制造：温岭市风云机械人有限公司
出品：佛山铭川自动设备有限公司
HS-I型焊接工业机器人简要说明
国家自“七五”期间的科技攻关及实施“863”项目开始，就对机器人的研制、生产、应用给予了巨大的投入和支持；“十一五”的规划中，对机器人技术也给予了很高的重视；同时，今年2009国务院审议并通过的“装备制造业调整振兴规划”中也提出了要“依托国家重点建设工程实现重大技术装备的国产化和自主化”。由此可见，国家对于能够提升我国制造水平、提高产品质量的装备制造始终保持着巨大的投入和支持。
本公司针对上述市场背景和国家支持政策，自主研发了灵活性好、针对性强、成本低的“焊接工业机器人”，适用于汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。项目产品经广西玉林正菱汽车配件有限责任公司、广西玉柴达业机械配件有限公司等十几家公司使用，反映良好，市场前景广阔。 应用本项目产品的意义和特点：
焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。本焊接机器人有下列主要特点：
(1) 稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。
(2) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。
(3) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。
(4) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
(5) 可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
(6) 实时焊接参数可调节。机器人工作时，允许对如下运行参数的实时调节：焊枪行走速度、焊接电流、焊接电压、摆动的启闭控制、摆动的幅度、摆动的速度。在示教的时候，都会赋予这些参数一定的默认值。每当在机器人运行中，对这些参数进行实时修正的时候，系统都将自动记录下修正后的数据，并将这些修正后的数据保存以作为下次的运行参数。
项目焊接轨迹原理：
直线轨迹生成原理。在示教直线轨迹时需要输入两个坐标点。假定这里已经示教了两点:A点、B点。在A点，通过各位置传感器的数据，计算出A点立体坐标值。同样在B点也可以计算立体坐标值。采用一定的直线插补算法，就可以计算出在该直线上许多近乎连续的坐标点。这些坐标点就是焊接轨迹。再根据这些坐标点给四个臂分配动作脉冲。
圆弧或弧线段轨迹生成原理。在示教弧线时需要输入圆弧上的三个坐标点。假定这里已经示教了三个坐标点A点、B点、C点。先通过各位置传感器计算出这三点平面坐标。然后根据这三点平面坐标计算由这三点产生的圆心坐标和半径。至此，已知圆心、半径、圆弧上的一起始点(A点)、圆弧上的一终止点(C点)，这样就可以使用一定的插补算法计算在这圆弧上A点和C点之间的近乎连续的许多坐标值。这些坐标点就是焊接轨迹。最后根据这些坐标值，给四个臂分配动作脉冲。
复杂（空间）线段轨迹生成原理。使用全程示教的输入方式输入轨迹。手动操纵焊枪的端部沿需要焊接的焊缝顺序移动至焊缝终点，通过在焊枪端部的信号采集装置，系统自动生成示教点轨迹，给四个臂分配动作脉冲。快速高效地实现了对象级示教编程。
图1 焊接机器人软件工作流程图
项目产品结构：
如下图所示焊接机械手的底座上设置有竖轴，在竖轴上设置有可绕其转动的大摇臂，在大摇臂的外端部铰接一小摇臂，在小摇臂的外端部设置有一立轴，在立轴外设置有外套轴，在立轴的下端部铰接有焊枪头，大摇臂、小摇臂和立轴的转动及立轴和外套轴的升降均通过各自独立设置的电机带动、并由各自独立的编码器采集或测量其转动角度及升降位移信号，焊枪头的摆动由电子带动、并由编码器采集或测量其摆动角度信号，编码器采集或测量的位移和角度信号通过控制器控制各电机的转动以带动大摇臂、小摇臂、立轴、外套轴和焊枪头的动作。
小摇臂
大摇臂
图2 焊接机器人结构示意图
小摇臂的外部端设有发条弹簧平衡机构，用来平衡断电时的电机重力，大摇臂安装在底座的竖轴上可升降，其升降机构与之配套的升降电机和编码器受控制器控制。整个机器的单个转动或摆动部分都是用独立的电机带动，并用单独的编码器采集或测量其动作信号，提供给控制器做控制信号。
