四自由度微车焊接机械手控制系统研究与设计

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３．３系统插补算法确定…………………………………………………。２７３．４数据采样插补………………………………………………………。２８

３．４．１数据采样直线插补……………………………………………．２８

３．４．２数据采样圆弧插补……………………………………………２９

３．５本章小结………………………………………………………………３１第４章控制系统软件设计……………………………………………………３２

４．１插补程序设计………………………………………………………．．３２

４．１．１点焊机运动过程………………………………………………３２

４．１．２插补软件程序设计……………………………………………．．３３

４．１．３ＰＬＣ插补程序设计……………………………………………３５

４．２ＰＣ与ＰＬＣ通信实现…………………………………………………３９

４．２．１ＰＬＣ串行通信…………………………………………………．３９

４．２．２ＶＣ＋＋６．０串口通信程序设计…………………………………４１

４－３控制系统软件整体设计………………………………………………４２

４．３．１上位机软件设计………………………………………………４２

４．３．２原点搜索复位实现……………………………………………４３

４．３．３轨迹显示实现…………………………………………………４５

４．４本章小结………………………………………………………………４７第５章系统参数设定与试运行………………………………………………４８

５．１伺服参数设定………………………………………………………．．４８５．２焊机使用与参数设定…………………………………………………４９

５．２．１焊接使用………………………………………………………４９

５．２．２焊机参数设定…………………………………………………４９

５．３系统试运行…………………………………………………………．．５１５．４本章小结……………………………………………………………。５２６．１全文总结……………………………………………………………。５３６．２未来展望………………………………………………………………５４

Ｖ第６章总结与展望……………………………………………………………５３致谢………………………………………………………………………………５５参考文献…………………………………………………………………………５６附录Ａ作者研究生期间发表的论文………………………………………．．５９附录Ｂ作者研究生期间参与的科研项目…………………………………．．６０

第１章绪论

１．１论文的背景及研究意义

我国汽车产业从２００２年开始进入到爆发式快速增长阶段，图１为我国近五年汽车产销趋势图。近五年来随着我国国民经济的持续增涨，我国汽车２００７年产量为８８８．２４万辆，销量为８７９．１５万辆，到２０１１年我国汽车产量和销量快速增长１８４１．８９万辆和１８５０．５１万辆。伴随着我国汽车产销的持续增长，０９年国家出台“减征购置税”、“汽车下乡”、“以旧换新”三大汽车产业鼓励政策，我国微车行业发展尤为迅速，国内各大微车制造企业屡创产销佳绩。我国一些微车生产厂家发展势头迅猛，但企业生产效率和自动化程度严重与企业自身规模不相匹配。

图１．１近五年汽车产销趋势图

汽车生产制造是一个规模宏大而且系统复杂的工程。汽车生产的主要四大生产线分别为冲压生产线、焊装生产线、涂装生产线和总装生产线等【ｌ】。汽车焊接生产线是将车身各冲压零件装配焊接成白车身的自动化设备，承担将冲压零件分级焊接成焊接合件的任务。汽车车身焊接生产线的发展在国外主要经历了四个阶段。第一阶段即６０年代以前，焊接生产线上大量工人采用悬挂式电焊机对车身进行焊接生产；第二阶段即６０年代到８０年代初期，大量多点自动焊和机械手被装配到焊接生产线上以完成对车身焊接生产任务；第三阶段即８０年代中期以后，汽车焊接生产线的兼容和柔性是这一阶段的主要发展方向；第四阶段即进入新世纪以后，高度自动化、多品种混流生产线和大规模定制生产是这一阶段国外焊接生产线的主要发展方向。由于车身冲压零件多使用薄钢板冲压

制成，因此在汽车焊接中大量使用电阻点焊焊接方式。一般车型的车身焊点总数可达４０００到５０００个。汽车车身焊点质量的好坏直接关系着整车的质量和美观。我国某微车制造企业车身焊接主要仍采用人工焊接方式，其生产线投资低，设备维护简单，但是焊点分布不均匀、质量较差、人机工程较差。机器人焊接具有自动化程度高、焊接质量好、柔性能力强等优点，但其前期投资和后期维护成本高，不利于该公司现有产品的成本控制，因此需要从企业实际生产情况出发，在人工和自动化生产方式之间作出一个满足较低制造成本和一定自动化程度的精益化平衡。

