焊接機(jī)器人(精)

1、1 概述      1 1 新一代自動焊接的手段     工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 已為世人所認(rèn)同。并正對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生了重要影響。    從 1962 年美國推出世界上第一臺 Unimate 型和 Versatra 型工業(yè)機(jī)器人以來，根據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會截止到 1996 年底的統(tǒng)計，先后已有 84 萬臺，現(xiàn)有大約 68 萬臺工業(yè)機(jī)器人服役于世界各國的工業(yè)界。預(yù)計到 2000 年，工業(yè)機(jī)器人總數(shù)將超過 95 萬臺。&#

2、160;   我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，但從 20 世紀(jì) 80 年代以來進(jìn)展較快， 1985 年研制成功華字型弧焊機(jī)器人， 1987 年研制成功上海 1 號、 2 號弧焊機(jī)器人， 1987 年又研制成功華字型點焊機(jī)器人，都已初步商品化，可小批量生產(chǎn)。 1989 年，我國以國產(chǎn)機(jī)器人為主的汽車焊接生產(chǎn)線的投入生產(chǎn)，標(biāo)志著我國工業(yè)機(jī)器人實用階段的開始。    焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機(jī)器人，在各國機(jī)器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的 40 60 。我國目前大約有 600 臺以上的點焊、弧焊機(jī)器人用于實際生產(chǎn)。 &#

3、160;  采用機(jī)器人焊接是焊接自動化的革命性進(jìn)步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動化方式，開拓了一種柔性自動化新方式。剛性自動化焊接設(shè)備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，因而在中、小批量產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機(jī)器人使小批量產(chǎn)品的自動化焊接生產(chǎn)成為可能。就目前的示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人而言，焊接機(jī)器人完成一項焊接任務(wù)，只需人給它做一次示教，它即可精確地再現(xiàn)示教的每一步操作，如要機(jī)器人去做另一項工作，無須改變?nèi)魏斡布?，只要對它再做一次示教即可。因此，在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上，可同時自動生產(chǎn)若干種焊件。   &

4、#160;焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點如下：    1) 易于實現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；    2) 提高生產(chǎn)率，一天可 24h 連續(xù)生產(chǎn)；    3) 改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下長期工作：    4) 降低對工人操作技術(shù)難度的要求；    5) 縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；    6) 可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動化；

5、60;   7) 為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。     1 2 工業(yè)機(jī)器人定義和分代概念     關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的定義尚未統(tǒng)一，目前聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的美國機(jī)器人協(xié)會的定義如下：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的、用來搬運(yùn)物料、零件、工具的機(jī)械手，或能執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變的和可編程動作的專門系統(tǒng)，這個定義不能概括工業(yè)機(jī)器人的今后發(fā)展，但可說明目前工業(yè)機(jī)器人的主要特點。    工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展大致可分為三代。  

6、60; 第一代機(jī)器人，即目前廣泛使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，這類機(jī)器人對環(huán)境的變化沒有應(yīng)變或適應(yīng)能力。    第二代機(jī)器人，即在示教再現(xiàn)機(jī)器人上加感覺系統(tǒng)，如視覺、力覺、觸覺等。它具有對環(huán)境變化的適應(yīng)能力， 目前已有部分傳感機(jī)器人投入實際應(yīng)用。    第三代機(jī)器人，即智能機(jī)器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周圍的環(huán)境、識別操作的對象，并自行規(guī)劃操作順序以完成賦予的任務(wù)，這種機(jī)器人更接近人的某些智能行為。目前尚處實驗室研究階段。     1 3 工業(yè)機(jī)器人主要名詞

7、術(shù)語     1) 機(jī)械手 (Manipulator) 也可稱為操作機(jī)。具有和人臂相似的功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。    2) 驅(qū)動器 (Actuator) 將電能或流體能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力裝置曠    3) 末端操作器 (End Effector) 位于機(jī)器人腕部末端、直接執(zhí)行工作要求的裝置。如夾持器、焊槍、焊鉗等。    4) 位姿 (Pose) 工業(yè)機(jī)器人末端操作器在指定坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。 &#

8、160;  5) 工作空間 (Working Space) 工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時，其腕軸交點能在空間活動的范圍。    6) 機(jī)械原點 (MechanicalOrigin) 工業(yè)機(jī)器人各自由度共用的，機(jī)械坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)點。    7) 工作原點 (Work Origin) 工業(yè)機(jī)器人工作空間的基準(zhǔn)點。    8) 速度 (Velocity) 機(jī)器人在額定條件下，勻速運(yùn)動過程中，機(jī)械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。 

9、60;  9) 額定負(fù)載 (Rated load) 工業(yè)機(jī)器人在限定的操作條件下，其機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載 ( 包括末端操作器 ) ，用質(zhì)量或力矩表示。    10) 重復(fù)位姿精度 (PoseRepeatability) 工業(yè)機(jī)器人在同一條件下，用同一方法操作時，重復(fù) t 次所測得的位姿一致程度。 11) 軌跡重復(fù)精度 (PathRepeatability) 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械接口中心沿同一軌跡跟隨 x 次所測得的軌跡之間的一致程度。    12) 點位控制 (PointToPoint

10、Contr01) 控制機(jī)器人從一個位姿到另一個位姿，其路徑不限。    13) 連續(xù)軌跡控制 (Continuous PathContr01) 控制機(jī)器人的機(jī)械接口，按編程規(guī)定的位姿和速度，在指定的軌跡上運(yùn)動。    14) 存儲容量 (Memory Capacity) 計算機(jī)存儲裝置中可存儲的位置、順序、速度等信息的容量，通常用時間或位置點數(shù)來表示。    15) 外部檢測功能 (External MeasuringAbility) 機(jī)器人所具備對外界物體狀態(tài)和環(huán)境狀況等的

11、檢測能力。    16) 內(nèi)部檢測功能 (Internal MeasuringAbility) 機(jī)器人對本身的位置、速度等狀態(tài)的檢測能力。    17) 自診斷功能 (SelfDiagnosisAbility) 機(jī)器人判斷本身全部或部分狀態(tài)是否處于正常的能力。 2 工業(yè)機(jī)器人工作原理及其基本構(gòu)成     2 1 工業(yè)機(jī)器人工作原理     現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的焊接機(jī)器人都屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶

