1. 研究目的与意义

现今科学技术飞速发展，国力日渐强盛，公共交通作为利国利民的基础设施愈发完善，而城市地铁作为现代公共交通的重要组成部分迅速发展，而其配套设施，零件和构件如自动门的需求量日益剧增。而随着机器人技术的发展创新，相关技术遍地开花，日趋成熟。对于重复大量作业来说，相对于传统手工焊接，机器人作业高效精准，焊接产品质量稳定，生产效率高。且站在人工的角度，焊接作业环境对人体健康不友好，使用机器人可以改善一线工人的劳动条件，采用机器人焊接逐步替代人工焊接是大势所趋。

意义：

本次毕业设计的内容是轨道列车门焊接机器人机械系统的设计，主要任务：轨道门焊接机器人总体布局及变位机设计。孤立的一台机器人在生产中没有任何价值，只有根据作业内容、工作形式、质量和大小等工艺因素，给机器人配以相适应的辅助机械装置等周边设备，机器人才能成为实用的加工设备。将一台或多台工业机器人与相适应的系统称为工业机器人工作站或机器人工作单元。焊接机器人工作站的工位布局可采用单工位、双工位等多种形式。本次主要研究机器人工作站及变位机的设计。

2. 课题关键问题和重难点

在设计自动门焊接机器人的过程中，我认为其关键问题在于： 1．变位机的设计选型 2．变位机载荷的计算与校核 3．控制系统的设计 难点： 1. 工业机器人只是整个作业系统的一部分，如何设计作业系统工装包括变位器、辅助设备等周边设备，应对它们进行集成系统集成，使之构成一个相互联系的系统，才能完成任务，满足生产需求。 2．焊接变位机的精度受翻转机构的同心度影响，尤其是承载自动门框架这类较大工件，在设计时应在选材及结构上考虑以实现良好的同心度。 3.焊接在焊接参数上不仅是个难点，其关键还在于生产流程的分配、卡具的设计制造、生产节拍能否满足要求。 4.设计焊接变位机承载工件及焊接所需工装，主要作用是在焊接过程中实现将工件进行翻转变位，以便获得最佳的焊接位置，可缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。 5.焊接变位机运动系统的设计是焊接变位机方案设计的核心内容，而焊接变位机运动自由度的设计，如平动或转动的设计。此次研究的难点在于设计变位机机械组成，工作原理，其中回转机构的设计是关键。 6.在设计总体工作台时，对于变位机工作台的受力状况及变形进行分析，知其变形量大，不宜忽略。