本课题针对车身焊接工艺进行自动化改造，在现有的人工焊接生产方式的基础上，设计出简易焊接机械手，通过减少生产线单班次人数，达到降低制造成本、提高焊接质量、改善人机工程等目的。

１．２焊接机械手国内外研究现状

１．２．１工业机械手简介

机械手按照仿生学设计成人的手和臂的结构，并能实现一些简单的人手或臂的搬运、抓取等动作，机械手的运动需要首先设置好运动程序和轨迹。一般在工业生产中使用的机械手常被称为工业机械手【３Ｊ。机器手有着多种分类方式

【４】，按照适用对象可以分为专用和通用机械手；按运动驱动方式可分为电力传动机械手，机械传动机械手，液压传动机械手和气压传动机械手；按运动控制方式可分为连续运动轨迹控制和点位运动控制。工业机械手一般由伺服驱动系统、运动控制器、检测传感装置和机械本体四个部分组成，能在三维空间中实现各种运动作业，并能实现可重复编程的自动控制。工业机械手特别适合变批量和多品种的柔性生产需求；在一定程度上可以改善劳动者的劳动强度，提高产品生产效率，稳定和提高产品自身质量。一个国家工业自动化水平的高低取决于降低工人的劳动强度，进而提高整个生产线的自动化水平；在恶劣的生产环境中，比如易燃易爆、放射性、高温低压、粉尘、有毒气体等情况下，都可以进

机械手坐标形式可以根据机械手手臂运动的不同形式和国标ＧＢ／Ｔ１２４６３－９０（１）直角坐标式：直角坐标式由三个直线运动组成，可以沿直角坐标系三２机械手的使用率。机械手在生产中应用可以提高产品质量，加强生产安全性，行正常的生产，不需要人进行生产，对于人类有非常重大的意义。中的规定分为四类【５Ｊ：

武汉理工大学硕士学位论文

轴直线运动，两轴或三轴可以实现联动。直角坐标系结构机械手优点是定位精度较高，结构形式简单；缺点是灵活性比较差，占地面积大但是工作范围小。

（２）圆柱坐标式：圆柱坐标式由两个直线运动和一个回转组成，通过组合运动实现定位。圆柱坐标式机械手和直角坐标式机械手相比的优点是占地面积小但是活动范围大，和直角坐标式机械手同样具有较高的定位精度，并且结构形式简单；缺点是Ｚ轴方向上会受到最低位置的限制。

（３）球坐标式：球坐标式由一个直线运动和两个转动组成，，通过组合运动实现定位。球坐标式动作灵活，占地面积小而工作范围大，但结构复杂，手臂摆角误差随手臂而放大导致终端误差较大。

（４）关节式：关节式机械手手臂运动类似人类的手臂可以作几个方向的转动以实现定位。关节式机械手相对于其他坐标形式的机械手的优点是通用性较强、工作范围较大、动作比较灵活；缺点是结构形式复杂，定位精度较差。

（ａ）直角坐标式（ｂ）圆柱坐标式

（ｃ）球坐标式（ｄ）关节式

图１—２机械手四种坐标型式

工业机械手设计流程如图１．３所示。工业机械手设计首先要对系统功能进行

３分析，结合实际调研情况和基础资料制定工业机械手的技术指标；在技术指标的基础上，设计出最合理的工业机械手机械结构方案；根据工业机械手机械机

图１．３机械手设计流程图

焊接机械手作为工业机械手的一个主要分支，因其焊接质量稳定、生产效伺服技术的快速发展为机械手的发展奠定了坚实的基础。在２０世纪７０年

４率高、降低人工劳动强度等优点被广泛应用于汽车制造等行业中。下面将分别介绍国内外焊接机械手发展、研究现状及在汽车行业中的应用。１．２．２国外焊接机械手发展及研究现状代，伴随着现代控制技术和计算机技术的发展，作为工业机器人的焊接机械手发展迅猛。焊接机械手发展过程：第一台焊接机械手是由美国通用汽车公司设计和生产的并于１９６０年投入生产使用。１９７６年，通用公司的焊接机器人ＴＩＧ实现了对焊缝的跟踪检测功能。水下实时焊缝检测焊接机器人由美国通用机器人公司于１９９３年开始着力研制，并于１９９９年成功研制出了具有此功能的ＡＲＭ水

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