12、導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動參數(shù)工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個啟動命令，機(jī)器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。    實現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡述如下：    (1) 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一臺通用的工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由 3 個相互關(guān)連的部分組成：機(jī)械手總成、控制器、示教系統(tǒng)，如圖 1 所示。    機(jī)械手總成是機(jī)器人的執(zhí)行

13、機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)、末端操作器、以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態(tài)和實現(xiàn)其運(yùn)動。                                 圖 1 工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)    

14、;控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、白保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。    示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機(jī)器人的全部動作，并將其全部信息送入控制器的存儲器中，它實質(zhì)上是一個專用的智能終端。    (2) 機(jī)器人手臂運(yùn)動學(xué) 機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動的關(guān)節(jié)串連而成，是一個開環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是

15、自由的，安裝著末端操作器 ( 如焊槍 ) ，在機(jī)器人操作時，機(jī)器人手臂前端的末端操作器必須與被加工工件處于相適應(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動控制中，必須要知道機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量空間和末端操作器的位置和姿態(tài)之間的關(guān)系，這就是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型。一臺機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運(yùn)動控制的基礎(chǔ)。    機(jī)器人手臂運(yùn)動學(xué)中有兩個基本問題。    1) 對給定機(jī)械臂，己知各關(guān)節(jié)角矢量 g(f)=gl(t) ，g2(t) ，. gn(i) '

16、，其中 n 為自由度。求末端操作器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運(yùn)動學(xué)正問題。在機(jī)器人示教過程中。機(jī)器人控制器即逐點進(jìn)行運(yùn)動學(xué)正問題運(yùn)算。    2) 對給定機(jī)械臂，已知末端操作器在參考坐標(biāo)系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運(yùn)動學(xué)逆問題。在機(jī)器人再現(xiàn)過程中，機(jī)器人控制器即逐點進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆問題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。     運(yùn)動學(xué)正問題的運(yùn)算都采用 D-H 法，這種方法采用 4X4 齊次變換矩陣來描述兩個相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問題簡化為尋求等價的 4X4 齊次變換矩陣。逆問題的運(yùn)算可用

17、幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法 ob 在此不作具體介紹，可參考文獻(xiàn) 1。     對于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動力學(xué)模型， 由于目前通用的工業(yè)機(jī)器人 ( 包括焊接機(jī)器人 ) 最大的運(yùn)動速度都在 3m s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡單的動力學(xué)控制，動力學(xué)的計算方法可參考文獻(xiàn)正 1 3 。    (3) 機(jī)器人軌跡規(guī)劃 機(jī)器人機(jī)械手端部從起點 ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點的運(yùn)動軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務(wù)是用一種函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并沿時間軸產(chǎn)生一系列

18、“控制設(shè)定點”，用于控制機(jī)械手運(yùn)動。 目前常用的軌跡規(guī)劃方法有關(guān)節(jié)變量空間關(guān)節(jié)插值法和笛卡爾空間規(guī)劃兩種方法。具體算法可參考文獻(xiàn) 1 ，4 。    (4) 機(jī)器人機(jī)械手的控制 當(dāng)一臺機(jī)器人機(jī)械手的動態(tài)運(yùn)動方程已給定。它的控制目的就是按預(yù)定性能要求保持機(jī)械手的動態(tài)響應(yīng)。但是由于機(jī)器人機(jī)械手的慣性力、耦合反應(yīng)力和重力負(fù)載都隨運(yùn)動空間的變化而變化，因此要對它進(jìn)行高精度乙斗高速、高動態(tài)晶質(zhì)的控制是相當(dāng)復(fù)雜而困難的，現(xiàn)在正在為此研究和發(fā)展許多新的控制方法。 目前工業(yè)機(jī)器人上采用的控制方法是把機(jī)械手上每一個關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個單獨的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個非線性的、關(guān)節(jié)間耦合

19、的變負(fù)載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨系統(tǒng)。每個關(guān)節(jié)都有兩個伺服環(huán)，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)見圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補(bǔ)嘗器 ( 具有衰減速度的微分反饋 ) 組成，兩個伺服環(huán)的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法 (PID 法 ) 。這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高和負(fù)荷不大的機(jī)器人控制，對常規(guī)焊接機(jī)器人來說，已能滿足要求 1 。                  

20、0;        圖 2 機(jī)械手伺服控制體系結(jié)構(gòu)     (5) 機(jī)器人編程語言 機(jī)器人編程語言是機(jī)器人和用戶的軟件接口，編程語言的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用戶的方便性，至今還沒有完全公認(rèn)的機(jī)器人編程語言，每個機(jī)器人制造廠都有自己的語言。    實際上，機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計算機(jī)編程不同，機(jī)器人操作的對象是各類三維物體，運(yùn)動在一個復(fù)雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此其編程語言主要有兩類：面向機(jī)器人的編程語言和面向任務(wù)的編程

21、語言。    面向機(jī)器人的編程語言的主要特點是描述機(jī)器人的動作序列，每一條語句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個動作，整個程序控制機(jī)器入完種：    1) 專用的機(jī)器人語言，如 PUMA 機(jī)器人的 VAL 語言，是專用的機(jī)器人控制語言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ ·······。    2) 在現(xiàn)有計算機(jī)語言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫。如美國機(jī)器人公司開發(fā)的 AR Basic 和 Intelledex 公司的

22、Robot Basic 語言，都是建立在 BASIC 語言上的。    3) 開發(fā)一種新的通用語言加上機(jī)器人子程序庫。如 IBM 公司開發(fā)的 AML 機(jī)器人語言。    面向任務(wù)的機(jī)器人編程語言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機(jī)器人去完成一個具體的任務(wù)，而不需要說明機(jī)器人需要采取的每一個動作的細(xì)節(jié)。如美國的 RCCL 機(jī)器人編程語言，就是用 C 語言和一組 C 函數(shù)來控制機(jī)器人運(yùn)動的任務(wù)級機(jī)器人語言。    焊接機(jī)器人的編程語言，目前都屬于面向機(jī)器人的語言，面向任務(wù)的機(jī)器人語言尚

