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与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
摘要
焊接机器人主要分为弧焊机器人和点焊机器人两类，其中点焊机器人被广泛应用在汽车生产中的车身及零部件的焊接。
与传统的点焊方法相比，使用点焊机器人进行焊接不仅可提高焊接质量和生产率，而且可以实现柔性化生产。
本文对国内外点焊机器人的研究现状进行了系统分析。
概括总结了汽车生产中相关设备及工装的应用特点。
重点研究了机器人的编程，将在线示教与离线编程进行了详细对比分析。
在此基础上，本文以ABB公司出品的编程控制软件RobotStudio为试验平台，对点焊机器人的焊接路径进行了示教编程及运动仿真。
在对点焊机器人焊接路径的示教编程中引入了C级车前门的模型,并对其进行了示教编程和运动仿真。
本文以0Cr18Ni9型不锈钢代替镀锌钢板，用固定式点焊机代替点焊机器人进行了模拟点焊试验，并对试样进行了撕裂实验。
在试验的基础上对机器人点焊质量的影响因素进行了综合分析，并提出了改善措施。
通过本文对汽车生产中点焊机器人的研究可以优化汽车点焊生产线，提高生产效率和生产柔性。
关键词：
点焊机器人离线编程RobotStudio离线示教运动仿真
ABSTRACT
Weldingrobotaredividedintoarcweldingrobotandspotweldingrobottwogroups,inwhichspot-weldingrobotsarewidelyusedintheproductionofthecarbodyandpartsofwelding.Comparedwiththetraditionalspotweldingmethod,usethespot-weldingrobotsforweldingcannotonlyimprovetheweldingqualityandproductivity,alsocanrealizetheflexibleproduction.
Thispapermakesasystemanalysisforcurrentresearchathomeandabroadofspot-weldingrobots.Summarizedincarproductionrelatedequipmentandtoolingapplicationcharacteristics.Itfocusontherobotprogrammingandmakesacomparativeanalysisforonlineteachingandoff-lineprogrammingondetails.Onthisbasis,thispapertakestheprogrammingcontrolsoftwareRobotStudiothatproducedbyABBcompanyasatestplatform.Itdesignsteaching-programmingsandmovementsimulationsoftheweldingpathsfromspotweldingrobot.Intheteaching-programmingsoftheweldingpathfromspotweldingrobot,itbringsinamodelofcardoorinthefrontofthegradeCcar,andmakesteaching-programmingandmovementsimulationforthemodel.
Thispaperuses0Cr18Ni9stainlesssteeltoinsteadgalvanizedsteelplate,usesfixedspotweldingmachinetoinsteadspot-weldingrobotsforspotweldingsimulationtest,anddoestheexperimentoftearing.Onthebasisofexperiment,itcomprehensivelyanalyzesthefactorsthataffectingqualityoftherobotspotwelding,andputforwardtheimprovingmeasures.Throughtheresearchingofspotweldingrobotinthecarproductionfromthispaper,thespotweldingproductionlineofcarcanbeoptimized,theefficiencyandproductionflexiblecanbeimproved.
Keywords:
spotweldingrobot；
off-lineprogramming；
RobotStudio；
offlineteaching；
movementsimulation
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1焊接机器人的发展背景1
1.2焊接机器人的结构和系统2
1.3焊接机器人的分类2
1.4焊接机器人在汽车生产中可行性分析3
2汽车生产中点焊机器人的研究现状5
2.1汽车生产中点焊机器人的构成5
2.2汽车生产中点焊机器人的应用现状6
2.3汽车生产中焊接机器人的编程应用现状7
2.4汽车生产中点焊机器人的发展趋势8
3课题的主要研究内容和意义9
3.1课题的主要研究内容9
3.2课题的主要研究意义10
4汽车生产中点焊设备的运用11
4.1汽车生产中点焊方法和设备的选择11
4.2汽车生产中焊接工装及夹具的应用13
4.2.1汽车生产中焊接工装及夹具的特点13
4.2.2汽车生产中焊接工装及夹具的分类及应用14
4.2.3汽车生产中机器人焊接的工装及夹具17
4.3汽车生产中点焊机器人焊钳的应用18
5ABB焊接机器人的编程和模拟仿真21
5.1ABB焊接机器人的在线示教21
5.2ABB焊接机器人的离线编程23
5.2.1离线编程的分类23
5.2.2ABB焊接机器人的编程语言26
5.2.3离线编程的意义27
5.3在RobotStudio中对机器人焊接的离线示教编程及模拟仿真28
5.3.1RobotStudio操作界面介绍28
5.4机器人点焊路径的离线示教编程及运动仿真31
5.4.1空路径机器人点焊的离线示教编程及运动仿真31
5.4.2典型工件机器人点焊的离线示教及仿真34
5.4.3C级汽车车门模型周边点焊的离线示教编程及运动仿真38
6点焊机器人焊接质量分析及工艺参数的确定44
6.1机器人点焊试验44
6.2机器人点焊焊接质量影响因素分析52
6.3机器人点焊焊接工艺参数的确定54
结论56
参考文献58
致谢60
附录1：
试验图片62
附录2：
试样拉伸曲线
1绪论
1.1焊接机器人的发展背景
自1959年美国发明了名为UNIMATE的第一台工业机器人以来，全球各国不断对机器人的应用和技术有不同程度的研究。
机器人的发展历程大致可归纳为3个阶段：
第一阶段是再现示教型机器人。
这类最早的机器人只能根据程序做一些简单的动作，且不能识别和反馈外界信息，虽然操作简单，但难以适应工作环境的变化，因此在当今工业上已经被逐步淘汰。
第二阶段是具有一定互动能力的机器人。
这类机器人在第一代的基础上新增了许多功能，能够识别和反馈外界信息，从而根据环境的变化实现灵活的操作和调整。
此类机器人在现代工业中运用较多。
第三阶段是智能型机器人。
这种机器人更加完善，具有强大的控制系统。
在识别反馈外界信息的同时它能独立的推理、判断，从而可以从事更为复杂的工作。
这类机器人还处于试用阶段，没有实现规模化的应用。
[1]
图1.1工业机器人应用分布图
图1-1焊接机器人应用分布图
工业机器人在工业上主要应用在焊接、装配、搬运、切割、喷涂、抛光、码垛和检测等领域，其中焊接机器人的应用大致占总百分比的31%[2]。
焊接机器人就
是装有焊枪且配合焊接工装及夹具等机件来代替焊工从事焊接工作的工业机器人。
中国在1987年自行研制成第一台点焊机器人华宇-Ⅰ型点焊机器人。
目前，
在世界各地都有对焊接机器人的研究和开发，其中以德国、瑞典、美国、日本和法国等国家的焊机器人最为成熟和完善，处世界先进水平。
这些国家中瑞典的ABB、日本的松下和FANUC及德国的KUKA等机器人在中国运用较多。
近年来据不完全统计，工业机器人主要应用在汽车、食品、电子电器、汽车零部件、金属制品和其他等工业中，其中汽车工业和汽车零部件工业各占37%和24%（见图1.1）[2]。
可见，焊接机器人在汽车行业的应用较为广泛。
1.2焊接机器人的结构和系统
焊接机器人主要由机器人本体、焊接设备和控制系统构成。
机器人本体即工业上应用的机器人机械本体，其结构形式较多，一般有直角坐标式、球面坐标式、柱面坐标式、伸缩式、多关节坐标式和爬行式等[3]。
