焊接是一种将材料永久连接成为具有给定功能的结构的制造技术。几乎所有的产品，从万吨的巨轮到微电子元件在生产中都不同程度地依赖焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命，以及生产成本、效率和市场反应速度。由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快等优点，焊接结构的应用将日益增多^[1]。而焊接是一项工作环境恶劣、工作强度大、对工作熟练程度要求高且对操作人员会产生潜在危害的工作^[2-3]。进入21世纪20年代，伴随国家经济的发展，人民生活水平不断提升，同时我国社会老龄化不断加剧，一线焊接工人数量呈现减少趋势^[4]。而根据国家统计局公布的我国焊接材料的产量数据显示，从2006年到2014年我国焊材产量在逐年增加，这就意味着焊接工作量在逐年增加。焊接机器人的出现有效解决了这种供需矛盾，并且可以使更多人把工作时间投入到更具创造力的工作上^[5]。

焊接机器人是工业机器人的重要类型之一，据不完全统计，目前世界上正在使用的工业机器人中有将近一半以上应用于焊接领域，焊接机器人技术发展几乎和典型关节机器人技术发展同步^[6]。与人工焊接相比，焊接机器人具有焊接效率高、焊接质量稳定和改善生产条件等优点，尤其在环境恶劣、工作强度大的焊接作业中，焊接机器人能充分体现出优势。经过半个多世纪的发展，焊接机器人已经广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工和电力电子等多个领域，其中以应用于汽车生产线上的车身点焊和弧焊最为典型，目前已经成为自动化生产制造领域不可替代的手段之一^[7]。同时焊接机器人的使用可以提高焊接生产效率，改善工作人员的劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现产品的差异化生产，并能够推动相关产业自动化升级改造^[8]。各种机器人技术的开发、研究及应用推动着我国工业的快速发展。尤其是焊接机器人在各类机器人中占据非常重要的地位，约占工业机器人的1/3，对我国经济发展转型发挥了至关重要的作用^[9-10]。

1959年美国人GeorgeDevol与JosephEngelberger共同研制世界上第一台工业机器人Unimate，工业机器人在焊接领域得到广泛应用。1969年，美国通用汽车公司在组装生产线上装配了首台点焊机器人，极大地提高了生产效率，使得90%的车身焊接任务实现了自动化，改变了传统生产中自动化程度低、焊接作业条件恶劣、危险性高、需依赖工装夹具的生产方式。1973年，德国KUKA公司在Unimate的基础上研发出全球首台全电机驱动的六轴机器人Famulus^[11]。1974年， Bjouml;rnWeichbrodt为瑞典通用电气开发了首台全电气微处理器控制的工业机器人。 同年，日本川崎公司在引进美国工业机器人技术7年后^[12]，在Unimate的基础上开发出了全球首台弧焊机器人Hi-T-Hand，该机器人还具备接触传感和力觉传感功能。1979年，日本那智不二越株式会社研制出首台电动机驱动的点焊机器人。1998年，瑞典ABB公司推出机器人路径离线编程与仿真软件RobotStudio，此软件的推出极大地提高了机器人应用方案的设计及程序编写效率。2004年，日本的Motoman公司推出了机器人控制系统NX，可实现4台机器人多达38轴的同步控制。2005年，丹麦的IWALtd研制出离线焊接机器人系统，该系统集成了离线编程技术、冗余机器人控制技术、路径自主规划技术以及传感器控制技术，从而实现复杂结构的焊接^[13]。2006年，意大利柯马公司推出无线示教器WiTP。2007年，日本Motoman公司推出了当时速度最快的弧焊机器人SuperSpeedArcSSA2000和SuperSpeedFlexibleSSF2000。

目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三类。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国KUKA、 CLOOS，瑞典ABB，意大利COMAU和奥地利IGM公司。我国焊接机器人的研究和应用起步较晚，主要在引进国外技术的基础上，进行固定式示教再现型点焊、弧焊机器人开发研制。哈尔滨工业大学研制出我国首台弧焊机器人华宇-Ⅰ型。该机器人重复定位精度、动作范围、焊接参数数据控制精度、负载等主要参数，已接近或达到当时国际同类产品水平。上海交通大学研制的轮足组合爬壁焊接机器人由一个 5 自由度的机械手和 3 个相同的移动装置组成。这种焊接机器人有很强的带负载和越障能力。此焊接机器人已经在实验室条件下通过示教模式完成了对平板的焊接，取得了较为理想的焊接效果^[14]。针对大型结构件机器人自动化焊接问题，潘际銮院士主持研发了爬行式全位置弧焊机器人，该机器人可以实现全位置多道多层的自动焊接跟踪，对其进行了焊接试验以及试生产，跟踪精度可达±0.5mm^[15-17] 。清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的移动焊接机器人能够实现球罐焊缝的识别与实时跟踪，该机器人系统的跟踪精度可达到±0.5mm^[18-19]。华南理工大学针对船舶制造中合拢焊缝研制出爬行式焊接机器人，该焊接机器人可完成在倾斜曲面钢件上行走，经其实验验证该移动焊接机器人焊接精度达到±0.9mm^[20]。

综上所述，国内外关于焊接机器人的研究都取得了一定的成果，但国外目前取得的成果一定程度领先于国内。虽然国内几所高校以及科研单位已经开始对移动焊接方面研究，但是大部分仍处于样机阶段。无论是从价格方面，还是从控制水平和可靠性等方面考虑，都与国外公司存在一定的差距。

本课题针对大型钢构件，设计出满足条件的焊接维修机器人。目前现场加工均由工人手工焊接完成，自动化程度低，无论是效率还是焊接质量都得不到保证，且工人焊接时需在高空工作，存在一定的风险。设计开发一自主移动焊接机器人，可完成在高空中的焊缝自动化焊接。设计目标如下：

（1）针对大型钢构件内部焊接特点设计出的焊接机器人，可实现直线焊缝的焊接以及直角处的焊接；

（2）考虑到工作空间以及工人搬运等问题，用于现场焊接作业的焊接机器人应具备质量轻、体积小、便于搬运和安装的特点，焊接机器人的整体质量应控制在30Kg以内；

（3）要求焊接机器人集成运动机构、控制系统、焊枪于一体，适应现场焊接环境同时操作简单，焊接精度要达到一定的要求。

本毕业论文的内容就是通过实验与理论相结合的方法，利用计算机设计出完整的适应大型工程装备维保作业需求的焊接维修机器人机械结构，通过仿真验证结构的正确性，最终依据仿真结果建立整体焊接机器人系统并进行物理实验验证。