23、屬開發(fā)階段。大都是針對裝配作業(yè)的需要。     2 2 工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)成     工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)成，可參見圖 3 和圖 4 。圖 3 為一臺電動機(jī)驅(qū)動的工業(yè)機(jī)器人，圖 4 為一臺液壓驅(qū)動的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人基本上都屬于這兩類工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，因為焊槍重量一般都在 10kg 以內(nèi)。點焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過 35kg 。也有采用液壓驅(qū)動方式的，因為液壓驅(qū)動機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動機(jī)驅(qū)動，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、

24、驅(qū)動器和示教盒 4 個基本部分構(gòu)成。對于電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，控制器和驅(qū)動器一般裝在一個控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動機(jī)器人，液壓驅(qū)動源單獨成一個部件，現(xiàn)分別簡述如下：    (1) 機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器 ( 如焊槍飛點焊鉗 ) 實現(xiàn)各種運(yùn)動和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標(biāo)是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種：    1) 機(jī)床式 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的 3 個運(yùn)動

25、(x y z) 是由直線運(yùn)動構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成，如圖 5 所示，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點是運(yùn)動學(xué)模型簡單，控制精度容易提高；缺點是機(jī)構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。                            圖 3 電動機(jī)驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人  &#

26、160;                              圖 4 液壓機(jī)驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人     2) 全關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)，圖 6 為正置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手，圖 7 為偏置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手。這是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手最普遍的結(jié)

27、構(gòu)形式。其特點是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動范圍，但其運(yùn)動學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機(jī)器人主要采用全關(guān)節(jié)式機(jī)械手。                                

28、60;       圖 5 機(jī)床式機(jī)械手    3) 平面關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點是上下運(yùn)動由直線運(yùn)動構(gòu)成，其他運(yùn)動均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用，又稱為 SCARA 型機(jī)械手，如圖 8 所示。    機(jī)器人機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機(jī)構(gòu)組合而成。現(xiàn)以美國 PUMA 機(jī)械手為例來簡述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，見圖 9 。它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4

29、部分構(gòu)成，機(jī)座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺， 以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭， 以連接末端操作器。    每個關(guān)節(jié)都由一臺伺服電動機(jī)驅(qū)動， PUMA 機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動，但不同廠家采用的機(jī)構(gòu)不盡相同，減速機(jī)構(gòu)常用的是 4 種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動雙向無間隙 ( 即正反傳動均無間隙 ) ，這是機(jī)器人精度的機(jī)械保證，當(dāng)然還要求效率高，機(jī)構(gòu)緊湊。

30、60;                                                  &#

31、160;        圖 6 正置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手                                     圖 7 偏置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手 

32、;                                                   圖 8

33、 平面關(guān)節(jié)機(jī)械手                                  圖 9 PUMA 機(jī)械手機(jī)構(gòu)(2) 驅(qū)動器 由于焊接機(jī)器人大多采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，這里只介紹這類驅(qū)動器。工業(yè)機(jī)器人目前采用的電動機(jī)驅(qū)動器可分為 4 類：   

34、0;1) 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器 它采用步進(jìn)電動機(jī)，特別是細(xì)分步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動源，由于這類系統(tǒng)一般都是開環(huán)控制，因此大多用于焙席較低的經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī) 9S 人。    2) 直流伺服電動機(jī)系統(tǒng) 它采用直流伺服電動機(jī)系統(tǒng)，由于它能實現(xiàn)位置、速度、加速度 3 個閉環(huán)控制。精度高、變速范圍大、動態(tài)性能好。因此，是目前工業(yè)機(jī)器人的主要驅(qū)動方式。    3) 交流電動機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動器 它采用交流伺服電動機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有直流伺服系統(tǒng)的全部優(yōu)點，而且取消了換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長了機(jī)器人的維修周期。因此，正在機(jī)器人中推

35、廣采用。    4) 直接驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動器 這是最新發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動器，直接驅(qū)動電動機(jī)有大于 1 萬的調(diào)速比，在低速下仍能輸出穩(wěn)定的功率和高的動態(tài)品質(zhì)，在機(jī)械手上可直接驅(qū)動關(guān)節(jié)，取消了減速機(jī)構(gòu)，簡化了機(jī)構(gòu)又提高了效率，是機(jī)器人驅(qū)動的發(fā)展方向，美國的 Adapt 機(jī)器人是直接驅(qū)動機(jī)器人。    工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動器布置都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器。一個驅(qū)動器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、電機(jī)、測角器、測速器和制動器。它的功能不僅能提供足夠的功率驅(qū)動機(jī)械手各關(guān)節(jié)，而且要實現(xiàn)快速而頻繁起停，精確地到位和運(yùn)動。因此

36、必須采用位置閉環(huán)、速度閉環(huán)、加速度閉環(huán)。為了保護(hù)電動機(jī)和電路，還要有電流閉環(huán)。為適應(yīng)機(jī)器人的頻繁起停和高的動態(tài)品質(zhì)要求，一般都采用低慣量電動機(jī)，因此，機(jī)器人的驅(qū)動器是一個要求很高的驅(qū)動系統(tǒng)。     為了實現(xiàn)上述 3 個運(yùn)動閉環(huán)，在機(jī)械手驅(qū)動器中都裝有高精度測角、測速傳感器。測速傳感器一般都采用測速發(fā)電機(jī)，測角傳感器一般都采用精密電位計或光電碼盤，尤其是光電碼盤。圖 10 是它的原理圖。光電碼盤與電動機(jī)同軸安裝，在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，帶有細(xì)分刻槽的碼盤同速旋轉(zhuǎn)，固定光源射向光電管的光束則時通時斷，因而輸出電脈沖。實際的碼盤是輸出兩路脈沖，由于在碼盤內(nèi)布置了兩對

