自动跟踪焊接小车本体设计
1 选题背景及其意义
随着制造业的不断发展，传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求，提高焊接自动化程度已成为现代焊接工艺发展的关键问题。焊接机器人的发明使焊接自动化产生革命性的进步，它的出现极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接工艺的生产效率和生产质量产生了质的飞跃。本文设计了一种能够完成焊缝自动跟踪系统的焊接机器人系统。
焊接机器人已经广泛应用于汽车、工程机械、摩托车等行业，极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。同时改善了工人的劳动环境。移动焊接机器人由于其良好的移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，成为解决大型焊接结构件自动化焊接的有效方法。目前, 国内多为手工电弧焊,其焊接时间长、劳动强度大、生产效率低。采用自动焊接技术是提高焊接效率、降低焊工劳动强度和生产成本的有效途径,也是我国焊接技术的一个发展方向。
为此, 需要开发自动焊接技术。焊接小车是自动焊接技术的主要部分, 其控制性能直接影响焊接质量。薄板长直焊缝的焊接，出于成本考虑，部分企业仍采用手工焊接。手工焊接存在焊接效率低、焊缝质量差、变形大等问题，易出现裂纹、未熔合等焊接缺陷，而常规的自动焊接机，设计较为简单，适用性不强，虽然焊接效率较高，焊缝质量也比较好，但在整个焊接过程中不易控制，焊接质量和效率得不到很好的提高。
2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）
焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段，发展成为制造业中一项基础工艺，一种生产尺寸精确的产品的生产手段。传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。近20年来，在半自动焊、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。焊接机器人的诞生是焊接自动化革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式，从而使中小批量的产品自动化焊接成为可[1]。
焊接机器人已经广泛应用于汽车、工程机械、摩托车等行业，极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。同时改善了工人的劳动环境[2]。但是，现在焊接领域中自动化程度最高的手臂式机器人在使用时有两个局限性：一个是它的活动范围较小，因为它像一个手臂，手臂长1.5~2米，也就是其活动半径，所以焊接的工件不能太长，最大范围也不能超过2米。二是它必须用编程或示教进行工作，对不规则的焊缝，特别是在焊接过程中焊缝发生形变时，则很难适应。然而，许多大型工件体积非常庞大，而且必须在工地和现场进行焊接。例如：石化工业中的大型储油罐、球罐，造船业中的各种轮船，对这类产品的焊接，就很难实现自动化，许多建设工作仍然采用人工焊接。因此，给焊接机器人加装各种传感器，使它们具有焊接路径自主获取、焊缝跟踪以及焊接参数在线调整等能力，具有很高的实用价值。机器人焊接过程的自主化和智能化已经成为科研工作者的一个研究重点。移动焊接机器人由于其良好的移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，成为解决大型焊接结构件自动化焊接的有效方法。尽管自主移动机器人的实用化研究还不够完善，但移动机器人是解决无轨道，无导向，无范围限制焊接的良好方案。
3 研究内容
3.1自动跟踪式焊接小车的基本工作原理
小车在电机的驱动下沿一定的路径行走，焊丝在焊丝传动机构的驱动下被送到焊炬端部从而完成焊接步骤。考虑到有些角焊缝的焊接需求可以采用焊炬的摆动来满足工作需求，有些焊缝的高度需求可采用焊枪的高度调节来满足不同情况下的焊接需求。
3.2小车行走机构
小车行走机构是通过一个电机带动一个减速装置，从而带动小车的行走。由于焊接时小车的行走速度比较的慢，初步设计为涡轮蜗杆减速。
3.3焊丝传动机构
焊丝传动机构用于焊丝的传动，主要由电机，主送丝齿轮，焊丝压紧轮，导向管等组成。
3.4 焊炬摆动机构
摆动机构的设计其目的主要是为了满足对角焊缝焊接的要求，使焊枪可以一直垂直于焊缝。
3.5 焊枪高度调节机构
主要由一个丝杆螺母滑块机构组成，该机构用于在高、低方向上调节焊枪，设计高度调节范围为60mm，位置精度为士0.5mm。
小车的结构简图如下所示:
1.焊剂斗 2.焊丝传动机构 3.焊枪摆动机构 4焊枪高度调节机构
5.焊丝存储轮 6.小车行走机构
图1 焊接小车机构简图
4 研究方案
4.1 总体方案
根据焊接小车的基本结构，对其进行设计主要是根据焊接小车的速度的快慢，焊枪的高度调节范围，焊缝的大小对焊炬的摆动进行设计等。同时还要考虑工作的环境和生产实际对小车的外形进行设计。
初始要求为：
1.焊枪的摆幅
25mm
，2.滑块的有效行程为60mm，
3.摆速为0-200cm/min
4.2 拟采取的技术措施