在不同的应用场合需用不同形式的焊接机器人。
目前应用最广的是多关节坐标式焊接机器人，这种机器人具有多个自由度，能够非常灵活的运动和调整姿态，操作简单快捷，同时也能完成一些相对复杂路径的焊接。
据目前工业中运用现状来看，具有6关节型的焊接机器人应用最多。
其6个自由度基本能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度（xyz）用于控制焊枪的空间位置，另外3个自由度（ABC）用于控制焊枪的空间姿态[4]。
6关节型焊接机器人主要由腰部、臂部、肘部、腕部和手部组成。
焊接设备一般有送丝机构、焊接电源、点焊焊钳、计算机控制系统、连接机构、焊枪和辅助设备等部分。
不同的焊接机器人其焊接设备也不尽相同，但大都通过硬件和软件等相连接形成一个统一体。
焊接机器人要实现自动焊接其中控制系统必不可少。
控制系统是在给定条件（如参数设置等）下通过软件计算从而控制焊接机器人的各结构按预定或非预定的目标进行运动。
传统焊接机器人的控制系统只能实现对焊接机器人焊接路径和参数等简单控制。
随着科技的发展，机器人控制系统已经具有独立思维、推理、判断的功能。
机器人控制系统根据传感识别系统的数据反馈进行分析判断来控制机器人的操作（如：
路径更改，机器人报警等），从而实现高效、安全的焊接。
1.3焊接机器人的分类
焊接机器人是按“焊接工艺”进行分类的，主要可以分为点焊机器人（图1.2）和弧焊机器人（图1.3）两类。
常见焊接工艺可分为电阻焊、电弧焊。
焊接机器人主要有：
①点焊机器人；
②CO2气体保护弧焊机器人；
③MIG弧焊机器人；
④TIG弧焊机器人；
⑤MAGW弧焊机器人；
⑥等离子弧焊（切割）机器人等[5]。
点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成。
其中点焊焊接系统主要有焊接电源、焊钳、传动系统和定位系统等。
点焊
机器人在焊接时不需填充金属和形成熔池，因此其焊接工艺相对弧焊要简单，具有焊接时间短、效率高等特点。
但由于在焊接过程中并未形成熔池，所以其焊接强度比较低，适用于一些对强度要求不高的薄板焊接作业，如汽车车身的焊接等。
图1.3弧焊机器人
图1.2点焊机器人
弧焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和弧焊焊接系统几部分组成。
其中胡焊焊接系统又分为送丝机构、焊接电源、焊枪、冷却系统和送气系统等。
弧焊机器人和常规的弧焊方法一样，需要引燃电弧来实现焊接。
其焊接时间相对较长，填充金属后能够实现高性能焊接。
由于弧焊机器人可以配合一些保护气体进行焊接，其适用范围比较广，常用于对接头性能要求较高的场合，如汽车车架的焊接等。
1.4焊接机器人在汽车生产中可行性分析
汽车生产中有冲压—焊接—组装—喷涂等几大工序[6]。
其中，焊接质量的高低直接影响汽车整体性能（包括安全性能），可见焊接是汽车生产中极为重要的环节。
而汽车的焊接又要分为汽车白车身的焊接，汽车零部件的焊接（如：
前后桥的焊接、车门的焊接、排气系统的焊接等），汽车底盘的焊接和汽车车架的焊接等。
首先，焊接本身是放热的过程，因而焊接场所一般温度较高。
其次，焊接过程中有大量有毒气体或烟雾、粉尘等产生，极大危害工人的人身安全。
再次，焊接一般是靠电力维持，操作工人很可能有出点的危险。
传统的焊接在汽车生产中不仅不能保证焊接质量和效率，而且无法保证工人的人身安全，更无法使焊接工人摆脱艰苦的工作环境。
随着科技的不断发展，焊接机器人逐渐被引进到汽车生产中。
焊接机器人靠供电使用，因此可以长时间不停的进行作业，进而大大延长工作时
间。
其次，焊接机器人依靠人工编程的软件进行控制，通过计算使焊接机器人在
预定的轨迹中运行来完成焊接。
焊接机器人受外界的影响较小，且不存在如人工的技术水平和体力等问题，所以机器人焊接更加稳定可靠容易保证焊接质量。
使用机器人焊接可大大缩短焊接时间，通过多台机器人联合焊接可以提高大量生产效率。
再次，传统焊接人力投入大，长期费用高。
而需用机器人进行焊接虽然初期投入较高，但从长远利益来看可以明显减少后期投入和维系费用。