37、光電管，它們之間有一定角度差，因此兩路脈沖也有固定的相位差，電動機(jī)正反轉(zhuǎn)時，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。機(jī)器個以上脈沖。    (3) 控制器 機(jī)器人控制器是機(jī)器人的核心部件，它實施機(jī)器人的全部信息處理和對機(jī)械手的運(yùn)動控制。圖 11 是控制器的工作原理圖。工業(yè)機(jī)器人控制器大多采用二級計算機(jī)結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為第一級計算機(jī)，它的任務(wù)是規(guī)劃和管理。機(jī)器人在示教狀態(tài)時，接受示教系統(tǒng)送來的各示教點位置和姿態(tài)信息、運(yùn)動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的示教 ( 關(guān)節(jié) ) 坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計算機(jī)內(nèi)存。   

38、0;                           圖 10 光電碼盤原理圖                    

39、0;                 圖 11 控制器工作原理圖     機(jī)器人在再現(xiàn)狀態(tài)時，從內(nèi)存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時間節(jié)拍 ( 又稱采樣周期 ) 對它進(jìn)行圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)算，算出各插補(bǔ)點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成。然后逐點的把各插補(bǔ)點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送至各個關(guān)節(jié)。這就是第一級計算機(jī)的規(guī)劃全過程。  &

40、#160; 第二級計算機(jī)是執(zhí)行計算機(jī)，它的任務(wù)是進(jìn)行伺服電動機(jī)閉環(huán)控制。它接收了第一級計算機(jī)送來的各關(guān)節(jié)下一步預(yù)期達(dá)到的位置和姿態(tài)后，又做一次均勻細(xì)分，以求運(yùn)動軌跡更為平滑。然后將各關(guān)節(jié)的下一細(xì)步期望值逐點送給驅(qū)動電動機(jī)，同時檢測光電碼盤信號，直到其準(zhǔn)確到位。    以上均為實時過程，上述大量運(yùn)算都必須在控制過程中完成。以 PUMA 機(jī)器人控制器為例，第一級計算機(jī)的采樣周期為 28ms ，即每 28ms 向第二級計算機(jī)送一次各關(guān)節(jié)的下一步位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，第二級計算機(jī)又將各關(guān)節(jié)值等分 30 細(xì)步，每 0.875ms 向各關(guān)節(jié)送一次關(guān)節(jié)坐標(biāo)值

41、。    (4) 示教盒 示教盒是人對機(jī)器人示教的人機(jī)交互接口，目前人對機(jī)器人示教有 3 種方式：    1) 手把手示教 又稱全程示教，即由人握住機(jī)器人機(jī)械臂末端，帶動機(jī)器人按實際任務(wù)操作一遍。在此過程中，機(jī)器人控制器的計算機(jī)逐點記下各關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)值，而不作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再現(xiàn)時，再逐點取出，這種示教方式需要很大的計算機(jī)內(nèi)存、而且由于機(jī)構(gòu)的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在噴漆、噴涂機(jī)器人上。    2) 示教盒示教 即由人通過示教盒操縱機(jī)器人進(jìn)行示教，這是最常用的機(jī)器人示

42、教方式，目前焊接機(jī)器人都采用這種方式。    3) 離線編程示教 即無需人操作機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場示教，而可根據(jù)圖樣，在計算機(jī)上進(jìn)行編程，然后輸給機(jī)器人控制器。它具有不占機(jī)器人工時，便于優(yōu)化和更為安全的優(yōu)點，所以是今后發(fā)展的方向。    圖 12 為 ESAB 焊接機(jī)器人的示教盒，它通過電纜與控制箱連接，人可以手持示教盒在工件附近最直觀的位置進(jìn)行示教。示教盒本身是一臺專用計算機(jī)，它不斷掃描盒上的功能和數(shù)字鍵、操縱桿，并把信息和命令送給控制器。各廠家的機(jī)器人示教盒都不相同，但其追求的目標(biāo)都是為方便操作者。 

43、60;                                圖 12 焊接機(jī)器人的示教盒    示教盒上的按鍵主要有 3 類：    1) 示教功能鍵 如示教再現(xiàn)、存入刪除修改、檢查、回零、

44、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，為示教編程用。    2) 運(yùn)動功能鍵 如刀向動、 y 向動、 z 向動、正反向動、 1 6 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動等，為操縱機(jī)器人示教用。    3) 參數(shù)設(shè)定鍵 如各軸速度設(shè)定、焊接參數(shù)設(shè)定、擺動參數(shù)設(shè)定等。 3 點焊機(jī)器人     3 1 點焊機(jī)器人概述     點焊機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域是汽車工業(yè)。一般裝配每臺汽車車體大約需要完成 3000 4000 個焊點，而其中的 60 是由機(jī)器人完成的。在有些大批量汽車生產(chǎn)線上，服役

45、的機(jī)器人臺數(shù)甚至高達(dá) 150 臺。汽車工業(yè)引入機(jī)器人已取得了下述明顯效益：改善多品種混流生產(chǎn)的柔性；提高焊接質(zhì)量：提高生產(chǎn)率；把工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來。今天，機(jī)器人已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)行業(yè)的支柱。    最初，點焊機(jī)器人只用于增強(qiáng)焊點作業(yè) ( 往已拼接好的工件上增加焊點 ) 。后來，為了保樣，點焊機(jī)器人逐漸被要求具有更全的作業(yè)性能。具體來說有：安裝面積小，工作空間大：快速完成小節(jié)距的多點定位 ( 例如每 0 3 0 .4s 移動 30 50mm 節(jié)距后定位 ) ：定位精度高 ( ±0 25mm) ，以確保焊接質(zhì)量：持重大 (300 1000

46、N) ，以便攜帶內(nèi)裝變壓器的焊鉗；示教簡單，節(jié)省工時；安全可靠性好。  表 1 列舉了生產(chǎn)現(xiàn)場使用的點焊機(jī)器人的分類、特點和用途。在驅(qū)動形式方面，由于電伺服技術(shù)的迅速發(fā)展，液壓伺服在機(jī)器人中的應(yīng)用逐漸減少，甚至大型機(jī)器人也在朝電動機(jī)驅(qū)動方向過渡，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在性能、小型化、可靠性以及維修等方面日新月異；在機(jī)型方面，盡管主流仍是多用途的大型 6 軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，但是，出于機(jī)器人加工單元的需要，一些汽車制造廠家也進(jìn)行開發(fā)立體配置 3 5 軸小型專用機(jī)器人的嘗試。 表 1 點焊機(jī)器、人的分類分 類特 征用途垂直多關(guān)節(jié)型（落地式）工作空間/安裝面積之比大，持重多數(shù)為1