图3 工作现场
自主开发:
本项目旨在通过对已有的工业机器人技术研究、消化吸收的基础上，结合已经开展的焊接机器人样机试制的工作，开发出具有自主知识产权并能够实现批量化生产的焊接工业机器人，需要开展机器人的机械本体设计、机器人控制器的研究开发，进行焊接功能模块的开发和系统集成，并在上述基础上实施批量生产和行业推广应用。具体的研究内容如下：
1）机器人机械本体优化设计与制造
依据机器人进行弧焊的功能和精度需求，以产业化为目的，借鉴国外工业机器人产品的技术和经验，设计具有自主知识产权的弧焊机器人机械本体；根据弧焊机器人传动对定位精度、轨迹精度和运动速度的影响，进行机械传动设计；并进一步通过建立弧焊机器人的三维模型，结合运动学仿真算法，开展机器人机械结构的优化设计。
2）焊接机器人控制器设计与开发
以TMS320F2812作为系统的控制核心建立具有良好开放性的机器人控制器，如图2所示；并在下位机（TMS320F2812）上建立底层通用程序，包括：关节坐标系、世界坐标系、工具坐标系、用户坐标系的操作响应程序，以及直线插补、圆弧插补、S曲线插补、空间复杂曲线（如管道相贯线）插补的连续轨迹运动程序。
图4 基于TMS320F2812的运动控制系统
机器人由于惯量比较大，一旦电机控制系统出现失控，后果将非常严重，尤其是在焊接工业中，安全问题尤为重要。因此在设计中，对安全问题进行了充分考虑， 在软件上进行了相应的中断及报警处理设计，在硬件上进行了发条弹簧平衡装置设计。另外焊接机四周还设计安装了防护罩、废气吸收装置等。
建立同数字焊机的通讯协议。该通讯协议实现对焊机的启动、停止、收弧、焊接参数通道的选择等的控制。同时通讯协议也负责对焊接参数的反馈。
3）焊接机器人功能模块研发及系统集成
在工业控制计算机上建立一个能够实现可视化操作的人机交互系统，如图3所示，用于实现用户对机器人的示教编程操作。其中包括：在线示教编程、示教程序再现；工具标定、用户坐标系定义、程序的平移和镜像等辅助功能；摆动焊接编程功能；焊接过程中的引弧熄弧、电流电压控制等与焊接电源的通讯功能；基于3维模型的离线编程功能；以及工业控制计算机程序的解释，从而实现TMS320F2812控制核心的软硬件集成，并为进一步的拓展焊接机器人的智能化、自动化功能奠定基础。
图5 弧焊机器人的功能模块
4）研究对现有的焊机的改造，使用现有的焊机也可以实现同机器人的联网通讯。提高社会资源的利用率和产品的质量。
5）明确目标、合理优化、控制成本
根据焊接机器人的应用特点，设计适用、可行的技术指标；依据该目标进行焊接机器人设计，并进行合理优化。在机械本体设计、关键零部件选型时进行成本控制，使焊接机器人在价格上具有优势。
关键技术:
1）机械本体结构的刚性和灵活性 工业机器人采用垂直多关节型结构时，具有最大的运动范围，并且具有良好的柔性，能满足国内焊接行业灵活性，刚性要求。
2）焊接机器人的连续运动轨迹插补 在焊接过程中，弧焊机器人除了保证示教点的位置精度外，必须保证机器人焊枪末端按照设定的姿态沿焊缝进行精确的连续轨迹运动，常见的轨迹包括直线、圆弧，以及在实际工程中经常出现的复杂平面或空间的曲线（如管道相贯线）。对于相贯线焊缝，现有的弧焊机器人系统需要采用小段直线、圆弧或S曲线进行拟合，示教编程过程十分复杂、繁琐，常常需要数个小时来进行编程。
本项目运用现有的算法、技术和理论，结合控制核心提供的基本功能函数实
现常见的直线、圆弧、S曲线插补整合，使用户能够直接调用示教程序，快速实现在线示教和离线编程。
3）高效的对象级线下示教编程技术 采用手动控制焊枪沿所需焊线位置移动，控制核心通过安装在焊枪端的信号采集装置，自动记忆焊枪移动轨迹，快速实现示教编程。
4）与焊接电源的标准化通讯技术 焊接机器人需要根据实际焊接的要求确定合适的焊接方法和焊接工艺，需要配置不同的焊接电源，并且在施焊过程中需要与焊接电源进行实时的数据通讯，以控制焊接电流、电压以及起弧、熄弧过程。因此需要建立与焊接电源通讯的标准，实现机器人与不同焊接电源的通讯。
在本项目中，采用本公司开发的系列焊接电源，通过分析机器人与不同焊接电源通讯的需求和控制特点，建立合理的通讯方式和数据规范，并在焊接机器人控制器上构建专用的软硬件接口。
5）性能与成本的协调 现有国外的工业机器人的精度越来越高、速度越来越快；但是对于焊接过程来说，对机器人的精度和速度要求并不是很高,即在实际应用中，这些功能和特点并没有用到。而实现高精度和高速度需要高精密的机械加工和高精度的传动器件等，导致了成本显著增加。