焊接机器人结构灵活，操作方便简单，可配合各种焊接设施（如：
工装夹具、胎具等）完成快速焊接。
随着技术的更新，焊接机器人已具备传感识别功能和离线编成与仿真技术。
在这些技术的支撑下，焊接机器人可以实时监测焊接环境防止焊接故障的发生。
其次，通过仿真技术可以模拟焊接环境，虚拟调试焊接过程，提高焊接可行性。
组建一条机器人焊接生产线可以明显间断产品改型换代的周期，提高生产，即所谓的“柔性化”生产。
在使用焊接机器人进行运营生产时只需要一批少数的技术人员即可维持。
综上所述，在汽车生产中使用机器人焊接是可行的。
2汽车生产中点焊机器人的研究现状
2.1汽车生产中点焊机器人的构成
汽车生产中点焊机器人主要由机器人本体、控制柜、点焊焊机、点焊焊钳、示教器和PC计算机等组成，以ABB机器人为例（如图2.1）主要有以下组件：
图2.1电焊机器人的构成图
A—操纵器（所示为普通型号）
B1—IRC5控制模块，包含机器人系统的控制电子装置。
B2—IRC5驱动模块，包含机器人系统的电源电子装置。
C—RobotWare光盘，包含所有机器人软件。
D—说明文档光盘
E—机器人控制器运行的机器人系统软件。
系统已通过局域网中的服务器加载到控制器。
F—安装于PCx上的RobotStudioonlinePC软件。
G—带AbsoluteAccuracy选项的系统专用校准数据磁盘。
不带此选项的系统所用
的校准数据通常随串行测量电路板（SMB）提供。
H—与控制器连接的FlexPendant，用于执行何时使用FlexPendant和RobotStudioOnline中定义的任务。
J—网络服务器。
PCK—服务器的用途：
1.使用计算机和RobotStudioonline手动存储所有RobotWare软件。
2.手动存储通过便携式计算机创建的全部配置系统文件。
3.手动存储由便携式计算机和RobotStudioonline安装的所有机器人说明文档。
M—RobotWare许可密钥。
N—处理分解器数据和存储校准数据的串行测量板（SMB）。
对于不带AbsoluteAccuracy选项的系统出厂时校准数据存储在SMB上。
PCx—计算机可能就是上图所示的服务器。
除以上组件外，对于点焊机器人还包括焊接时所用的点焊焊钳，这部分将在第4章中作介绍。
2.2汽车生产中点焊机器人的应用现状
在这飞速发展的高科技时代，全球对点焊机器人的研究和开发正处历史新热潮。
美国的NASA和Rockwell国际科学中心合作开发了一套智能化、自适应的焊接系统。
德国的KUKA公司开发了一系列具有高柔性化的焊接机器人。
[7]瑞典的ABB公司在全球多个国家拥有生产线，其精确的定位和人性化操作技术使得ABB与中国合作了多年，因此中国汽车制造中很多厂家的生产线上都安装了ABB焊接机器人。
日本的FANUC和松下公司所制造的点焊机器人在性能上也处世界先进水平，由于价格相对低廉因此也被国内厂商大量购用。
随着我国综合实力的增强，近年来以奇瑞、吉利、比亚迪、长城、一汽、上汽、广汽、北汽、东风、长安等自主品牌为代表的汽车企业纷纷崛起[8]。
国内汽车生产已基本实现机器人自动焊接，但同国外发达国家相比还存在一定差距。
一部轿车的制造完成大致需要4000到6000个点焊焊点，而这些焊点大部分是由点焊机器人来完成的，可见在汽车生产中点焊机器人是必不可少的设备。
国内的各大汽车制造厂大都是中外合资，由外国提供设备及技术，中国提供劳动力及一些辅助设备，从而实现生产。
在汽车生产中已经广泛形成了汽车的装焊生产线。
其生产过程主要是多台焊接机器人连同协作，并与焊接工装和夹具配用来实现装配和焊接（如图2.2）。
汽车大部分车体是冲压薄板件适合用点焊机器人进行焊接。
点焊机器人主要被应用在汽车车身的焊接、车门的焊接、底板的焊接、门窗框的焊接和汽车零部件的焊接等。
其中汽车白车身和底板的总成几乎完全由焊接机器人完成。
丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。
用这种技术可以提高焊接质量，因而甚至试图用它来代替某些弧焊作业。
在短距离内的运动时间也大为缩短。
