机器人焊接空间焊缝质量智能控制技术及其系统研究

2004年度国家科学技术进步奖二等奖。 2100433B

主要完成人：吴 林、陈善本、邱 涛、吕伟新、林 涛、杨春利、高洪明、戴 明、张广军、田劲松

主要完成单位：哈尔滨工业大学、上海交通大学

研究空间曲线焊缝机器人焊接质量智能控制的关键技术及实现途径。研究了机器人焊接避磁路径和参数的自主规划技术并研制了离线规划划仿真软件；采用维视觉技术实现对初始焊位的识别、自动导引、焊缝跟踪和机器人运动协调控制；研究基于视觉图象传感、模糊逻辑、神经网络和专家系统相结合的脉冲TIG焊熔池动态过程的智能化传感、建模与控制方法，使系统具有自学习和自适应的功能；研制了九自由度弧焊机器人的集成系统一焊接柔性加工单元，采用离散事件理论的Peteri网方法对其进行了建模与优化。实现了空间曲线焊缝机器人焊接全过程的质量智能控制。若干关键技术成果已成功地应用于航天飞行器等国防装备的焊接制造样件实验或型号实际生产。

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。

世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人（平行机器人），已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载100～150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。

上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺服电机通过摆线针轮（RV）减速器（1～3轴）及谐波减速器（1～6轴）驱动。在80年代中期以前，对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而80年代后期以来，各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点（TCP）的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹。