本文關(guān)鍵詞：四自由度微車焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

３．３系統(tǒng)插補(bǔ)算法確定…………………………………………………。２７３．４數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)………………………………………………………。２８

３．４．１數(shù)據(jù)采樣直線插補(bǔ)……………………………………………．２８

３．４．２數(shù)據(jù)采樣圓弧插補(bǔ)……………………………………………２９

３．５本章小結(jié)………………………………………………………………３１第４章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……………………………………………………３２

４．１插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)………………………………………………………．．３２

４．１．１點(diǎn)焊機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程………………………………………………３２

４．１．２插補(bǔ)軟件程序設(shè)計(jì)……………………………………………．．３３

４．１．３ＰＬＣ插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)……………………………………………３５

４．２ＰＣ與ＰＬＣ通信實(shí)現(xiàn)…………………………………………………３９

４．２．１ＰＬＣ串行通信…………………………………………………．３９

４．２．２ＶＣ＋＋６．０串口通信程序設(shè)計(jì)…………………………………４１

４－３控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)………………………………………………４２

４．３．１上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)………………………………………………４２

４．３．２原點(diǎn)搜索復(fù)位實(shí)現(xiàn)……………………………………………４３

４．３．３軌跡顯示實(shí)現(xiàn)…………………………………………………４５

４．４本章小結(jié)………………………………………………………………４７第５章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與試運(yùn)行………………………………………………４８

５．１伺服參數(shù)設(shè)定………………………………………………………．．４８５．２焊機(jī)使用與參數(shù)設(shè)定…………………………………………………４９

５．２．１焊接使用………………………………………………………４９

５．２．２焊機(jī)參數(shù)設(shè)定…………………………………………………４９

５．３系統(tǒng)試運(yùn)行…………………………………………………………．．５１５．４本章小結(jié)……………………………………………………………。５２６．１全文總結(jié)……………………………………………………………。５３６．２未來(lái)展望………………………………………………………………５４

Ｖ第６章總結(jié)與展望……………………………………………………………５３致謝………………………………………………………………………………５５參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………５６附錄Ａ作者研究生期間發(fā)表的論文………………………………………．．５９附錄Ｂ作者研究生期間參與的科研項(xiàng)目…………………………………．．６０

第１章緒論

１．１論文的背景及研究意義

我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)從２００２年開(kāi)始進(jìn)入到爆發(fā)式快速增長(zhǎng)階段，圖１為我國(guó)近五年汽車產(chǎn)銷趨勢(shì)圖。近五年來(lái)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增漲，我國(guó)汽車２００７年產(chǎn)量為８８８．２４萬(wàn)輛，銷量為８７９．１５萬(wàn)輛，到２０１１年我國(guó)汽車產(chǎn)量和銷量快速增長(zhǎng)１８４１．８９萬(wàn)輛和１８５０．５１萬(wàn)輛。伴隨著我國(guó)汽車產(chǎn)銷的持續(xù)增長(zhǎng)，０９年國(guó)家出臺(tái)“減征購(gòu)置稅”、“汽車下鄉(xiāng)”、“以舊換新”三大汽車產(chǎn)業(yè)鼓勵(lì)政策，我國(guó)微車行業(yè)發(fā)展尤為迅速，國(guó)內(nèi)各大微車制造企業(yè)屢創(chuàng)產(chǎn)銷佳績(jī)。我國(guó)一些微車生產(chǎn)廠家發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但企業(yè)生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度嚴(yán)重與企業(yè)自身規(guī)模不相匹配。

圖１．１近五年汽車產(chǎn)銷趨勢(shì)圖

汽車生產(chǎn)制造是一個(gè)規(guī)模宏大而且系統(tǒng)復(fù)雜的工程。汽車生產(chǎn)的主要四大生產(chǎn)線分別為沖壓生產(chǎn)線、焊裝生產(chǎn)線、涂裝生產(chǎn)線和總裝生產(chǎn)線等【ｌ】。汽車焊接生產(chǎn)線是將車身各沖壓零件裝配焊接成白車身的自動(dòng)化設(shè)備，承擔(dān)將沖壓零件分級(jí)焊接成焊接合件的任務(wù)。汽車車身焊接生產(chǎn)線的發(fā)展在國(guó)外主要經(jīng)歷了四個(gè)階段。第一階段即６０年代以前，焊接生產(chǎn)線上大量工人采用懸掛式電焊機(jī)對(duì)車身進(jìn)行焊接生產(chǎn)；第二階段即６０年代到８０年代初期，大量多點(diǎn)自動(dòng)焊和機(jī)械手被裝配到焊接生產(chǎn)線上以完成對(duì)車身焊接生產(chǎn)任務(wù)；第三階段即８０年代中期以后，汽車焊接生產(chǎn)線的兼容和柔性是這一階段的主要發(fā)展方向；第四階段即進(jìn)入新世紀(jì)以后，高度自動(dòng)化、多品種混流生產(chǎn)線和大規(guī)模定制生產(chǎn)是這一階段國(guó)外焊接生產(chǎn)線的主要發(fā)展方向。由于車身沖壓零件多使用薄鋼板沖壓