根据弧焊机器人的应用特点，设计适用、可行的技术指标；依据该目标进行焊接机器人设计，并进行合理优化，在机械本体设计、关键零部件选型时就进行成本控制，以使弧焊机器人在价格上也具有优势，从而为确保实现产业化提供保证。
创新点一：自主研发了垂直多关节焊接机械手结构的焊接工业机器人，采用三支横向臂和一支立臂确定空间坐标，运动范围大、柔性好；设计了发条弹簧重力平衡机构，在断电的情况下，可避免因机械自重而产生位移。（发明专利申请号：[1**********]7.4）
目前，在企业组织产品生产中，需要将一些金属件金属板的连接部分进行固
定，即焊接，这种焊接大都采用手工焊接，不足之处在于：一是焊接质量取决于焊工的技术水平和操作时的发挥状态，焊接质量不稳定，工人劳动强度大，容易疲劳，直接影响产品的制造质量；二是焊接时的恶劣环境和有毒物质对工人的健康造成损害；三是手工焊接的生产效率低。有些企业虽然引进了国外先进的通用工业机器人，但是其价格昂贵，维修困难，且相应的扩展功能配件常常达到和机器人本体相同的价格，这是大多数企业所无法承担的，因此开发符合国情的，且焊接质量优秀的工业机器人势在必行。
我公司生产的机器人在机械结构上完全不同于目前市面上所使用的其他机器人。正是这种结构，才为低成本和焊接的高质量提供了可能。
三支横向的臂将确定机械臂的末端的水平坐标，立臂确定了立面的坐标，垂直多关节型结构，具有最大的运动范围和良好的柔性。这种结构保证了无论在得电或断电的情况下，都不存在由于机械自身重量问题，而向某一方向移动的可能。而使用国外普遍存在的六臂结构，为了克服自身重量，而不得不增加一个刹车装置。在小摇臂的外端部设置有发条弹簧平衡机构，发条的一端固定在小摇臂上，另一端通过钢索与立轴的下端连接，利用发条的回弹力，可平衡断电情况下电机的重力，使操作人员示教时移动焊接头时轻便。
图6发条弹簧平衡机构结构示意图
图7 焊接机器人结构图
如下图8是根据图7的几何关系作出的几何示意图。其中,立臂Z1固定在水平面上的o点，臂L1可绕立臂Z1上的a点在水平面上旋转，臂L2可绕b点在水平面上旋转，臂L3可绕d点在水平面上旋转，立臂Z2可绕c点做上下动作。焊枪安装在e点。
图8 焊接机械手几何示意图
只要确定了空间内的一个立体坐标系，则空间内的任何一个位置，在本立体坐标系上的相对坐标就确定了。
在水平面上放置三支关联的机械臂（L1,L2,L3），让这三支臂按照如下的规则相连：先将L1的前端连接于一立柱Z1上，L1可以绕立柱水平旋转，让L2臂的前端同L1的末端相连，并且L2可绕与L1的连接处水平旋转，让L3的前端同
L2的末端相连(在水平方向上，没有考虑垂直方向)，并且L3可绕其与L2的连接处水平旋转。如水平旋转三个臂适当的角度，则L3的末端可以到达水平面的任何位置，这样可产生水平的坐标系(X,Y)。
L3的前端绕L2的末端水平旋转，在L3的前端同L2的末端之间插入一支立臂Z2，立臂的作用是使得L3可以上下移动，以产生垂直坐标系(Z)。这样一个立体坐标系(X,Y,Z)产生了。
L1,L2,L3,立臂各分配一个动力驱动装置和位置传感器。位置传感器用于检测L1,L2,L3的旋转角度和立臂的升降位置。由于有时需要对宽焊缝的要求，所以在臂L3的末端设置了一个电机，同时该电机也用做调整焊枪焊接角度。
创新点二：自主研发对象级路径规划自学习编程技术，通过采集手动控制焊枪沿焊缝线移动的轨迹信号，自动记忆并生成控制程序；设计了位置偏移检测模块，实现焊接参数实时可调，提高了焊接的质量和效率。
本项目中除了通常的示教、再现的焊接作业编程应用程序外，还利用编码器采集焊缝位置信号，通过对焊缝所在曲线的特征分析，自动设计合理的焊缝上各点的焊枪姿态，从而实现对象级线下编程。
现有的编程方法，通常采用虚拟示教的方法，即在利用计算机图形图像技术建立的虚拟环境中，控制机器人模型在焊接路径上进行示教，记录各个示教的点机器人位置及（焊枪）姿态。然而利用这种方法，仍然是采用了比较复杂的示教编程的方式，即需要用户指定焊缝上关键点的焊枪姿态，对于很多复杂（空间）曲线的焊缝来说，这样的编程是极其不方便的。部分编程软件提供了简单的机器人位置和焊枪姿态自动设定，即一定程度的对象级编程，但仅能处理一些比较简单的情况。如ABB的robotstudio软件中，用户可以选择焊缝所在的曲线，然后以曲线生成焊接路径，并且焊枪的姿态可以参考某一个表面，解决了一部分问题，但对于复杂表面相交构成的焊缝仍然无能为力。
