焊接機(jī)器人(精)

1、1 概述      1 1 新一代自動(dòng)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(duì)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(guó)推出世界上第一臺(tái) Unimate 型和 Versatra 型工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，根據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)截止到 1996 年底的統(tǒng)計(jì)，先后已有 84 萬(wàn)臺(tái)，現(xiàn)有大約 68 萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人服役于世界各國(guó)的工業(yè)界。預(yù)計(jì)到 2000 年，工業(yè)機(jī)器人總數(shù)將超過(guò) 95 萬(wàn)臺(tái)。&#

2、160;   我國(guó)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(lái)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(hào)、 2 號(hào)弧焊機(jī)器人， 1987 年又研制成功華字型點(diǎn)焊機(jī)器人，都已初步商品化，可小批量生產(chǎn)。 1989 年，我國(guó)以國(guó)產(chǎn)機(jī)器人為主的汽車(chē)焊接生產(chǎn)線(xiàn)的投入生產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)用階段的開(kāi)始。    焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，在各國(guó)機(jī)器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的 40 60 。我國(guó)目前大約有 600 臺(tái)以上的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人用于實(shí)際生產(chǎn)。 &#

3、160;  采用機(jī)器人焊接是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式，開(kāi)拓了一種柔性自動(dòng)化新方式。剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備一般都是專(zhuān)用的，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動(dòng)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(dòng)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(xiàng)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(xiàng)工作，無(wú)須改變?nèi)魏斡布灰獙?duì)它再做一次示教即可。因此，在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)上，可同時(shí)自動(dòng)生產(chǎn)若干種焊件。   &

4、#160;焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)如下：    1) 易于實(shí)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(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作：    4) 降低對(duì)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(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；

5、60;   7) 為焊接柔性生產(chǎn)線(xiàn)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)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(lái)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(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)，這個(gè)定義不能概括工業(yè)機(jī)器人的今后發(fā)展，但可說(shuō)明目前工業(yè)機(jī)器人的主要特點(diǎn)。    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(lèi)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的變化沒(méi)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(jué)系統(tǒng)，如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等。它具有對(duì)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(shí)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?chē)沫h(huán)境、識(shí)別操作的對(duì)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(shí)驗(yàn)室研究階段。     1 3 工業(yè)機(jī)器人主要名詞

7、術(shù)語(yǔ)     1) 機(jī)械手 (Manipulator) 也可稱(chēng)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(dòng)器 (Actuator) 將電能或流體能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)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(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)的范圍。    6) 機(jī)械原點(diǎn) (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(diǎn)。    7) 工作原點(diǎn) (Work Origin) 工業(yè)機(jī)器人工作空間的基準(zhǔn)點(diǎn)。    8) 速度 (Velocity) 機(jī)器人在額定條件下，勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，重復(fù) t 次所測(cè)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(cè)得的軌跡之間的一致程度。    12) 點(diǎn)位控制 (PointToPoint

10、Contr01) 控制機(jī)器人從一個(gè)位姿到另一個(gè)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(dòng)。    14) 存儲(chǔ)容量 (Memory Capacity) 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置中可存儲(chǔ)的位置、順序、速度等信息的容量，通常用時(shí)間或位置點(diǎn)數(shù)來(lái)表示。    15) 外部檢測(cè)功能 (External MeasuringAbility) 機(jī)器人所具備對(duì)外界物體狀態(tài)和環(huán)境狀況等的

11、檢測(cè)能力。    16) 內(nèi)部檢測(cè)功能 (Internal MeasuringAbility) 機(jī)器人對(duì)本身的位置、速度等狀態(tài)的檢測(cè)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(chēng)導(dǎo)引，即由用戶(hù)

