變胞汽車焊接機(jī)器人技術(shù)綜述研究

摘要：焊接工業(yè)機(jī)器人在整車制造企業(yè)廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了汽車車身制造的量產(chǎn)化與自動(dòng)化。變胞機(jī)構(gòu)是基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中構(gòu)件數(shù)目的變化和自由度的變化為特征的機(jī)構(gòu)，變胞機(jī)構(gòu)應(yīng)用于焊接機(jī)器人中，可以提高焊接效率及降低生產(chǎn)成本。

Abstract： Welding industrial robots are widely used in vehicle manufacturing enterprises， and have realized mass production and automation of automobile body manufacturing. Metamorphic mechanism is a mechanism based on the change of the number of components and changes in the degree of freedom during the movement of the mechanism. The metamorphic mechanism is used in welding robots to improve welding efficiency and reduce production costs.

關(guān)鍵詞：變胞機(jī)構(gòu);焊接機(jī)器人;綜述

Key words： metamorphic mechanism;welding robot;review

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0200-02

1? 研究背景

傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人剛度較低，應(yīng)用于高速，大承載的場(chǎng)合較少。變胞機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)變機(jī)構(gòu)與變自由度兩種方式，因此研究變胞焊接機(jī)器人，可以提高焊接效率及降低生產(chǎn)成本。

機(jī)器人在汽車工中占的比重越來(lái)越大。特別是2009年以來(lái)，我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，一批優(yōu)秀的汽車企業(yè)不斷壯大。

同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車的需求量也逐步上升。汽車產(chǎn)業(yè)焊接機(jī)器人明顯增加，且已普遍采用了自動(dòng)式弧焊、點(diǎn)焊機(jī)器人。目前，焊接工業(yè)機(jī)器人在整車制造企業(yè)廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了汽車車身制造的量產(chǎn)化與自動(dòng)化。

焊接機(jī)器人在汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用，明顯提高了工作效率和工藝水平。雖然焊接機(jī)器人在汽車工業(yè)中運(yùn)用越來(lái)越廣泛，但是傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人剛度較低，有一定不足;并聯(lián)機(jī)器人的工作空間明顯較小并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在一定的局限性。針對(duì)以上不足而設(shè)計(jì)的新型變胞焊接機(jī)器人能解決這些問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)和性能上都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2? 技術(shù)背景概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人代替人進(jìn)行高強(qiáng)度、高危險(xiǎn)的作業(yè)是其趨勢(shì)。焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中占有很大比重，是節(jié)省人力和提高安全不可缺少的設(shè)備。焊接機(jī)器人有弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人兩種，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。

1952年，變胞機(jī)構(gòu)起源于英國(guó)牛津大學(xué)。如圖2所示的折紙機(jī)構(gòu)即是Candy等人發(fā)現(xiàn)的。各面紙板相當(dāng)于機(jī)械桿件，折痕相當(dāng)于機(jī)械中運(yùn)動(dòng)副。1998年，戴建生教授首次提出變胞機(jī)構(gòu)，具有變機(jī)構(gòu)數(shù)量、變自由度的特點(diǎn)。

3? 變胞焊接機(jī)器人的應(yīng)用

布里漢楊大學(xué)的PARISE等在2000年引伸出變胞正交機(jī)構(gòu)。

李威等提出一種新型變胞快速夾緊裝置，用于鋁合金汽車輪毅模具修理過(guò)程中的夾緊。

北京航空航天大學(xué)的丁希侖等人設(shè)計(jì)了一種火星探測(cè)變胞車（變結(jié)構(gòu)式），通過(guò)桿件數(shù)量變化達(dá)到構(gòu)態(tài)的變化。

天津大學(xué)戴建生教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出的新型“四足變胞爬行機(jī)器人”，如圖3所示，為我國(guó)研究變胞機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。

加拿大的航天研究部門(mén)研制了一款機(jī)械臂，既可聚攏，也可伸張。

葉偉基于變胞原理提出一種變結(jié)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu);李憲芝設(shè)計(jì)了一款變胞裝載機(jī)械手;并在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用。

連桿變胞機(jī)構(gòu)在碼垛機(jī)械臂的應(yīng)用中較多，有平面到空間和串并聯(lián)的相互轉(zhuǎn)化從而滿足更多具體工況的任務(wù)要求。

廣西大學(xué)王汝貴、袁華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)等人設(shè)計(jì)了一種由連桿機(jī)構(gòu)組成的變胞碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)和一種變結(jié)構(gòu)的碼垛機(jī)器人，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。高德中研制了甘蔗裝載工作一種變胞裝載機(jī)器人。（圖4）

4? 變胞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法

變胞機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，構(gòu)態(tài)發(fā)生變化，必須會(huì)導(dǎo)致自由度或者機(jī)構(gòu)數(shù)量發(fā)生變化。戴建生提出了系列變胞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析方法與理論應(yīng)用，包括有矢量法，影響系數(shù)法，旋量法，指數(shù)積（POE）方法，矩陣法和李群李代數(shù)。

金國(guó)光等人采用Huston低序體陣列建立動(dòng)態(tài)方程，通過(guò)矩陣運(yùn)算及方應(yīng)用仿真形成對(duì)比，透過(guò)曲線的振蕩，來(lái)解決振動(dòng)帶來(lái)的影響。

梁棟使用關(guān)聯(lián)矩陣法，采用矢量法對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和分析。

劉瑞雪和李端基于傳統(tǒng)的Roberson-Wittenburg方法提出了一種的改進(jìn)應(yīng)用，并且通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了變胞機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)上更多構(gòu)態(tài)所提出的新方法的正確性。

廣西大學(xué)的丁侃以變胞裝載機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)理論計(jì)算與運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行旋量理論分析，得到變胞裝載機(jī)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

5? 結(jié)論

研究的新型變胞焊接機(jī)器人是基于傳統(tǒng)串聯(lián)式和并聯(lián)式機(jī)器人的不足之處而提出的新型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人相比較具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力大、速度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。研究的新型變胞焊接機(jī)器人對(duì)于提高焊接精度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率以及執(zhí)行器靈活度程度具有實(shí)際意義。同時(shí)，與以往的焊接機(jī)器人相比具有較大的工作空間，而且?guī)сq鏈的連桿做成輕桿，可以使整個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能更好且易于控制。在三個(gè)并聯(lián)閉環(huán)子鏈上，桿件做成輕桿，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)慣量小，動(dòng)力學(xué)性能好，對(duì)機(jī)構(gòu)的微調(diào)節(jié)可以起到平衡的作用。新型變胞焊接機(jī)器人具有較大的剛性能使機(jī)器人機(jī)構(gòu)承受更大的力和力矩。

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