机器人辅助的自动化机械加工焊接技术.pdf

自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.7 今日制造与升级 450引言随着制造业的发展和进步，自动化机械加工焊接技术在工业生产中起着越来越重要的作用。传统的手工焊接存在人工操作不稳定、效率低下以及质量难以保证等问题，机器人辅助的自动化机械加工焊接技术能够解决这些问题并提高生产效率和产品质量。因此，对机器人辅助的自动化机械加工焊接技术进行研究，具有重要的现实意义和应用价值。1 机器人辅助的自动化机械加工焊接技术概述1.1 自动化机械加工焊接的定义自动化机械加工焊接是指利用机器人或自动化设备进行焊接操作，实现焊接过程的自动化和智能化。随着工业自动化和智能化的不断发展，自动化机械加工焊接技术得到了广泛应用。它将传统的手工焊接替换为机器人执行焊接任务，具有高度的精确性、稳定性和效率，能够提高焊接质量和生产效率。1.2 机器人技术在焊接领域的应用概况机器人技术在焊接领域具有广泛的应用前景。机器人具有高精度、高重复性和灵活性等特点，能够完成各种复杂的焊接操作，并适应不同类型和形状的工件。常见的焊接机器人包括工业机器人、协作机器人和移动机器人等。工业机器人是最常用的焊接机器人，通过其灵活的机械臂和多轴运动系统，可以完成复杂的焊接路径和姿态控制。协作机器人能够与人类共同工作，具有传感器和安全装置，可以与人类进行合作式焊接操作。移动机器人是一类具有移动功能的机器人，可以在工作场景中自由移动和执行焊接任务，适用于大型工件或无法移动的工件的焊接1。2 机器人辅助的自动化机械加工焊接系统设计与优化2.1 机器人选择与配置2.1.1 机器人类型选择根据具体的焊接需求和工件特点，需要选择适合的机器人类型。常见的机器人类型包括 SCARA（选择性顺序接近机器人）、轨道式和关节式机器人。SCARA 机器人适用于焊接过程中需要进行较小范围、高精度的运动控制，如对小型工件的点焊操作；它具有快速准确的重复性和较小的占地面积，能够高效地完成焊接任务。轨道式机器人适用于大型工件的焊接，因为它可以沿轨道移动，覆盖大范围的工作区域；它具有较高的灵活性和运动范围，可以适应不同尺寸和形状的工件。关节式机器人具有多个关节连接，可以实现复杂的运动轨迹和姿态控制。它适用于需要较高自由度和灵活性的焊接任务；可以适应复杂形状的工件。根据具体的焊接需求和工件特点，可以选择适合的机器人类型来实现自动化机械加工焊接2。2.1.2 机器人配置和布局设计首先，需要确定机器人的数量和位置。这取决于焊接任务的需求和生产线的布局。如果焊接任务复杂且需要高产量，可以考虑使用多个机器人进行协同工作，以提高焊接效率。其次，需要划分机器人的工作区域，根据工件的尺寸和形状来确定。这样可以确保机器人能够自由移动并执行焊接任务，避免与其他设备或工人发生碰撞。最后，需要选择合适的末端工具和固定装置。根据焊接任务的要求，选择适当的末端工具和固定装置，确保机器人能够稳定地夹持工件进行焊接操作。通过合理的机器人选择和配置，可以实现机器人辅助的自动化机械加工焊接系统的高效运行和焊接质量的提升。摘要随着工业自动化的发展和智能机器人技术的成熟，机器人在焊接过程中的应用正逐渐取代传统手工焊接，以提高焊接质量、效率和生产灵活性。文章在对机器人辅助的自动化机械加工焊接技术进行一定论述的基础上，进一步探讨机器人辅助的自动化机械加工焊接系统设计与优化，分析其在焊接质量与效率方面的优化作用，有助于促进机器人辅助的自动化机械加工焊接技术应用的不断深入，进而推动焊接水平的不断提高，为焊接质量提供可靠保障。关键词机器人；自动化；加工焊接中图分类号TG43 文献标志码A机器人辅助的自动化机械加工焊接技术高晨（桂林鸿程矿山设备制造有限责任公司，广西桂林541000）自动化技术与应用 Automation Technology and Application46 今日制造与升级 2023.72.2 感知与导航系统2.2.1 传感器的选择和布置选择适当的传感器并进行合理的布置，以实现对焊接过程中的关键信息的感知和获取。