，因此焊接 機械手的設計優(yōu)化是很有必要的。通過對焊接機械手的設計優(yōu)化，使焊接機械 手達到最開始的設計思想，延長使用壽命，減少制造成本，提高焊接效率及穩(wěn) 定性。 針對以上實際使用中存在的問題，提出以下改進完善策略。 機械結構方面主要表現(xiàn)為三點： ( 1 ) 可通過添加獨立的底座設計，并優(yōu)化底座結構，以適應不同的車門車 型工序工位，軟件方面華中數(shù)控可通過編程解決焊點軌跡問題適應不同車門的 不同焊點軌跡。 ( 2 ) 提高焊接質量一致性及焊接效率的根本問題就是解決震動抖動問題， 而這一問題的源頭則為負載過大問題。因此，減負載成為首要任務，本文通過 優(yōu)化整機布局減輕負載，并添加平衡裝置降低焊接機械手運動過程中產生的抖 動等問題。 ( 3 ) 將大部分機械機構件選型為機標準件，以規(guī)范化，模塊化結構，實現(xiàn) 批量的低成本生產，并且以標準化的設計思想、設計準則從防塵、防滑、防銹、 潤滑、過載保護、便于后期維護等方面著重進行標準化優(yōu)化設計。 控制方面主要添加三個具體的功能： ( 1 ) 可在控制系統(tǒng)中添加計數(shù)功能，既可減輕工人強度，又可避免錯誤， 且數(shù)據(jù)可信精確。 ( 2 ) 可在控制系統(tǒng)中添加斷點修復功能，即可解決由于意外等造成的中斷 行為，進一步提高焊接效率。 ( 3 ) 添加電極帽的自動磨損補償功能，即可使焊接機械手在焊接過程中， 如果出現(xiàn)電極帽的磨損，可焊接一次完成后進行自動補償，調整焊機電極帽偏 移量，以滿足焊點質量，保證焊接質量的一致性，降低制造成