我公司生产的机器人采用自主研发对象级路径规划自学习编程技术。在选取特征点时，无须手动按键指令移动机械臂，只需操作工手动将机械臂快速的移动机械臂到所需要的位置上或沿需要焊接的焊缝顺序移动至焊缝终点，然后按一个按键，告诉控制器录入该坐标点或信号采集完毕即可。
图9 示教流程示意图
一般这种操作需要的时间在2秒钟内基本可以完成。事实上，在录入一非规则的曲线时，其效率会更高。经过测试，基本上是1秒/点。这在六臂型的机器人上是不可能实现的。六臂机器人需要不停的使用按键来调整机械臂，来达到所需要的位置，甚至有时需要动作12个按键才能控制机械臂到达目标位置。一个特征点的录入尚且需要如此长的时间，在连续多点输入时，这种效率差将非常明显。
图10 马鞍型焊缝
在实际焊接作业中复杂空间曲线的焊缝越来越多，其中相当多的是管线相交形成的相贯线类型的焊缝（马鞍型工件），如图7所示。通常对于这类焊缝是采用大量的平面线段（直线、圆弧、S曲线）拟合来实现，导致示教编程复杂、效
率低下，而且可能出现拟合效果差、焊接位置出现偏差的问题。如通常对马鞍形焊缝的示教编程需要30~60分钟，复杂的焊缝可能需要1~2个小时。而用本项目产品的示教方法，仅为1/10的时间，如此极大地提高了工作效率。
编程效率高，使在某些进口机器人无法胜任的应用领域，我们的机器人将得到用户的青睐。在有大批量应用领域，由于示教只需要一次就可以连续运行，进口机器人同我们生产的机器人看不出明显的区别。但在单工件（既示教一次，工作一次）的情况下，我们所生产的机器人有很大的优势。
表1单工件效率比较 比较参数
按键数
时间 R2400焊接机器人（ABB公司） >13 >15s 本项目产品 2
为确保焊接质量，我们在焊接机器人功能模块中设计了实际位置检测模块，并允许在机器人工作时，对如下运行参数的实时调节:焊枪行走速度、焊接电流、焊接电压、摆动的启闭控制、摆动的幅度、摆动的速度。在示教的时候
，都会赋予这些参数一定的默认值。每当在机器人运行中，对这些参数进行实时修正的时候，系统都将自动记录下修正后的数据，并将这些修正后的数据保存以作为下次的运行参数。
图11 控制系统软件模块
创新点三：自主研发了数控焊机可编程控制器，便于将传统焊机升级改造为数控焊机，使之成为具有联网通讯功能的焊接机器人。
通过深入有焊接作业的企业工厂观察，发现在工业机器人同传统焊机配套使用的情况下，生产产品的质量情况不稳定，难以达到高质量要求，另一方面我们也收到客户企业不希望淘汰现有传统焊机的要求。
针对这一情况，本公司开发出了一种具有一定灵活性的数控焊机可编程控制器，可以将已有的焊机改造成数控焊机同机器人进行联网通讯。
图12 数控焊机可编程控制器操作面板示意图
如图所示，焊接机器人通过通讯协议同数控焊机可编程控制器进行通讯，同时数控焊机可编程控制器使用隔离的数字电位器对送丝速度和焊接电压进行调节，在数控焊机可编程控制器的显示屏上能同时显示焊接机器人控制传统焊机的送丝速度和焊接电压参数。
传统焊机需要根据实际情况确定合适的焊接工艺，比如需要设置不同的焊接电源电流、电压和送丝速度，数控焊机可编程控制器通过数据接口，可接收焊接工业机器人的焊接一条焊缝的工艺参数，即焊接电压和送丝速度，显示在机顶盒的可视屏幕上，工人根据所显示的数据，选择手动或自动调节或微调传统焊机的焊接工艺参数。
图13 数控焊机控制器工作示意图
数控焊机控制器起着一个承上启下的作用，它接受并解析来自机器人控制器的命令，另一方面读取电焊机的焊接电压和送丝速度和电源电压，并将这些数据传送到机器人控制器中。
在实际工作中，需要实时调节焊接电压和送丝速度，数控焊机控制器会将调整过的参数传回机器人控制器。在下次再次焊接该部位时，则机器人控制器将上次的工作电压、送丝速度等参数传回数控焊机控制器。控制器解析这些数据并转换对焊机的各种参数进行控制，以保证这些参数与上次的一致。
项目实现的质量标准类型、标准名称
Q/WFY01-2009《HS-1400型智能焊接机器人》
通过项目实施企业新获得的相关证书情况
质量认证体系证书
国家相关行业许可证
专利证书 一项实用新型专利受理通知书，一项发
明专利受理通知书
技术、产品鉴定证书