47、000N左右，有時還可以附加整機(jī)移動自由度主要用語增強(qiáng)焊點作業(yè)垂直多關(guān)節(jié)型（懸掛式）工作空間均在機(jī)器人的下方車體的拼接作業(yè)直角坐標(biāo)型多數(shù)為3、4、5軸，適合于連續(xù)直線焊縫，價格便宜定位焊接用機(jī)器人（單向加壓）能承受500KG加壓反力的高剛度機(jī)器人。有些機(jī)器人本身帶加壓作業(yè)功能車身底板的定位焊     典型點焊機(jī)器人的規(guī)格。以持重 1000N ，最高速度 4m s ·的 6 軸垂直多關(guān)節(jié)點焊機(jī)器人為例。由于實用中幾乎全部用來完成間隔為 30 50mm 左右的打點作業(yè)，運(yùn)動中很少能達(dá)到最高速度，因此，改善最短時間內(nèi)頻繁短節(jié)距起、制動：的性

48、能是本機(jī)追求的重點 o ：為了提高加速度和減速度，在設(shè)計中注意了減輕手臂的重量，增加驅(qū)動系統(tǒng)的輸出力矩。同時，為了縮短滯后時間，得到高的靜態(tài)定位精度，該機(jī)采用低慣性、高剛度減速器和高功率的無刷伺服電動機(jī)。由于在控制回路中采取了加前饋環(huán)節(jié)和狀態(tài)觀測器等措施，控制性能得到大大改善，50mm 短距離移動的定位時間被縮短到 04s 以內(nèi)。    一般關(guān)節(jié)式點焊機(jī)器人本體的技術(shù)指標(biāo)，見表 2 。     表 2 點焊機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo) 結(jié)構(gòu) 全關(guān)節(jié)型   自由度   6軸 ： 

49、0; 驅(qū)動   直流伺服電動杠        運(yùn)       動       范       圍   腰轉(zhuǎn)   范圍± 135°  最大速度50°s   大臂轉(zhuǎn)  

50、60;前 50°，后30°  45°/s  小臂轉(zhuǎn)   下 40°，上20°  40°s   腕擺     ± 90°  ± 80°s   腕轉(zhuǎn)   ± 90°  ± 80°s   腕捻   

51、7; 170°  ± 80°s   最大負(fù)荷   65kg   重復(fù)精度   ± 1mm   控制系統(tǒng)   計算伺服控制， 6軸同時控制   軌跡控制系統(tǒng)   PTP及CP  運(yùn)動控制   直線插補(bǔ)   示教系統(tǒng)   示教再現(xiàn)   內(nèi)存容量   1280步 &

52、#160; 環(huán)境要求   溫度 045   濕度 20<90RH     電源要求   220V交流，50Hz三相   自重   1500kg       3 2 點焊機(jī)器人及其系統(tǒng)的基本構(gòu)成     (1) 點焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式 點焊機(jī)器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為 3 大組成部分，即機(jī)器人本體、點焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，如圖 4

53、0 13 所示。目前應(yīng)用較廣的點焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡易型及全關(guān)節(jié)型。前者可具有 1 3 個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有 5 6 個自由度，分 DC 伺服和 AC 伺服兩種形式，能在可到達(dá)的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應(yīng)多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。    點焊機(jī)器人控制系統(tǒng)由本體控制部分及焊接控制部分組成。本體控制部分主要是實現(xiàn)示封瓦孤惺占估罟乃焙彥粹制 ! 惺轄粹制挑分段的時間及程序轉(zhuǎn)換以外，還通過改變主電路晶閘管的導(dǎo)通角而實現(xiàn)焊接電流控制。    (2) 點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng) 焊接系統(tǒng)主要由焊接

54、控制器、焊鉗 ( 含阻焊變壓器 ) 及水、電、氣等輔助部分組成，系統(tǒng)原理，如圖 14 所示。    1) 點焊機(jī)器人焊鉗 點焊機(jī)器人焊鉗從用途上可分為 C 形和 X 形兩種。 C 形焊鉗用于點焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊縫： X 形焊鉗則主要用于點焊水平及近于水平傾斜位置的焊縫。    從阻焊變壓器與焊鉗的結(jié)構(gòu)關(guān)系上可將焊鉗分為分離式、內(nèi)藏式和一體式 3 種形式。    a 分離式焊鉗 該焊鉗的特點是阻焊變壓器與鉗體相分離，鉗體安裝在機(jī)器人手臂上，而焊接變壓器懸掛在機(jī)器人的上

55、方，可在軌道上沿著機(jī)器人手腕移動的方向移動，二者之間用二次電纜相連，如圖 15 所示。其優(yōu)點是減小了機(jī)器人的負(fù)載，運(yùn)動速度高，價格便宜。31圖 14 焊接系統(tǒng)原理圖  圖 13 典型點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)和主機(jī)簡圖a)點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)b)典型點焊機(jī)器人主機(jī)簡圖  圖 16 內(nèi)藏式焊鉗點焊機(jī)器人 圖 15 分離式焊鉗點焊機(jī)器人     分離式焊鉗的主要缺點是需要大容量的焊接變壓器，電力損耗較大，能源利用率低。此外，粗大的二次電纜在焊鉗上引起的拉伸力和扭轉(zhuǎn)力作用于機(jī)器人的手臂上，限制了點焊工作區(qū)間與焊接位置的選

56、擇。分離式焊鉗可采用普通的懸掛式焊鉗及阻焊變壓器。但二次電纜需要特殊制造，一般將兩條導(dǎo)線做在一起，中間用絕緣層分開，每條導(dǎo)線還要做成空心的，以便通水冷卻。此外，電纜還要有一定的柔性。    b 內(nèi)藏式焊鉗 這種結(jié)構(gòu)是將阻焊變壓器安放到機(jī)器人手臂內(nèi)，使其盡可能地接近鉗體，變壓器的二次電纜可以在內(nèi)部移動，如圖 40-16 所示。當(dāng)采用這種形式的焊鉗時，必須同機(jī)器人本體統(tǒng)一設(shè)計，如 Cartesian 機(jī)器人就采用這種結(jié)構(gòu)形式。另外，極坐標(biāo)或球面坐標(biāo)的點焊機(jī)器人也可以采取這種結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是二次電纜較短，變壓器的容量可以減小，但是使機(jī)器人本體的設(shè)計變得復(fù)雜。&#