1.焊枪是焊接工作的主要部件，其设计为主要的设计
通过查资料，有同学做的焊剂下料口与焊丝出口有一定距离，且不能转动，当要立焊或者焊缝是斜线的时候，由于焊丝在焊剂下料口后面并又一段距离，具有一定的滞后性，导致焊剂并不能铺在焊缝上，达不到焊接的条件，故改变设计方案，将焊剂下料口做称直杆状，并与焊枪杆并行捆绑，使得焊剂下料口在焊丝出口前很短的距离，当立焊的时候，可以使焊剂铺在焊缝上面了。
缺点：当斜线焊缝的时候，如果斜率较大，焊剂就不能很好的铺在焊缝上，达不到很好的焊接要求。综合考虑做成图示的形状。
图2 焊枪
2.焊炬摆动机构
电机带动小齿轮经一级减速带动大齿轮沿垂直方向旋转，齿轮和焊枪杆是在一起的，所以焊枪杆也随着齿轮的旋转而摆动，通过控制电机的频率可以改变焊枪杆摆动的角度，从而使焊枪可以一直垂直焊缝。
图3焊炬摆动机构
3.焊枪高度的调节
由于焊接时需要对焊枪的高度进行调节，可以采用丝杆螺母配合的十字滑块机构，通过丝杆的转动调节带动滑块的上下运动。
4.焊丝传动机构
送丝电机驱动主送丝轮及其主齿轮旋转，通过主、从动齿轮啮合传到压紧轮上，焊丝经导向管从两轮之间通过，使进入焊枪的焊丝被修整的比较直，以便在焊接过程中不会出现卡丝现象。
5 进度计划
2014年12月---- 2015年2月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。
2015年2月---- 2015年3月：焊接小车总体结构方案分析
2015年3月：焊接小车的行走机构的设计与计算
2015年4月----2015年5月：焊接小车各关键部件及装配图的绘制
2015年5月：编写毕业论文。
2015年5月----2015年6月：毕业答辩准备和答辩。
参考文献（总共至少15篇，英文至少3篇）
[1]林尚扬，陈善本，李成桐．焊接机器人及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2000
[2]郑国云．移动机器人角焊缝轨迹跟踪仿真及智能控制系统[C]．南昌大学硕士论文，2005
[3]潘际銮．现代弧焊控制在爬行式全位置弧焊机器人中的应用研究[J]．河北科技大学学报，2007，28(1)：1~4
[4]张柯，吕学勤，吴毅雄等．移动焊接机器人自寻迹坡口特征模型的建立[J]．材料科学与工艺，2004，增刊：35~38
[5]潘际銮．现代弧焊控制[M]．北京：机械工业出版社，2000
[6]Paul.Drews,Gunther Starke.Welding in The Century of Information Technology[J]. Welding in the World.1994,24:1~20
[7]J.D.Lane.Robotic,Welding State of the Art.Robotic Welding International Trends in Manufacturing Technology[J].IFS(Publication)Ltd.UK,1987:110
[8]林尚扬．从第13届埃森焊接展览会看焊接技术的走向[J]．中国机械工程，2004：67-69
[9]王彬．中国焊接生产机械化自动化技术发展回顾[J]．焊接技术，2000，29(3)：38~41
[10]潘际銮等．电弧传感理论模型及信息处理[J]．焊接学报，1996
[11]周律．基于视觉伺服的弧焊机器人焊接路径获取方法研究[C]．上海交通大学博士论文，2007
[12]欧光锋，张华等．履带式智能弧焊机器人焊缝跟踪控制系统[J]．机器人，2003，25(5)：448~451
[13]仝建刚，马培荪，陈俊梅．履带式磁吸附爬壁机器人壁面适应能力的研究[J]．上海交通大学学报，1999，33(7)：851~854
[14]张华，潘际銮等．无导轨全位置爬行式弧焊机器人系统．机械工程学报[J]，2006，42(7)：85~91
[15]P Drews and G Starke,Development Approaches for Advanced Adaptive Control Automated Arc Welding.Automation and Robotisation in Welding and AlliedProcesses,Proceedings of the International Conference,Pergamon Press,France,1985:115~124
[16]刘正文．爬行式弧焊机器人控制系统设计、仿真与实验研究[C]．南昌大学硕士论文，2005
[17]R.Kovacevic,Y.M.Zhang. Neuro-fuzzy model-based weld fusion state estimation[J].IEEE Transactions Control System Technology,1997,5(4):30~42
[18]张华，刘伟力，刘国平等．基于PLC控制的爬行式智能弧焊机器人系统的研制[J]．中国机械工程，2003，15(5)
[19]张华,谷争时,潘际銮. 爬行全位置焊接机器人半履带小车 [p].中国专利：02265203.5,2003-5-14.
[20]仝建刚，马培荪，陈俊梅．履带式磁吸附爬壁机器人壁面适应能力的研究[J]．上海交通大学学报，1999，33(7)：851~854