制造：温岭市风云机械人有限公司
出品：佛山铭川自动设备有限公司
HS-I型焊接工业机器人简要说明
国家自“七五”期间的科技攻关及实施“863”项目开始，就对机器人的研制、生产、应用给予了巨大的投入和支持；“十一五”的规划中，对机器人技术也给予了很高的重视；同时，今年2009国务院审议并通过的“装备制造业调整振兴规划”中也提出了要“依托国家重点建设工程实现重大技术装备的国产化和自主化”。由此可见，国家对于能够提升我国制造水平、提高产品质量的装备制造始终保持着巨大的投入和支持。
本公司针对上述市场背景和国家支持政策，自主研发了灵活性好、针对性强、成本低的“焊接工业机器人”，适用于汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。项目产品经广西玉林正菱汽车配件有限责任公司、广西玉柴达业机械配件有限公司等十几家公司使用，反映良好，市场前景广阔。 应用本项目产品的意义和特点：
焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。本焊接机器人有下列主要特点：
(1) 稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。
(2) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。
(3) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。
(4) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
(5) 可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
(6) 实时焊接参数可调节。机器人工作时，允许对如下运行参数的实时调节：焊枪行走速度、焊接电流、焊接电压、摆动的启闭控制、摆动的幅度、摆动的速度。在示教的时候，都会赋予这些参数一定的默认值。每当在机器人运行中，对这些参数进行实时修正的时候，系统都将自动记录下修正后的数据，并将这些修正后的数据保存以作为下次的运行参数。
项目焊接轨迹原理：
直线轨迹生成原理。在示教直线轨迹时需要输入两个坐标点。假定这里已经示教了两点:A点、B点。在A点，通过各位置传感器的数据，计算出A点立体坐标值。同样在B点也可以计算立体坐标值。采用一定的直线插补算法，就可以计算出在该直线上许多近乎连续的坐标点。这些坐标点就是焊接轨迹。再根据这些坐标点给四个臂分配动作脉冲。
圆弧或弧线段轨迹生成原理。在示教弧线时需要输入圆弧上的三个坐标点。假定这里已经示教了三个坐标点A点、B点、C点。先通过各位置传感器计算出这三点平面坐标。然后根据这三点平面坐标计算由这三点产生的圆心坐标和半径。至此，已知圆心、半径、圆弧上的一起始点(A点)、圆弧上的一终止点(C点)，这样就可以使用一定的插补算法计算在这圆弧上A点和C点之间的近乎连续的许多坐标值。这些坐标点就是焊接轨迹。最后根据这些坐标值，给四个臂分配动作脉冲。
复杂（空间）线段轨迹生成原理。使用全程示教的输入方式输入轨迹。手动操纵焊枪的端部沿需要焊接的焊缝顺序移动至焊缝终点，通过在焊枪端部的信号采集装置，系统自动生成示教点轨迹，给四个臂分配动作脉冲。快速高效地实现了对象级示教编程。
图1 焊接机器人软件工作流程图
项目产品结构：
如下图所示焊接机械手的底座上设置有竖轴，在竖轴上设置有可绕其转动的大摇臂，在大摇臂的外端部铰接一小摇臂，在小摇臂的外端部设置有一立轴，在立轴外设置有外套轴，在立轴的下端部铰接有焊枪头，大摇臂、小摇臂和立轴的转动及立轴和外套轴的升降均通过各自独立设置的电机带动、并由各自独立的编码器采集或测量其转动角度及升降位移信号，焊枪头的摆动由电子带动、并由编码器采集或测量其摆动角度信号，编码器采集或测量的位移和角度信号通过控制器控制各电机的转动以带动大摇臂、小摇臂、立轴、外套轴和焊枪头的动作。
小摇臂
大摇臂
图2 焊接机器人结构示意图
小摇臂的外部端设有发条弹簧平衡机构，用来平衡断电时的电机重力，大摇臂安装在底座的竖轴上可升降，其升降机构与之配套的升降电机和编码器受控制器控制。整个机器的单个转动或摆动部分都是用独立的电机带动，并用单独的编码器采集或测量其动作信号，提供给控制器做控制信号。
图3 工作现场
自主开发:
本项目旨在通过对已有的工业机器人技术研究、消化吸收的基础上，结合已经开展的焊接机器人样机试制的工作，开发出具有自主知识产权并能够实现批量化生产的焊接工业机器人，需要开展机器人的机械本体设计、机器人控制器的研究开发，进行焊接功能模块的开发和系统集成，并在上述基础上实施批量生产和行业推广应用。具体的研究内容如下：
1）机器人机械本体优化设计与制造
依据机器人进行弧焊的功能和精度需求，以产业化为目的，借鉴国外工业机器人产品的技术和经验，设计具有自主知识产权的弧焊机器人机械本体；根据弧焊机器人传动对定位精度、轨迹精度和运动速度的影响，进行机械传动设计；并进一步通过建立弧焊机器人的三维模型，结合运动学仿真算法，开展机器人机械结构的优化设计。
2）焊接机器人控制器设计与开发
以TMS320F2812作为系统的控制核心建立具有良好开放性的机器人控制器，如图2所示；并在下位机（TMS320F2812）上建立底层通用程序，包括：关节坐标系、世界坐标系、工具坐标系、用户坐标系的操作响应程序，以及直线插补、圆弧插补、S曲线插补、空间复杂曲线（如管道相贯线）插补的连续轨迹运动程序。
图4 基于TMS320F2812的运动控制系统
机器人由于惯量比较大，一旦电机控制系统出现失控，后果将非常严重，尤其是在焊接工业中，安全问题尤为重要。因此在设计中，对安全问题进行了充分考虑， 在软件上进行了相应的中断及报警处理设计，在硬件上进行了发条弹簧平衡装置设计。另外焊接机四周还设计安装了防护罩、废气吸收装置等。
建立同数字焊机的通讯协议。该通讯协议实现对焊机的启动、停止、收弧、焊接参数通道的选择等的控制。同时通讯协议也负责对焊接参数的反馈。
3）焊接机器人功能模块研发及系统集成
在工业控制计算机上建立一个能够实现可视化操作的人机交互系统，如图3所示，用于实现用户对机器人的示教编程操作。其中包括：在线示教编程、示教程序再现；工具标定、用户坐标系定义、程序的平移和镜像等辅助功能；摆动焊接编程功能；焊接过程中的引弧熄弧、电流电压控制等与焊接电源的通讯功能；基于3维模型的离线编程功能；以及工业控制计算机程序的解释，从而实现TMS320F2812控制核心的软硬件集成，并为进一步的拓展焊接机器人的智能化、自动化功能奠定基础。
图5 弧焊机器人的功能模块
4）研究对现有的焊机的改造，使用现有的焊机也可以实现同机器人的联网通讯。提高社会资源的利用率和产品的质量。
5）明确目标、合理优化、控制成本
根据焊接机器人的应用特点，设计适用、可行的技术指标；依据该目标进行焊接机器人设计，并进行合理优化。在机械本体设计、关键零部件选型时进行成本控制，使焊接机器人在价格上具有优势。
关键技术:
1）机械本体结构的刚性和灵活性 工业机器人采用垂直多关节型结构时，具有最大的运动范围，并且具有良好的柔性，能满足国内焊接行业灵活性，刚性要求。
2）焊接机器人的连续运动轨迹插补 在焊接过程中，弧焊机器人除了保证示教点的位置精度外，必须保证机器人焊枪末端按照设定的姿态沿焊缝进行精确的连续轨迹运动，常见的轨迹包括直线、圆弧，以及在实际工程中经常出现的复杂平面或空间的曲线（如管道相贯线）。对于相贯线焊缝，现有的弧焊机器人系统需要采用小段直线、圆弧或S曲线进行拟合，示教编程过程十分复杂、繁琐，常常需要数个小时来进行编程。
本项目运用现有的算法、技术和理论，结合控制核心提供的基本功能函数实
现常见的直线、圆弧、S曲线插补整合，使用户能够直接调用示教程序，快速实现在线示教和离线编程。
3）高效的对象级线下示教编程技术 采用手动控制焊枪沿所需焊线位置移动，控制核心通过安装在焊枪端的信号采集装置，自动记忆焊枪移动轨迹，快速实现示教编程。
4）与焊接电源的标准化通讯技术 焊接机器人需要根据实际焊接的要求确定合适的焊接方法和焊接工艺，需要配置不同的焊接电源，并且在施焊过程中需要与焊接电源进行实时的数据通讯，以控制焊接电流、电压以及起弧、熄弧过程。因此需要建立与焊接电源通讯的标准，实现机器人与不同焊接电源的通讯。
在本项目中，采用本公司开发的系列焊接电源，通过分析机器人与不同焊接电源通讯的需求和控制特点，建立合理的通讯方式和数据规范，并在焊接机器人控制器上构建专用的软硬件接口。
5）性能与成本的协调 现有国外的工业机器人的精度越来越高、速度越来越快；但是对于焊接过程来说，对机器人的精度和速度要求并不是很高,即在实际应用中，这些功能和特点并没有用到。而实现高精度和高速度需要高精密的机械加工和高精度的传动器件等，导致了成本显著增加。
根据弧焊机器人的应用特点，设计适用、可行的技术指标；依据该目标进行焊接机器人设计，并进行合理优化，在机械本体设计、关键零部件选型时就进行成本控制，以使弧焊机器人在价格上也具有优势，从而为确保实现产业化提供保证。
创新点一：自主研发了垂直多关节焊接机械手结构的焊接工业机器人，采用三支横向臂和一支立臂确定空间坐标，运动范围大、柔性好；设计了发条弹簧重力平衡机构，在断电的情况下，可避免因机械自重而产生位移。（发明专利申请号：[1**********]7.4）
目前，在企业组织产品生产中，需要将一些金属件金属板的连接部分进行固
定，即焊接，这种焊接大都采用手工焊接，不足之处在于：一是焊接质量取决于焊工的技术水平和操作时的发挥状态，焊接质量不稳定，工人劳动强度大，容易疲劳，直接影响产品的制造质量；二是焊接时的恶劣环境和有毒物质对工人的健康造成损害；三是手工焊接的生产效率低。有些企业虽然引进了国外先进的通用工业机器人，但是其价格昂贵，维修困难，且相应的扩展功能配件常常达到和机器人本体相同的价格，这是大多数企业所无法承担的，因此开发符合国情的，且焊接质量优秀的工业机器人势在必行。
我公司生产的机器人在机械结构上完全不同于目前市面上所使用的其他机器人。正是这种结构，才为低成本和焊接的高质量提供了可能。
三支横向的臂将确定机械臂的末端的水平坐标，立臂确定了立面的坐标，垂直多关节型结构，具有最大的运动范围和良好的柔性。这种结构保证了无论在得电或断电的情况下，都不存在由于机械自身重量问题，而向某一方向移动的可能。而使用国外普遍存在的六臂结构，为了克服自身重量，而不得不增加一个刹车装置。在小摇臂的外端部设置有发条弹簧平衡机构，发条的一端固定在小摇臂上，另一端通过钢索与立轴的下端连接，利用发条的回弹力，可平衡断电情况下电机的重力，使操作人员示教时移动焊接头时轻便。
图6发条弹簧平衡机构结构示意图
图7 焊接机器人结构图
如下图8是根据图7的几何关系作出的几何示意图。其中,立臂Z1固定在水平面上的o点，臂L1可绕立臂Z1上的a点在水平面上旋转，臂L2可绕b点在水平面上旋转，臂L3可绕d点在水平面上旋转，立臂Z2可绕c点做上下动作。焊枪安装在e点。
图8 焊接机械手几何示意图
只要确定了空间内的一个立体坐标系，则空间内的任何一个位置，在本立体坐标系上的相对坐标就确定了。
在水平面上放置三支关联的机械臂（L1,L2,L3），让这三支臂按照如下的规则相连：先将L1的前端连接于一立柱Z1上，L1可以绕立柱水平旋转，让L2臂的前端同L1的末端相连，并且L2可绕与L1的连接处水平旋转，让L3的前端同
L2的末端相连(在水平方向上，没有考虑垂直方向)，并且L3可绕其与L2的连接处水平旋转。如水平旋转三个臂适当的角度，则L3的末端可以到达水平面的任何位置，这样可产生水平的坐标系(X,Y)。
L3的前端绕L2的末端水平旋转，在L3的前端同L2的末端之间插入一支立臂Z2，立臂的作用是使得L3可以上下移动，以产生垂直坐标系(Z)。这样一个立体坐标系(X,Y,Z)产生了。
L1,L2,L3,立臂各分配一个动力驱动装置和位置传感器。位置传感器用于检测L1,L2,L3的旋转角度和立臂的升降位置。由于有时需要对宽焊缝的要求，所以在臂L3的末端设置了一个电机，同时该电机也用做调整焊枪焊接角度。
创新点二：自主研发对象级路径规划自学习编程技术，通过采集手动控制焊枪沿焊缝线移动的轨迹信号，自动记忆并生成控制程序；设计了位置偏移检测模块，实现焊接参数实时可调，提高了焊接的质量和效率。
本项目中除了通常的示教、再现的焊接作业编程应用程序外，还利用编码器采集焊缝位置信号，通过对焊缝所在曲线的特征分析，自动设计合理的焊缝上各点的焊枪姿态，从而实现对象级线下编程。
现有的编程方法，通常采用虚拟示教的方法，即在利用计算机图形图像技术建立的虚拟环境中，控制机器人模型在焊接路径上进行示教，记录各个示教的点机器人位置及（焊枪）姿态。然而利用这种方法，仍然是采用了比较复杂的示教编程的方式，即需要用户指定焊缝上关键点的焊枪姿态，对于很多复杂（空间）曲线的焊缝来说，这样的编程是极其不方便的。部分编程软件提供了简单的机器人位置和焊枪姿态自动设定，即一定程度的对象级编程，但仅能处理一些比较简单的情况。如ABB的robotstudio软件中，用户可以选择焊缝所在的曲线，然后以曲线生成焊接路径，并且焊枪的姿态可以参考某一个表面，解决了一部分问题，但对于复杂表面相交构成的焊缝仍然无能为力。
我公司生产的机器人采用自主研发对象级路径规划自学习编程技术。在选取特征点时，无须手动按键指令移动机械臂，只需操作工手动将机械臂快速的移动机械臂到所需要的位置上或沿需要焊接的焊缝顺序移动至焊缝终点，然后按一个按键，告诉控制器录入该坐标点或信号采集完毕即可。
图9 示教流程示意图
一般这种操作需要的时间在2秒钟内基本可以完成。事实上，在录入一非规则的曲线时，其效率会更高。经过测试，基本上是1秒/点。这在六臂型的机器人上是不可能实现的。六臂机器人需要不停的使用按键来调整机械臂，来达到所需要的位置，甚至有时需要动作12个按键才能控制机械臂到达目标位置。一个特征点的录入尚且需要如此长的时间，在连续多点输入时，这种效率差将非常明显。
图10 马鞍型焊缝
在实际焊接作业中复杂空间曲线的焊缝越来越多，其中相当多的是管线相交形成的相贯线类型的焊缝（马鞍型工件），如图7所示。通常对于这类焊缝是采用大量的平面线段（直线、圆弧、S曲线）拟合来实现，导致示教编程复杂、效
率低下，而且可能出现拟合效果差、焊接位置出现偏差的问题。如通常对马鞍形焊缝的示教编程需要30~60分钟，复杂的焊缝可能需要1~2个小时。而用本项目产品的示教方法，仅为1/10的时间，如此极大地提高了工作效率。
编程效率高，使在某些进口机器人无法胜任的应用领域，我们的机器人将得到用户的青睐。在有大批量应用领域，由于示教只需要一次就可以连续运行，进口机器人同我们生产的机器人看不出明显的区别。但在单工件（既示教一次，工作一次）的情况下，我们所生产的机器人有很大的优势。
表1单工件效率比较 比较参数
按键数
时间 R2400焊接机器人（ABB公司） >13 >15s 本项目产品 2
为确保焊接质量，我们在焊接机器人功能模块中设计了实际位置检测模块，并允许在机器人工作时，对如下运行参数的实时调节:焊枪行走速度、焊接电流、焊接电压、摆动的启闭控制、摆动的幅度、摆动的速度。在示教的时候
，都会赋予这些参数一定的默认值。每当在机器人运行中，对这些参数进行实时修正的时候，系统都将自动记录下修正后的数据，并将这些修正后的数据保存以作为下次的运行参数。
图11 控制系统软件模块
创新点三：自主研发了数控焊机可编程控制器，便于将传统焊机升级改造为数控焊机，使之成为具有联网通讯功能的焊接机器人。
通过深入有焊接作业的企业工厂观察，发现在工业机器人同传统焊机配套使用的情况下，生产产品的质量情况不稳定，难以达到高质量要求，另一方面我们也收到客户企业不希望淘汰现有传统焊机的要求。
针对这一情况，本公司开发出了一种具有一定灵活性的数控焊机可编程控制器，可以将已有的焊机改造成数控焊机同机器人进行联网通讯。
图12 数控焊机可编程控制器操作面板示意图
如图所示，焊接机器人通过通讯协议同数控焊机可编程控制器进行通讯，同时数控焊机可编程控制器使用隔离的数字电位器对送丝速度和焊接电压进行调节，在数控焊机可编程控制器的显示屏上能同时显示焊接机器人控制传统焊机的送丝速度和焊接电压参数。
传统焊机需要根据实际情况确定合适的焊接工艺，比如需要设置不同的焊接电源电流、电压和送丝速度，数控焊机可编程控制器通过数据接口，可接收焊接工业机器人的焊接一条焊缝的工艺参数，即焊接电压和送丝速度，显示在机顶盒的可视屏幕上，工人根据所显示的数据，选择手动或自动调节或微调传统焊机的焊接工艺参数。
图13 数控焊机控制器工作示意图
数控焊机控制器起着一个承上启下的作用，它接受并解析来自机器人控制器的命令，另一方面读取电焊机的焊接电压和送丝速度和电源电压，并将这些数据传送到机器人控制器中。
在实际工作中，需要实时调节焊接电压和送丝速度，数控焊机控制器会将调整过的参数传回机器人控制器。在下次再次焊接该部位时，则机器人控制器将上次的工作电压、送丝速度等参数传回数控焊机控制器。控制器解析这些数据并转换对焊机的各种参数进行控制，以保证这些参数与上次的一致。
项目实现的质量标准类型、标准名称
Q/WFY01-2009《HS-1400型智能焊接机器人》
通过项目实施企业新获得的相关证书情况
质量认证体系证书
国家相关行业许可证
专利证书 一项实用新型专利受理通知书，一项发
明专利受理通知书
技术、产品鉴定证书