3. 国内外研究现状（文献综述）

当前，国内外对于弧焊机器人及配套变位机的研究较为丰富。通过对搜集到的文献进行梳理可以发现。当前的研究主要集中于以下几个方面。 1.国外研究综述 （1）变位机控制系统 （Yu Shi，Ding Fan，2005）数控机器人变位机的开发对弧焊机器人焊接柔性制造中心(WEMC)的设计至关重要。控制系统以2轴伺服电机控制卡为核心,采用基于Fuzzy和PID控制方法的双模控制器作为位置控制器。在双模控制器中,模糊控制器和PID控制器的输出同时作用于对象,但模糊控制器和PID控制器的权值不同,其误差大小也不同。这种结构有效地避免了从一个控制器切换到另一个控制器时的震荡。双模控制器提供了对焊接定位器位置的精确控制。本文对高精度数控焊接变位机的构成设计和实时控制软件进行了详细的理论分析,并介绍了一种多任务实时控制软件的设计与实现方法,在实际应用中取得了良好的效果。 （2）变位机运行的模拟仿真 （Bin Wu Wang，Yan Hua Sun，Wen Zhang，2012）本文基于三轴数控定位机电系统动力学模型,结合一般的非线性解耦控制理论,提出了数控三轴定位的解耦控制方法。为了对各轴进行控制和解耦控制的仿真,利用MATLAB软件的Simulink平台搭建了数控定位的机电系统仿真模型。结果表明,所提出的非线性解耦反馈控制方法是有效和适用的。 （3）复杂条件下焊接变位机的设计流程 （.R.Alagesan，2014）文章介绍了一种主要用于火力发电厂锅炉集管制造的合金钢材料的焊接变位机设计思路。这种集管是用GTAW焊接工艺进行根部焊接，手工SWAW进行填充焊接，但是这种方式可以被文中半自动焊接过程取代，即STT。主要方式是采用作者设计的新型变位机，用脉冲GMAW进行填充焊接，并且作者对焊接结果进行了包括X光片探测，机械测试，冲击测试和硬度测试等多项实验验证产品性能。 2.国内研究综述 （1）弧焊机器人与变位机的发展 （龚仲华，龚晓雯，2017）机器人的诞生和机器人学的建立是20世纪人类科学技术的最重大成就之一，是多学科综合的科技结晶，具有跨时代的意义。目前机器人已经应用到汽车、工程机械、食品、化工、冶金等行业，现在主要用于焊接、搬运、码垛等作业，其中焊接机器人占所有机器人的45%以上。传统焊接是人工焊接，对焊接工人技术要求高、效率低、焊接质量不稳定、危险有害，自动化焊接，也就是焊接机器人解决了传统焊接的这些弊端。焊接变位机作为焊接自动化设备的辅助装备，提高了焊接质量和焊接效率，是焊接机器人不可或缺的重要组成部分。在国外，焊接变位机与焊接机器人有一样久的历史。目前，在欧美、日本等发达国家，焊接自动化程度很高，焊接变位机的研究与使用技术已经非常成熟。其产品种类多样，在技术上有明确的定型，比如精度、载荷、使用范围等。目前国际上除了专业的研究机构外，比较出名的有美国aroson公司、德国severt公司等公司，他们以变位机为主导产品。像abb、安川、松下、cloos、igm等公司，不仅生产变位机还生产机器人，包括焊接机器人。目前，这些国外企业多数从焊接加工中心的角度对焊接变位机进行设计及研发，所研发的焊接变位机具有焊接机器人或其他焊接自动化设备联动的数据接口。成熟的控制系统，为加工提供了丰富的可控参数，使加工工程变得简单方便，加工质量进一步提高。焊接机器人工作站主要由两套伺服控制头位架变位机、两套焊接可翻转夹具、一套机器人本体、焊接控制。 （2）变位机的类型 （李素萍，李永刚，2013）随着我国焊接变位机的发展，变位机在我国的制造业当中已经变成一种必不可少的设备，在最近的十几年中，焊接变位机在我国的机械工程领域，得到了巨大的进步，并且取得了许多的瞩目。产品类型品种大约有十几个系列，100多个品种规格。在国内和国际范围，涉及到焊接定位，类型和分类，主要技术参数等目前还没有统一，甚至有一些混乱。目前国内焊接变位机较大市场份额被天津鼎盛公司工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位占有。截止到2000年，国内约70多品种规格的焊接变位机产品被开发。 变位机基本形式有全双回转式，侧翻-回转式，单回转式，双座单回转式，双座单回转尾架移动式，单座单回转（立式、卧式、斜式）。以上基本型产品发展了17个系列，主要为普通型，用于手把焊。此外，还有调速型、联控性(PLC、微机控制)和机器人配套型产品。与焊接机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。包括:工位变换变位机(不参与焊接)，如:立式双工位、四工位、八工位变位机，双座单回转式双位和倾翻回转式双工位变位机等;与机器人配套焊接变位机(机器人外部轴)，如:倾翻-回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动时等。通过对上述变位机型号的了解，配合工作内容，产品参数，可以选择合适形状，操控方式的变位机配合焊接机器人进行联动焊接作业，同时，也应考虑到所使用的滑台，与变位机上安装的夹具的配合运动，对焊接机器人工作站的整体布局有所取舍，使各个部件形成有机整体，相互配合，和同协作。 （3）拓展类型双工位三轴变位机 （李素萍，刘冰，马永，高宏伟，2022）三轴垂直翻转变位机在机器人焊接工作站中典型的应用实例、标准变位机的主要技术参数、三轴垂直翻转变位机的工作原理、结构设计、驱动选型。将模块化的思路贯彻到整个变位机设计的过程，三轴垂直翻转变位机的结构拆分成：驱动单元、从动单元、旋转机架、底座、首箱、尾箱等模块。每个模块有统一的安装尺寸，但是每个模块有不同的峁钩叽纾庋楹希杓瞥龆嘀掷嘈停愣嘀趾附蛹芯叩男枰视Ω惴旱幕魅撕附庸ぷ髡尽#65533; （4） 变位机设计理念 （万隆，2014）焊接变位机在工作时机器本身的运行速度有一定的调节范围，而且设备还有足够的结构刚度。在传动链中，应具有反行程自锁装置，因此，我们可以利用变频控制技术，在设备上设置翻转和旋转功能，以此达到避免需要机器突然停车或者电力供给突然停止时，发生事故造成重大伤害。对于焊接变位机，德尔玛有着非常丰富的设计经验，在70多年的实际应用中，形成了自身的独特的设计理念。除满足强度设计外，还充分考虑实际使用工况，如底座是否需要无基础平地摆放，工件预热温度对台面开裂变形的影响等等，并从设计、选材、加工工艺等方面来严格控制。二自由度焊接变位机机械的设计，首先将分析焊接变位机性能与结构，在这样的基础上将设计焊接变位机的总体方案，具体将分为结构形式、驱动模块以及回转结构设计。在分析数据与工作条件的基础上，最后确定课题中所选择的电动机。最后再确定回转机构的减速器设计，主要含有总传动比、分配、各轴功率与转速，传动零件的设计等。机械结构将有限元进行分析和计算,验证本次毕业设计设计的合理性与适用性。 （5）翻转系统设计 （潘际銮，2007）目前，现有的焊接变位机通常都由翻转、旋转两个部分组成，且两个部分是同时运动的，即旋转部分和翻转部分为共同运动。以德尔玛变位机为例，翻转驱动系统采用一台西门子伺服电机驱动二出轴的蜗轮蜗杆减速机，二出轴分别与两台平行轴的二级减速机相连，二级减速机再与DEUMA 特殊设计的齿轮系相连接。通过 DEUMA经过精密计算以及经验数据得出的齿轮中心距及变位系数等参数，以及左右齿轮系的差异化设计，使其能消除正反转所带来的齿间隙问题，极大地减小了变位机运转过程中的冲击载荷，增大了齿轮的使用寿命及安全系数。旋转系统设计。由于材料具有屈服极限和疲劳极限，当变位机吨位大到一定程度时，将无法依靠选取高强度材料或增加材料厚度来实现时，传动系统的设计将显得尤其重要。我们可以通过了解焊接变位机旋转部分的工作原理。回转驱动系统采用两台西门子伺服电机驱动行星减速机，从而带动两个小齿轮驱动回转轴承的方式来运转，两台西门子伺 服电机实现同步主、从控制，通过特殊的程序控制其同步性。 参考文献： [1] Yu Shi，Ding Fan. Research of Control System of Robotic WeldingPositioner [J]. Welding inthe World，2005 [2] Bin Wu Wang，Yan Hua Sun，Wen Zhang. The Control Simulation Analysis of MATLAB-BasedHigh-Precision Numerical Control Welding Positioner[J]. GuilinCollege of Aerospace Technology，2012 [3] . R.Alagesan，OPTIMIZATION OF WELDING CYCLE TIME BYESTABLISHING FULL GMAW PROCESS (STT AND P-GMAW) THROUGH A NEWLY DESIGNEDSEMI-AUTOMATIC WELDING POSITIONER[J]. International Journalof Research in Engineering and Technology，2014 [4] 李素萍，刘冰，马永，高宏伟. 机器人焊接系统中三轴变位机的标准化设计[J]. 成都；成都电焊机研究所，2022. [5]龚仲华，龚晓雯. 工业机器人完全应用手册[M].北京；人民邮电出版社，2017 [6]李素萍，李永刚. 变位机在机器人焊接工作站中的应用[J]. 机器人技术与应用，2013,(06) [7] 乔及森，王政，樊丁.焊接柔性加工单元中数控变位机运动精度的研究[J].中国机械工程学会焊接分会钢结构焊接国际论坛，2006 [8] 樊丁，姚洪杰，陈剑虹，周万坤.弧焊机器人用数控变位机的双模控制研究[J].第九次全国焊接会议，1999 [9]万隆 . 单片微型计算机应用技术[M]. 北京：清华大学出版社， 2014. [10]潘际銮. 现代弧焊控制[M].北京：机械工业出版社，2007.