12、導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)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(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。    實(shí)現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡(jiǎn)述如下：    (1) 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一臺(tái)通用的工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由 3 個(gè)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(dòng)器、傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。                                 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(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專(zhuān)用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專(zhuān)用語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(guò)程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。    示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過(guò)程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信息送入控制器的存儲(chǔ)器中，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)專(zhuān)用的智能終端。    (2) 機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個(gè)剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)串連而成，是一個(gè)開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開(kāi)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(shí)，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(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)模型。一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。    機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)中有兩個(gè)基本問(wèn)題。    1) 對(duì)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(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱(chēng)之為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題。在機(jī)器人示教過(guò)程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題運(yùn)算。    2) 對(duì)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(chēng)之為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。在機(jī)器人再現(xiàn)過(guò)程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。     運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)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(lái)描述兩個(gè)相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問(wèn)題簡(jiǎn)化為尋求等價(jià)的 4X4 齊次變換矩陣。逆問(wèn)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(duì)于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動(dòng)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(dòng)速度都在 3m s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)控制，動(dòng)力學(xué)的計(jì)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(diǎn) ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡空間曲線(xiàn)叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務(wù)是用一種函數(shù)來(lái)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并沿時(shí)間軸產(chǎn)生一系列

18、“控制設(shè)定點(diǎn)”，用于控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。 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(tái)機(jī)器人機(jī)械手的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)空間的變化而變化，因此要對(duì)它進(jìn)行高精度乙斗高速、高動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線(xiàn)性的、關(guān)節(jié)間耦合

19、的變負(fù)載系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為線(xiàn)性的非耦合單獨(dú)系統(tǒng)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有兩個(gè)伺服環(huán)，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)見(jiàn)圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號(hào)，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(gè)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(duì)常規(guī)焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)，已能滿(mǎn)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(yǔ)言 機(jī)器人編程語(yǔ)言是機(jī)器人和用戶(hù)的軟件接口，編程語(yǔ)言的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用戶(hù)的方便性，至今還沒(méi)有完全公認(rèn)的機(jī)器人編程語(yǔ)言，每個(gè)機(jī)器人制造廠都有自己的語(yǔ)言。    實(shí)際上，機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程不同，機(jī)器人操作的對(duì)象是各類(lèi)三維物體，運(yùn)動(dòng)在一個(gè)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(yǔ)言主要有兩類(lèi)：面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言和面向任務(wù)的編程

21、語(yǔ)言。    面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言的主要特點(diǎn)是描述機(jī)器人的動(dòng)作序列，每一條語(yǔ)句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作，整個(gè)程序控制機(jī)器入完種：    1) 專(zhuān)用的機(jī)器人語(yǔ)言，如 PUMA 機(jī)器人的 VAL 語(yǔ)言，是專(zhuān)用的機(jī)器人控制語(yǔ)言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ ·······。    2) 在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫(kù)。如美國(guó)機(jī)器人公司開(kāi)發(fā)的 AR Basic 和 Intelledex 公司的

22、Robot Basic 語(yǔ)言，都是建立在 BASIC 語(yǔ)言上的。    3) 開(kāi)發(fā)一種新的通用語(yǔ)言加上機(jī)器人子程序庫(kù)。如 IBM 公司開(kāi)發(fā)的 AML 機(jī)器人語(yǔ)言。    面向任務(wù)的機(jī)器人編程語(yǔ)言允許用戶(hù)發(fā)出直接命令，以控制機(jī)器人去完成一個(gè)具體的任務(wù)，而不需要說(shuō)明機(jī)器人需要采取的每一個(gè)動(dòng)作的細(xì)節(jié)。如美國(guó)的 RCCL 機(jī)器人編程語(yǔ)言，就是用 C 語(yǔ)言和一組 C 函數(shù)來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的任務(wù)級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言。    焊接機(jī)器人的編程語(yǔ)言，目前都屬于面向機(jī)器人的語(yǔ)言，面向任務(wù)的機(jī)器人語(yǔ)言尚

