機器人焊接空間焊縫質(zhì)量智能控制技術(shù)及其系統(tǒng)研究

2004年度國家科學技術(shù)進步獎二等獎。 2100433B

主要完成人：吳 林、陳善本、邱 濤、呂偉新、林 濤、楊春利、高洪明、戴 明、張廣軍、田勁松

主要完成單位：哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學

研究空間曲線焊縫機器人焊接質(zhì)量智能控制的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)途徑。研究了機器人焊接避磁路徑和參數(shù)的自主規(guī)劃技術(shù)并研制了離線規(guī)劃劃仿真軟件；采用維視覺技術(shù)實現(xiàn)對初始焊位的識別、自動導引、焊縫跟蹤和機器人運動協(xié)調(diào)控制；研究基于視覺圖象傳感、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)相結(jié)合的脈沖TIG焊熔池動態(tài)過程的智能化傳感、建模與控制方法，使系統(tǒng)具有自學習和自適應的功能；研制了九自由度弧焊機器人的集成系統(tǒng)一焊接柔性加工單元，采用離散事件理論的Peteri網(wǎng)方法對其進行了建模與優(yōu)化。實現(xiàn)了空間曲線焊縫機器人焊接全過程的質(zhì)量智能控制。若干關(guān)鍵技術(shù)成果已成功地應用于航天飛行器等國防裝備的焊接制造樣件實驗或型號實際生產(chǎn)。

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。

世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)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(cè)置式機器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，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(qū)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（平行機器人），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(jié)構(gòu)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100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機器人。

上述兩種機器人各個軸都是作回轉(zhuǎn)運動，故采用伺服電機通過擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅(qū)動。在80年代中期以前，對于電驅(qū)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。