其中，视觉传感器是一种常用的传感器类型，可以通过图像识别和处理技术来获取焊接工件的几何形状、位置和姿态等信息。通过视觉传感器的使用，机器人可以实现对焊缝的检测和跟踪，确保焊接操作的准确性和稳定性。力传感器也是一种重要的传感器，它可以测量焊接过程中施加在工件上的力和力矩，用于控制焊接过程中的力度和压力，以确保焊接质量和稳定性。通过选择合适的传感器，并进行合理的布置，可以为机器人提供必要的感知能力，实现对焊接过程中关键信息的实时获取。2.2.2 机器人路径规划与导航算法路径规划是指确定机器人在执行焊接任务时的运动路径，以实现高效、准确和安全的焊接操作。在机器人辅助的自动化机械加工焊接中，路径规划需要考虑工件的几何形状、焊接点的位置、工艺要求和机器人的运动能力等因素。通过合适的路径规划算法，可以确保机器人能够顺利地沿着预定的路径进行焊接操作，并避开障碍物或其他限制条件。导航算法是指确定机器人在工作区域内的位置和姿态，以便准确地导航和控制机器人的运动。导航算法可以利用传感器数据来对机器人进行定位和定向，以确保机器人能够精确地执行焊接任务，并在需要时进行实时调整。通过合理的路径规划和导航算法，可以提高机器人的运动效率和精确度，优化自动化机械加工焊接系统的性能和质量。2.3 控制与运动规划2.3.1 控制系统设计控制系统设计是为了实现对机器人的精确控制和稳定性。在焊接系统中，控制系统可以采用开环控制或闭环控制方法。开环控制是指根据预先设定的输入信号来驱动机器人的运动，但无法对实际输出进行反馈调整。闭环控制则包括对机器人的运动进行反馈测量，并通过比较实际输出与期望输出来调整控制信号。闭环控制通常更适用于焊接系统，因为它可以对机器人的运动进行实时调整，以适应焊接过程中的变化和干扰。控制系统的设计需要综合考虑机器人的动力学特性、运动范围和精度要求，选择合适的控制算法和参数，以实现对机器人运动的高精度和稳定控制。2.3.2 机器人的轨迹规划和插补算法机器人的轨迹规划和插补算法是为了确保机器人能够按照预定的路径进行运动，并实现焊接过程的精确性和连续性。轨迹规划涉及确定机器人在空间中的运动路径，通常基于给定的焊接任务和工件几何信息。通过合适的轨迹规划算法，可以生成平滑的轨迹，避免机器人的过快或过慢运动，同时考虑到工件的形状和焊接点的位置要求。插补算法则用于在规定的路径上生成机器人的轨迹点，以实现机器人的平滑运动和高精度焊接。插补算法可以根据给定的运动速度和加速度限制，计算机器人的位置和姿态，并生成适当的插补点，使机器人能够按照规定的路径和速度进行运动3。3 机器人辅助的自动化机械加工焊接质量与效率优化3.1 焊接过程监测与质量控制在机器人辅助的自动化机械加工焊接中，焊接过程的监测与质量控制是关键的环节。通过使用传感器技术，可以实时检测焊接过程中的缺陷和异常情况，并采取相应的控制措施，以提高焊接质量和效率。一种常用的传感器技术是视觉传感器，它可以用于检测焊缝的几何形状、尺寸和位置等信息。视觉传感器可以通过图像处理和分析算法，实时监测焊接过程中焊缝的形态和变化，并与预定的标准进行比较，以检测焊缝的缺陷和不良情况，如焊缝不饱满、焊缝偏移等。此外，还可以使用红外传感器来监测焊接过程中的温度分布，以确保焊接区域的温度控制在合适的范围内，避免焊接过程中的过热或过冷现象。除了传感器技术，实时监测和反馈控制系统也是焊接过程质量控制的重要手段。通过在机器人系统中集成实时监测和反馈控制系统，可以及时响应焊接过程中的变化和异常情况，并通过相应的控制策略进行调整和校正。例如，在焊接过程中，实时监测系统可以根据传感器的反馈信息，调整焊接参数，如焊接速度、电流和焊接头的位置等，以确保焊接过程的稳定性和一致性。这种实时监测和反馈控制系统可以通过机器人控制器和传感器之间的数据交互与处理来实现。