57、160;   c 一體式焊鉗 所謂一體式就是將阻焊變壓器和鉗體安裝在一起，然后共同固定在楓器人手臂末端的法蘭盤上，如圖 40 17 所示。其主要優(yōu)點是省掉了粗大的二次屯纜及懸掛變壓器的工作架，直接將焊接變壓器的輸出端連到焊鉗的上下機(jī)臂上，另一個優(yōu)點是節(jié)省能量。例如，輸出電流 12000A ，分離式焊鉗需 75kVA 的變壓器，而一體式焊鉗只需 25kVA 。一體式焊鉗的缺點是焊鉗重量顯著增大，體積也變大，要求機(jī)器人本體的承載能力大于 60kg 。此外，焊鉗重量在機(jī)器人活動手腕上產(chǎn)生慣性力易于引起過載，這就要求在設(shè)計時，盡量減小焊鉗重心與機(jī)器人手臂軸心線間的距離。&

58、#160;   阻焊變壓器的設(shè)計是一體式焊鉗的主要問題，由于變壓器被限制在焊鉗的小空間里，外形尺寸及重量都必須比一般的小，二次線圈還要通水冷卻。目前，采用真空環(huán)氧澆鑄工藝，已制造出了小型集成阻焊變壓器。例如 30kVA 的變壓器，體積為 325x135125mm3 ，重量只有18kg。    d . 逆變式焊鉗這是電阻焊機(jī)發(fā)展的一個新方向。目前，國外已經(jīng)將裝有逆變式焊鉗的點焊機(jī)器人用于汽車裝焊生產(chǎn)線上，我國對此正在進(jìn)行研究。         &#

59、160;            圖 17 一體式焊鉗點焊機(jī)器人    2) 焊接控制器 控制器由 Z80CPU 、 EPROM 及部分外圍接口芯片組成最小控制系統(tǒng)，它可以根據(jù)預(yù)定的焊接監(jiān)控程序，完成點焊時的焊接參數(shù)輸入，點焊程序控制。焊接電流控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實現(xiàn)與本體計算機(jī)及手控示教盒的通信聯(lián)系。常用的點焊控制器主要有 3 種結(jié)構(gòu)形式。    a 中央結(jié)構(gòu)型 它將焊接控制部分作為一個模

60、塊與機(jī)器人大體控制部分共同安排在一個控制柜內(nèi)，由主計算機(jī)統(tǒng)一管理并為焊接模塊提供數(shù)據(jù)，焊接過程控制由焊接模塊完成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是設(shè)備集成度高，便于統(tǒng)一管理。    b 分散結(jié)構(gòu)型 分散結(jié)構(gòu)型是焊接控制器與機(jī)器人本體控制柜分開，二者采用應(yīng)答式通信聯(lián)系，主計算機(jī)給出焊接信號后，其焊接過程由焊接控制器自行控制，焊接結(jié)束后給主機(jī)發(fā)出結(jié)束信號，以便主機(jī)控制機(jī)器人移位，其焊接循環(huán)如圖 18 所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是調(diào)試靈活，焊接系統(tǒng)可單獨伸用，佃需要一定距離的通信，集成度不如中央結(jié)構(gòu)型高。      

61、60;       圖 18 點焊機(jī)器人焊接循環(huán)  T1 - 焊接控制器控制  T2 - 機(jī)器人主控計算機(jī)控制    T - 焊接周期  F - 電級壓力  I - 焊接電流    焊接控制器與本體及示教蛻簡的聯(lián)系信號主要有焊鉗大小行程、焊接電流增/減號，焊接時間增減、焊接開始及結(jié)束，焊接系統(tǒng)故障等。     c 群控系統(tǒng) 群控就是將多臺點焊機(jī)器人焊機(jī) ( 或普通焊機(jī)

62、 ) 與群控計算機(jī)相連，以便對同時通電的數(shù)臺焊機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)部分焊機(jī)的焊接電流分時交錯，限制電網(wǎng)瞬時負(fù)載，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓保證焊點質(zhì)量。群控系統(tǒng)的出現(xiàn)可以使車間供電變壓器容量大大下降。此外，當(dāng)某臺機(jī)器人 ( 或點焊機(jī) ) 出現(xiàn)故障時，群控系統(tǒng)啟動備用的點焊機(jī)器人或?qū)κＳ嗟臋C(jī)器人重新分配工作，以保證焊接生產(chǎn)的正常進(jìn)行。    為了適應(yīng)群控的需要，點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)都應(yīng)增加“焊接請求”及“焊接允許”信號，并與群控計算機(jī)相連。    (3) 新型點焊機(jī)器人系統(tǒng) 最近，點焊機(jī)器人與 CAD 系統(tǒng)的通信功能變得重要起來，這種

63、CAD 系統(tǒng)主要用來離線示教。圖 40-19 為含 CAD 及焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的新型點焊機(jī)器人系統(tǒng)基本構(gòu)成。    (4) 點焊機(jī)器人對焊接系統(tǒng)的要求    1) 應(yīng)采用具有浮動加壓裝置的專用焊鉗，也可對普通焊鉗進(jìn)行改裝。焊鉗重量要輕，可具有長、短兩種行程·，以便于快速焊接及修整、更換電極、跨越障礙等。    2) 一體式焊鉗的重心應(yīng)設(shè)計在固定法蘭盤的軸心線上。    3) 焊接控制系統(tǒng)應(yīng)能對阻焊變壓器過熱、晶閘管過熱飛晶閘管短

64、路斷路、氣網(wǎng)失壓、電網(wǎng)電壓超限、粘電極等故障進(jìn)行自診斷及自保護(hù)，除通知本體停機(jī)外，還應(yīng)顯示故障種類。                         圖 19 含 CAD 系統(tǒng)的點焊機(jī)器人系統(tǒng) 4) 分散結(jié)構(gòu)型控制系統(tǒng)應(yīng)具有通信聯(lián)系接口。能識別機(jī)器人本體及手控盒的各種信號，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。     3 3 點焊機(jī)器人的選擇 &