4. 研究方案

本课题的目的是设计一套一焊接机器人为主体的焊接自动门的工作站。 我觉得首先需要阅相关文献资料，分析焊接机器人总体及变位机的基本原理、控制系统设计和基本结构的设计，其次了解自动门框架主要焊接工艺流程，根据其特点和不同之处设计并选择合适的柔性装夹方法，以此为基础设计所需要的焊接机器人总体和变位机，其中变位机的要求是能将工件移动到最佳位置并且能通过夹具定位工件，并采取建模制图软件设计、绘制图纸。 工作内容： （1）进行铝镁硅合金框架弧焊机器人工作站技术方案论证。 （2）研究配置工作站主要设备。我认为这套系统可以由以下几个部分组成：焊接机器人，焊接变位机，焊接夹具，焊接工作台，微机控制中心，上料下料皮带轮，机器人运动导轨等等。 （3）解决焊接过程中装、夹框架如何实现准确焊接的问题。高质量的弧焊作业需要机器人与变位机协同作业，协同作业的关键在于控制程序。弧焊机器人与数控变位机协同作业的机器人为六轴机器人。所选用数控变位机为二轴二自由度。机器人机构类型为垂直多关节型。初步估计焊接路径为直线和圆弧。 （4）确定焊接夹具的设计方案，夹具应具有良好的刚性及足够的夹紧力，并对一些弹性变形较大的部件有校正形状的功能。 （5）夹具定位准确、可靠，使用方便，具有良好的精度保持性，气动元器件(气缸、电磁阀、操作阀)釆用囱外进口产品。 （6）选择适宜的头尾架变位机。焊接变位机结构设计。一般焊接变位机双轴，有两个子自由度：回转和翻转。需设计其机架、驱动形式和电机选型、夹持装置、回转轴和侧翻轴的设计和校核、主要零件的设计计算；叙述工作原理，分析大致的运动规律。同时应考虑使用软件模拟机器人与变位机的三维运动范围模拟情景，以验证设计方案是否符合工作要求。并绘制主要零件图纸和装配图纸。 焊接工艺分析：分析门框焊接组件焊接的基本条件和主要参数；研究工艺方案，工艺路线设置为手工上料、机器人自动焊接、手工下料三个工序，实现上下料与焊接时间的重叠。 二自由度焊接变位机机械的设计，首先将分析焊接变位机性能与结构，在这样的基础上将设计焊接变位机的总体方案，具体将分为结构形式、驱动模块以及回转结构设计。在分析数据与工作条件的基础上，最后确定课题中所选择的电动机。最后再确定回转机构的减速器设计，主要含有总传动比、分配、各轴功率与转速，传动零件的设计等。

5. 工作计划

步骤： （1）进行原理分析、整体结构设计； （2）用AUTOCAD设计、绘制机器人工作站总体图； （3）设计、绘制变位机的装配图； （4）设计、绘制变位机的主要零件图； （5）撰写毕业设计论文。 计划： 第1周 完成英文文献翻译，同时在牍讨惺煜た翁獾谋尘埃醪搅私饪翁庵魈澹峤挥⑽姆敫傅祭鲜ε摹Ｓ⑽姆刖傅祭鲜ε暮细癫⑷啡虾螅胛暮驮木洗帘弦瞪杓乒芾硐低#65533;,译文封面用标准模板，并进行国内外现状调查. 第2周 收集资料，补充相关知识拟写开题报告并完善。 第3周 初步方案及结构形式确定，按照开题报告的方案，开始毕设课题的计算及设计。 第4周 在“毕设网”上完成“中期检查报告”的填写，按照指导老师要求修改完善内容。 第5周 对所做课题进行深入的学习和研究，着手完成系统总装配图设计、绘制零件图及设计计算，并校核涉及到的计算问题、并完善系统总装配图设计。 第6周 完成“毕业设计报告（论文）”的撰写、论文检测，上传毕设网. 第7周 准备答辩相关问题，整理设计思路，并进行答辩。