制成，因此在汽車焊接中大量使用電阻點(diǎn)焊焊接方式。一般車型的車身焊點(diǎn)總數(shù)可達(dá)４０００到５０００個(gè)。汽車車身焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著整車的質(zhì)量和美觀。我國(guó)某微車制造企業(yè)車身焊接主要仍采用人工焊接方式，其生產(chǎn)線投資低，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，但是焊點(diǎn)分布不均勻、質(zhì)量較差、人機(jī)工程較差。機(jī)器人焊接具有自動(dòng)化程度高、焊接質(zhì)量好、柔性能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其前期投資和后期維護(hù)成本高，不利于該公司現(xiàn)有產(chǎn)品的成本控制，因此需要從企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況出發(fā)，在人工和自動(dòng)化生產(chǎn)方式之間作出一個(gè)滿足較低制造成本和一定自動(dòng)化程度的精益化平衡。

本課題針對(duì)車身焊接工藝進(jìn)行自動(dòng)化改造，在現(xiàn)有的人工焊接生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)易焊接機(jī)械手，通過(guò)減少生產(chǎn)線單班次人數(shù)，達(dá)到降低制造成本、提高焊接質(zhì)量、改善人機(jī)工程等目的。

１．２焊接機(jī)械手國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

１．２．１工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介

機(jī)械手按照仿生學(xué)設(shè)計(jì)成人的手和臂的結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的人手或臂的搬運(yùn)、抓取等動(dòng)作，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需要首先設(shè)置好運(yùn)動(dòng)程序和軌跡。一般在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)械手常被稱為工業(yè)機(jī)械手【３Ｊ。機(jī)器手有著多種分類方式

【４】，按照適用對(duì)象可以分為專用和通用機(jī)械手；按運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可分為電力傳動(dòng)機(jī)械手，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手，液壓傳動(dòng)機(jī)械手和氣壓傳動(dòng)機(jī)械手；按運(yùn)動(dòng)控制方式可分為連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡控制和點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制。工業(yè)機(jī)械手一般由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器、檢測(cè)傳感裝置和機(jī)械本體四個(gè)部分組成，能在三維空間中實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)作業(yè)，并能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)編程的自動(dòng)控制。工業(yè)機(jī)械手特別適合變批量和多品種的柔性生產(chǎn)需求；在一定程度上可以改善勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，穩(wěn)定和提高產(chǎn)品自身質(zhì)量。一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的高低取決于降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平；在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，比如易燃易爆、放射性、高溫低壓、粉塵、有毒氣體等情況下，都可以進(jìn)

機(jī)械手坐標(biāo)形式可以根據(jù)機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的不同形式和國(guó)標(biāo)ＧＢ／Ｔ１２４６３－９０（１）直角坐標(biāo)式：直角坐標(biāo)式由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成，可以沿直角坐標(biāo)系三２機(jī)械手的使用率。機(jī)械手在生產(chǎn)中應(yīng)用可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)生產(chǎn)安全性，行正常的生產(chǎn)，不需要人進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)于人類有非常重大的意義。中的規(guī)定分為四類【５Ｊ：

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

軸直線運(yùn)動(dòng)，兩軸或三軸可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是定位精度較高，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是靈活性比較差，占地面積大但是工作范圍小。

（２）圓柱坐標(biāo)式：圓柱坐標(biāo)式由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)組成，通過(guò)組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手和直角坐標(biāo)式機(jī)械手相比的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小但是活動(dòng)范圍大，和直角坐標(biāo)式機(jī)械手同樣具有較高的定位精度，并且結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是Ｚ軸方向上會(huì)受到最低位置的限制。

（３）球坐標(biāo)式：球坐標(biāo)式由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組成，，通過(guò)組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位。球坐標(biāo)式動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手臂擺角誤差隨手臂而放大導(dǎo)致終端誤差較大。

（４）關(guān)節(jié)式：關(guān)節(jié)式機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)類似人類的手臂可以作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)定位。關(guān)節(jié)式機(jī)械手相對(duì)于其他坐標(biāo)形式的機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是通用性較強(qiáng)、工作范圍較大、動(dòng)作比較靈活；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，定位精度較差。

（ａ）直角坐標(biāo)式（ｂ）圓柱坐標(biāo)式

（ｃ）球坐標(biāo)式（ｄ）關(guān)節(jié)式

圖１—２機(jī)械手四種坐標(biāo)型式

工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)流程如圖１．３所示。工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)首先要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行

３分析，結(jié)合實(shí)際調(diào)研情況和基礎(chǔ)資料制定工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)；在技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出最合理的工業(yè)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)方案；根據(jù)工業(yè)機(jī)械手機(jī)械機(jī)

圖１．３機(jī)械手設(shè)計(jì)流程圖

焊接機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手的一個(gè)主要分支，因其焊接質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效伺服技術(shù)的快速發(fā)展為機(jī)械手的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在２０世紀(jì)７０年

４率高、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車制造等行業(yè)中。下面將分別介紹國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)械手發(fā)展、研究現(xiàn)狀及在汽車行業(yè)中的應(yīng)用。１．２．２國(guó)外焊接機(jī)械手發(fā)展及研究現(xiàn)狀代，伴隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)機(jī)器人的焊接機(jī)械手發(fā)展迅猛。焊接機(jī)械手發(fā)展過(guò)程：第一臺(tái)焊接機(jī)械手是由美國(guó)通用汽車公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的并于１９６０年投入生產(chǎn)使用。１９７６年，通用公司的焊接機(jī)器人ＴＩＧ實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫的跟蹤檢測(cè)功能。水下實(shí)時(shí)焊縫檢測(cè)焊接機(jī)器人由美國(guó)通用機(jī)器人公司于１９９３年開(kāi)始著力研制，并于１９９９年成功研制出了具有此功能的ＡＲＭ水

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