65、#160;   在選用或引進(jìn)點焊機(jī)器人時，必須注意以下幾點：    1) 必須使點焊機(jī)器人實際可達(dá)到的工作空間大于焊接所需的工作空間。焊接所需的工作空間由焊點位置及焊點數(shù)量確定。    2) 點焊速度與生產(chǎn)線速度必須匹配。首先由生產(chǎn)線速度及待焊點數(shù)確定單點工作時間，而機(jī)器人的單點焊接時間 ( 含加壓、通電、維持、移位等 ) 必須小于此值，即點焊速度應(yīng)大于或等于生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度。    3) 按工件形狀、種類、焊縫位置選用焊鉗。垂直及近于垂直的焊縫

66、選 C 形焊鉗，水平及水平傾斜的焊縫選用 K 形焊鉗。    4) 應(yīng)選內(nèi)存容量大，示教功能全，控制精度高的點焊機(jī)器人。    5) 需采用多臺機(jī)器人時，應(yīng)研究是否采用多種型號，并與多點焊機(jī)及簡易直角坐標(biāo)機(jī)器人并用等問題。當(dāng)機(jī)器人間隔較小時，應(yīng)注意動作順序的安排，可通過機(jī)器人群控或相互間聯(lián)鎖作用避免干涉。    根據(jù)上面的條件，再從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益方面進(jìn)行論證方可以決定是否采用機(jī)器人及所需的臺數(shù)、種類等。 4 弧焊機(jī)器人     4

67、1 弧焊機(jī)器人概述     1) 弧焊機(jī)器人的應(yīng)用范圍 弧焊機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，除汽車行業(yè)之外，在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中都有應(yīng)用；這是因為弧焊工藝早已在諸多行業(yè)中得到普及的緣故?；『笝C(jī)器人應(yīng)是包括各種焊接附屬裝置在內(nèi)的焊接系統(tǒng)，而不只是一一臺以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動的單機(jī)。圖 20 為焊接系統(tǒng)的基本組成，圖 21 為適合機(jī)器人應(yīng)用的弧焊方法。     2) 弧焊機(jī)器人的作業(yè)性能 在弧焊作業(yè)中，要求焊槍跟蹤工件的焊道運(yùn)動，并不斷填充金屬形成焊縫。因此，運(yùn)動過程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項重要的指標(biāo)。

68、一般情況下，焊接速度約取 5 50mms 、軌跡精度約為 i 0.2 0.5mm 。由于焊槍的姿態(tài)對焊縫質(zhì)量也有一定影響，因此希望在跟蹤焊道的同時，焊槍姿態(tài)的可調(diào)范圍盡量大。作業(yè)時，為了得到優(yōu)質(zhì)焊縫，往往需要在動作的示教以及焊接條件 ( 電流、電壓、速度 ) 的設(shè)定上花費(fèi)大量的勞力和時間，所以除了上述性能方面的要求外，如何使機(jī)器人便于操作也是一個重要課題。                   圖 20 弧焊

69、機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成    3) 弧焊機(jī)器人的分類 從機(jī)構(gòu)形式劃分，既有直角坐標(biāo)型的弧焊機(jī)器人，也有關(guān)節(jié)型的弧焊機(jī)器人。對于小型、簡單的焊接作業(yè)，機(jī)器人有 4 、5 軸即可以勝任了，對于復(fù)雜工件的焊接，采用 6 軸機(jī)器人對調(diào)整焊槍的姿態(tài)比較方便。對于特大型工件焊接作業(yè)，為加大工作空間，有時把關(guān)節(jié)型機(jī)器人懸掛起來，或者安裝在運(yùn)載小車上使用，    4) 規(guī)格 舉一個典型的弧焊機(jī)器人加以說明。圖 22 和表 3 分別是主機(jī)的簡圖和規(guī)格。        

70、;               圖 21 為適合機(jī)器人應(yīng)用的弧焊方法  表 40-3 典型弧焊機(jī)器人的規(guī)格 持 重  5kg， 承受焊槍所必須的負(fù)荷能力'  重復(fù)位置糟度   ±01mm，高精度  可控軸數(shù)   6軸同時控制，便于焊槍姿態(tài)調(diào)整  動作方式   各軸單獨插補(bǔ)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、焊槍端部等速控制(直線、圓弧

71、插補(bǔ))  速度控制   進(jìn)給61500m：，焊接速度150mms，調(diào)速范圍廣(從極低速到高速均可調(diào))  焊接功能   焊接電流、電壓的選定，允許在焊接中途改變焊接條件，斷弧、粘絲保護(hù)功能，焊  接抖動功能 (軟件)  存儲功能   IC存儲器，128kW 、  輔助功能   定時功能、外部輸入輸出接口 。  應(yīng)用功能   程序編輯、外部條件判斷、異常檢查、傳感器接口      

72、4 2 弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成     弧焊機(jī)器人可以被應(yīng)用在所有電弧焊、切割技術(shù)范圍及類似的工藝方法中。最常用的應(yīng)用范圍是結(jié)構(gòu)鋼和 CT Ni 鋼的熔化極活性氣體保護(hù)焊 (C02 氣體保護(hù)焊、 MAG 焊 ) ，鋁及特殊合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊 (MIG) ，Cr Ni 鋼和鋁的加冷絲和不加冷絲的鎢極惰性氣體保護(hù)焊 (TIG) 以及埋弧焊。除氣割、等離子弧切割及等離子弧噴涂外還實現(xiàn)了在激光切割上的應(yīng)用。     圖 20 是一套完整的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)，它包括機(jī)器人機(jī)械手、控制系統(tǒng)、焊接裝置、焊件夾持裝置。夾持裝置上有