3.2 焊接参数优化3.2.1 焊接参数的选择和调整首先，焊接参数的选择需要综合考虑材料特性、焊接工艺和焊接要求等因素。常见的焊接参数包括焊接电流、电压、焊接速度和焊接头形状等。这些参数的选择对于焊接过程的稳定性、熔深和焊缝形态有着重要影响。根据焊接材料的特性和要求，通过实验或模拟分析，可以确定适合的焊接参数范围，并进行调整和优化。其次，优化算法自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.7 今日制造与升级 47的应用可以帮助寻找最佳的焊接参数组合。常用的优化算法包括遗传算法、模拟退火算法和粒子群算法等。这些算法通过模拟自然界中的进化和优化过程，寻找最佳解决方案。在焊接参数优化中，可以使用这些算法进行参数搜索和优化。通过设定适当的目标函数，如焊接强度、焊缝形态的质量指标，结合参数范围和约束条件，优化算法可以搜索到最佳的焊接参数组合，以实现高质量焊接4。3.2.2 优化算法的应用通过建立数学模型，描述焊接参数与焊接质量之间的关系，可以通过求解优化问题来寻找最佳的焊接参数组合。常用的建模方法包括响应面法、人工神经网络和模糊逻辑等。这些方法可以通过实验数据或仿真结果，建立参数优化模型，并进行参数搜索和优化，以实现最佳的焊接质量和效率。3.3 焊接过程仿真与优化首先，数值模拟是通过建立焊接过程的数学模型和物理模型，利用计算机进行仿真和分析。数值模拟可以对焊接过程中的温度场、应力场和变形等进行预测和分析。常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和计算流体力学等。通过数值模拟，可以了解焊接过程中的热传导、熔化和固化等物理过程，并预测焊接过程中的温度分布、应力分布和变形情况。这有助于优化焊接参数和焊接工艺，以减少焊接变形、改善焊接质量。其次，优化方法可以与数值模拟相结合，对焊接过程进行优化。常用的优化方法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法和人工神经网络等。通过建立适当的优化目标和约束条件，结合数值模拟的结果，可以应用优化方法对焊接过程进行优化。例如，可以通过优化焊接参数、优化焊接路径和优化工艺参数等，以实现最佳的焊接质量和效率。优化方法可以搜索参数空间中的最优解，找到最佳的焊接参数组合，并提供决策支持和指导。最后，仿真结果的验证和实验验证是确保焊接过程仿真和优化的有效性的重要步骤。通过与实际焊接结果进行比对和验证，可以评估仿真模型的准确性和可靠性。实验验证可以通过在实际焊接过程中进行参数优化和工艺改进，以验证仿真结果的有效性，并验证优化方法的可行性和可靠性。同时，实验验证还可以用于评估优化结果的实际应用效果和经济效益5。4 结束语综上所述，机器人辅助的自动化机械加工焊接技术在提高焊接质量和效率方面具有巨大潜力。通过合理选择和配置机器人，优化感知与导航系统，设计和优化控制与运动规划，实现焊接过程监测与质量控制，以及仿真与优化，可以实现焊接工艺的优化和生产效率的提高。未来的研究可以进一步探索机器人辅助的自动化机械加工焊接技术在不同行业和领域的应用，提出更加创新和高效的解决方案，推动焊接技术的发展和进步。参考文献1 陈良浩，郭超，李小龙.液压支架单连杆机器人自动化焊接工艺的设计与应用J.山东煤炭科技，2023，41（4）：150-151，167.2 潘文联，成楠，郑黎明，等.焊接机器人自动化焊接的实现与探索J.焊接技术，2022，51（1）：72-75.3 郑建勇.关于自动化焊接机器人生产线的应用与优化J.内燃机与配件，2021（12）：182-183.4 孙静.自动化焊接机器人生产线的应用与优化分析J.中国高新科技，2021（6）：132-133.5 张安刚，夏福禄.自动化焊接机器人生产线的应用与优化分析J.中国设备工程，2020（18）：49-50.作者简介高晨（1994），男，广东信宜人，本科，助理工程师，主要研究方向为机械工艺。