23、屬開(kāi)發(fā)階段。大都是針對(duì)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(jiàn)圖 3 和圖 4 。圖 3 為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，圖 4 為一臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人基本上都屬于這兩類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?10kg 以?xún)?nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過(guò) 35kg 。也有采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)器和示教盒 4 個(gè)基本部分構(gòu)成。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，控制器和驅(qū)動(dòng)器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，液壓驅(qū)動(dòng)源單獨(dú)成一個(gè)部件，現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下：    (1) 機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱(chēng)操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端操作器 ( 如焊槍飛點(diǎn)焊鉗 ) 實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)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(lèi)似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)

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

26、160;                              圖 4 液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)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(lèi)似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)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(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點(diǎn)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(dòng)范圍，但其運(yùn)動(dòng)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(diǎn)是上下運(yùn)動(dòng)由直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其他運(yùn)動(dòng)均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(chēng)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?，F(xiàn)以美國(guó) PUMA 機(jī)械手為例來(lái)簡(jiǎn)述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，見(jiàn)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(gè)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(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺， 以實(shí)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(gè)關(guān)節(jié)都由一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， PUMA 機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動(dòng)，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(dòng)方式有桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動(dòng)雙向無(wú)間隙 ( 即正反傳動(dòng)均無(wú)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(dòng)器 由于焊接機(jī)器人大多采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這里只介紹這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器。工業(yè)機(jī)器人目前采用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可分為 4 類(lèi)：   

34、0;1) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 它采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，特別是細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，由于這類(lèi)系統(tǒng)一般都是開(kāi)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(dòng)機(jī)系統(tǒng) 它采用直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，由于它能實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度 3 個(gè)閉環(huán)控制。精度高、變速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好。因此，是目前工業(yè)機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。    3) 交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器 它采用交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有直流伺服系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且取消了換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長(zhǎng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 這是最新發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有大于 1 萬(wàn)的調(diào)速比，在低速下仍能輸出穩(wěn)定的功率和高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在機(jī)械手上可直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，取消了減速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)又提高了效率，是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向，美國(guó)的 Adapt 機(jī)器人是直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。    工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器布置都采用一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、電機(jī)、測(cè)角器、測(cè)速器和制動(dòng)器。它的功能不僅能提供足夠的功率驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)，而且要實(shí)現(xiàn)快速而頻繁起停，精確地到位和運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)態(tài)品質(zhì)要求，一般都采用低慣量電動(dòng)機(jī)，因此，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)要求很高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。     為了實(shí)現(xiàn)上述 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)，在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器中都裝有高精度測(cè)角、測(cè)速傳感器。測(cè)速傳感器一般都采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，測(cè)角傳感器一般都采用精密電位計(jì)或光電碼盤(pán)，尤其是光電碼盤(pán)。圖 10 是它的原理圖。光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶有細(xì)分刻槽的碼盤(pán)同速旋轉(zhuǎn)，固定光源射向光電管的光束則時(shí)通時(shí)斷，因而輸出電脈沖。實(shí)際的碼盤(pán)是輸出兩路脈沖，由于在碼盤(pán)內(nèi)布置了兩對(duì)

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(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。機(jī)器個(gè)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(shí)施機(jī)器人的全部信息處理和對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，虛線(xiàn)框內(nèi)為第一級(jí)計(jì)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(shí)，接受示教系統(tǒng)送來(lái)的各示教點(diǎn)位置和姿態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算把各點(diǎn)的示教 ( 關(guān)節(jié) ) 坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。   

38、0;                           圖 10 光電碼盤(pán)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(shí)，從內(nèi)存中逐點(diǎn)取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時(shí)間節(jié)拍 ( 又稱(chēng)采樣周期 ) 對(duì)它進(jìn)行圓弧或直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算，算出各插補(bǔ)點(diǎn)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(diǎn)的把各插補(bǔ)點(diǎn)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(gè)關(guān)節(jié)。這就是第一級(jí)計(jì)算機(jī)的規(guī)劃全過(guò)程。  &