73、兩組可以輪番進(jìn)入機(jī)器人工作范圍的旋轉(zhuǎn)工作臺。    (1) 弧焊機(jī)器人基本結(jié)構(gòu) 弧焊用的工業(yè)機(jī)器人通常有 5 個自由度以上，具有 6 個自由度的機(jī)器人可以保證焊槍的任意空間軌跡和姿態(tài)。圖 22 為典型的弧焊機(jī)器人的主機(jī)簡圖。點至點方式移動速度可達(dá) 60m min 以上，其軌跡重復(fù)精度可達(dá)到 +0.2mm ，它們可以通過示教和再現(xiàn)方式或通過編程方式工作。    這種焊接機(jī)器人應(yīng)具有直線的及環(huán)形內(nèi)插法擺動的功能。如圖 23 的 6 種擺動方式，以滿足焊接工藝要求，機(jī)器人的負(fù)荷為 5kg 。  

74、60;                       圖 22  典型弧焊機(jī)器人的主機(jī)簡圖                        &#

75、160;             圖 23 弧焊機(jī)器人的 6 種擺動方式                    a) 直線單擺  b) L形  c) 三角形  d) U形  e) 臺形  f) 高速圓弧擺動  

76、  弧焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅要保證機(jī)器人的精確運(yùn)動，而且要具有可擴(kuò)充性，以控制周邊設(shè)備確保焊接工藝的實施。圖 24 是一臺典型的弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的計算機(jī)硬件框圖?？刂朴嬎銠C(jī)由 8086CPU 做管理用中央處理機(jī)單元， 8087 協(xié)處理器進(jìn)行運(yùn)動軌跡計算，每 4 個電動機(jī)由 1 個 8086CPU 進(jìn)行伺服控制。通過串行 IO 接口與上一級管理計算機(jī)通信；采用數(shù)字量 IO 和模擬量 IO 控制焊接電源和周邊設(shè)備。    該計算機(jī)系統(tǒng)具有傳感器信息處理的專用 CPU(8085) ，微計算機(jī)具有 384K 的 ROM 和 64K 的 RA

77、M ，以及 512K 磁泡的內(nèi)存，示教盒與總線采用 DMA 方式 ( 直接存儲器訪問方式 ) 交換信息，并有公用內(nèi)存 64K 。    (2) 弧焊機(jī)器人周邊設(shè)備 弧焊機(jī)器人只是焊接機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，還應(yīng)有行走機(jī)構(gòu)及    小型和大型移動機(jī)架。通過這些機(jī)構(gòu)來擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍 ( 見圖 25) ，同時還具有各種用于接受、固定及定位工件的轉(zhuǎn)胎 ( 見圖 26) 、定位裝置及夾具。    在最常見的結(jié)構(gòu)中，工業(yè)機(jī)器人固定于基座上 ( 見圖 20) ，工件轉(zhuǎn)胎則安裝于其工作

78、范圍內(nèi)。為了更經(jīng)濟(jì)地使用工業(yè)機(jī)器人，至少應(yīng)有兩個工位輪番進(jìn)行焊接。    所有這些周邊設(shè)備其技術(shù)指標(biāo)均應(yīng)適應(yīng)弧焊機(jī)器人的要求。即確保工件上的焊縫的到位精度達(dá)到 +02mm 。以往的周邊設(shè)備都達(dá)不到機(jī)器人的要求。為了適應(yīng)弧焊機(jī)器人的發(fā)展，新型的周邊設(shè)備由專門的工廠進(jìn)行生產(chǎn)。            圖 24 弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)計算機(jī)硬件框圖    鑒于工業(yè)機(jī)器人本身及轉(zhuǎn)胎的基本構(gòu)件已經(jīng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，所以，用于每種

79、工件裝夾、夾緊、定位、及固定的工具必須重新設(shè)計。這種工具既有簡單的，用手動夾緊杠桿操作的設(shè)備；也有極復(fù)雜的全自動液壓或氣動夾緊系統(tǒng)。必須特別注意工件上焊縫的可接近性。    根據(jù)轉(zhuǎn)胎及工具的復(fù)雜性，機(jī)器人控制與外圍設(shè)備之間的信號交換是相當(dāng)不同的，這一信號交換對于工作的安全性有很大意義。    (3) 焊接設(shè)備 用于工業(yè)機(jī)器人的焊接電源及送絲設(shè)備， 由于參數(shù)選擇，必須由機(jī)器人控制器直接控制。為此，一般至少通過 2 個給定電壓達(dá)到上述目的。對于復(fù)雜過程，例如脈沖電弧焊或填絲鎢極惰性氣體保護(hù)焊時，可能需要 2 5 個給定

80、電壓，電源在其功率和接通持續(xù)時間上必須與自動過程相符合，必須安全地引燃，并無故障地工作，使用最多的焊接電源是晶閘管整流電源。近年的晶體管脈沖電源對于工業(yè)機(jī)器人電弧焊具有特殊的意義。這種晶體管脈沖電源無論是模擬的或脈沖式的，通過其脈沖頻率的無級調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)鋼、 Cr-Ni 鋼及鋁焊接時都能保證實現(xiàn)接近無飛濺的焊接。與采用普通電源相比，可以使用更大直徑的焊絲，其熔敷效率更高。有很多焊接設(shè)備制造廠為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計了專用焊接電源，采用微處理機(jī)控制，滲以便與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)交換信號。    送絲系統(tǒng)必須保證恒定送絲，送絲系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成具有足夠的功率，并能調(diào)節(jié)送絲速

81、度。為了機(jī)器人的自由移動，必須采用軟管，但軟管應(yīng)盡量短。在工業(yè)機(jī)器人電弧焊時，由于焊接持續(xù)時間長，經(jīng)常采用水冷式焊槍，焊槍與機(jī)器人末端的連接處應(yīng)便于更換，并需有柔性的環(huán)節(jié)或制動保護(hù)環(huán)節(jié)，防止示教和焊接時與工件或周圍物件碰撞影響機(jī)器人的壽命。圖 27 為焊槍與機(jī)器人連接的一個例子。在裝卡焊槍時，應(yīng)注意焊槍伸出的焊絲端部的位置應(yīng)符合機(jī)器人使用說明書中所規(guī)定的位置，否則示教再現(xiàn)后焊槍的位置和姿態(tài)將產(chǎn)生偏差。                  

82、             圖 25 機(jī)器人倒置在移動門架上                                  圖 26 各種機(jī)器人專用補(bǔ)胎