该公司最近推出一种高度低的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。
这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短
图2.2机器人联合工作站
了整个焊接生产线长度。
国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG焊接工艺为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。
应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。
2.3汽车生产中焊接机器人的编程应用现状
机器人的编程现在主要有在线示教和离线编程两种编程方法[9]。
在线示教就是必须有机器人的参与工作而进行的编程。
离线编程主要是针对在线示教时机器人编程焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中增大了编程者的工作量而采取完全离线的编程方法。
通过运用计算机的图形技术（如：
CAD、CAM等）可以实现虚拟仿真，即在计算机上虚构出焊接环境，模拟进行焊接工作，从而达到控制焊接质量的目的[10]。
美国、英国、日本、法国、加拿大等先后对机器人离线编程有不同程度的研究，主要体现在智能化和自动化上，其技术水平处世界领先地位。
目前机器人离线编程系统大致可分为三类：
商品化通用系统，企业专用系统和大学研究系统。
商品化通用系统有：
WorkSpace，IGRIP和ROBCAD等；
企业专用系统有：
德国NIS公司的RoboPlan，日本松下公司的DTPSII和日本NKK公司的NEWBRISTLAN等；
大学研究系统有：
Loughborough大学的WRAPS等[7]。
瑞典ABB机器人公司开发的RobotStudio和日本的MOTOMAN公司的MotoSim基于Windows系统，用户操作方便。
欧洲FUNAC公司和以色列的CompuCraft合作开发了FunacWorks离线编程软件。
德国的CLOOS机器人离线编程系统可精确定位实现高精度焊接。
国内南京理工大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等大学先后不同程度对机器人离线编程进行研究[7]。
深圳富士康公司购买了ABB公司的该系统并运用到生产中。
首钢莫托曼公司从05年开始研究离线编程技术，以后逐步应用到具体项目之中，通过不断积累经验，完善提高，使这一技术日趋成熟。
离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件模形，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序[11]。
机器人离线编程已经成为国内外研究的重点，但目前还没有实现完全自动化编程。
2.4汽车生产中点焊机器人的发展趋势
就机器人本身而言未来焊接机器人很可能在机器人操作机结构、机器人控制系统、机器人传感技术、网络通信功能、机器人遥控和监控技术、虚拟机器人技术、多智能体调节技术等方面进行改进。
如：
通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计，机器人向着模块化、可重构方向发展。
通过对机器人控制系统的改进来使其模块化从而增进人机友好，最终实现PC机的开放控制。
通过改进机器人传感技术实现焊接过程全自动跟踪，以便增强焊接机器人的环境适应能力。
在以上技术改进的基础上机器人最终理想目标即是多智能体调控。
机器人与机器人之间创建互相通信，通过信息的传递来建模规划计算，从而实现全自动化焊接。
从焊接方法来看激光焊接热影响区小，能量集中可焊接多种材料，焊后变形小，适合焊接新兴的高端材料。
汽车生产中可以将机器人点焊与激光焊接相结合，实现高效率、高质量焊接。
3课题的主要研究内容和意义
3.1课题的主要研究内容
本课题是对点焊机器人在汽车生产中的应用特点进
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