40、#160; 第二級(jí)計(jì)算機(jī)是執(zhí)行計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)是進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制。它接收了第一級(jí)計(jì)算機(jī)送來(lái)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(dòng)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(diǎn)送給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)檢測(cè)光電碼盤(pán)信號(hào)，直到其準(zhǔn)確到位。    以上均為實(shí)時(shí)過(guò)程，上述大量運(yùn)算都必須在控制過(guò)程中完成。以 PUMA 機(jī)器人控制器為例，第一級(jí)計(jì)算機(jī)的采樣周期為 28ms ，即每 28ms 向第二級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)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(duì)機(jī)器人示教的人機(jī)交互接口，目前人對(duì)機(jī)器人示教有 3 種方式：    1) 手把手示教 又稱(chēng)全程示教，即由人握住機(jī)器人機(jī)械臂末端，帶動(dòng)機(jī)器人按實(shí)際任務(wù)操作一遍。在此過(guò)程中，機(jī)器人控制器的計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)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(shí)，再逐點(diǎn)取出，這種示教方式需要很大的計(jì)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(guò)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(xiàn)編程示教 即無(wú)需人操作機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示教，而可根據(jù)圖樣，在計(jì)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(shí)，便于優(yōu)化和更為安全的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)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(tái)專(zhuān)用計(jì)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(lèi)：    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(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，為示教編程用。    2) 運(yùn)動(dòng)功能鍵 如刀向動(dòng)、 y 向動(dòng)、 z 向動(dòng)、正反向動(dòng)、 1 6 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)參數(shù)設(shè)定等。 3 點(diǎn)焊機(jī)器人     3 1 點(diǎn)焊機(jī)器人概述     點(diǎn)焊機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)工業(yè)。一般裝配每臺(tái)汽車(chē)車(chē)體大約需要完成 3000 4000 個(gè)焊點(diǎn)，而其中的 60 是由機(jī)器人完成的。在有些大批量汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上，服役

45、的機(jī)器人臺(tái)數(shù)甚至高達(dá) 150 臺(tái)。汽車(chē)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(lái)。今天，機(jī)器人已經(jīng)成為汽車(chē)生產(chǎn)行業(yè)的支柱。    最初，點(diǎn)焊機(jī)器人只用于增強(qiáng)焊點(diǎn)作業(yè) ( 往已拼接好的工件上增加焊點(diǎn) ) 。后來(lái)，為了保樣，點(diǎn)焊機(jī)器人逐漸被要求具有更全的作業(yè)性能。具體來(lái)說(shuō)有：安裝面積小，工作空間大：快速完成小節(jié)距的多點(diǎn)定位 ( 例如每 0 3 0 .4s 移動(dòng) 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(jiǎn)單，節(jié)省工時(shí)；安全可靠性好。  表 1 列舉了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的點(diǎn)焊機(jī)器人的分類(lèi)、特點(diǎn)和用途。在驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方向過(guò)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(chē)制造廠家也進(jìn)行開(kāi)發(fā)立體配置 3 5 軸小型專(zhuān)用機(jī)器人的嘗試。 表 1 點(diǎn)焊機(jī)器、人的分類(lèi)分 類(lèi)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(shí)還可以附加整機(jī)移動(dòng)自由度主要用語(yǔ)增強(qiáng)焊點(diǎn)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(chē)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(xiàn)焊縫，價(jià)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(chē)身底板的定位焊         典型點(diǎn)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(diǎn)焊機(jī)器人為例。由于實(shí)用中幾乎全部用來(lái)完成間隔為 30 50mm 左右的打點(diǎn)作業(yè)，運(yùn)動(dòng)中很少能達(dá)到最高速

48、度，因此，改善最短時(shí)間內(nèi)頻繁短節(jié)距起、制動(dòng)：的性能是本機(jī)追求的重點(diǎn) o ：為了提高加速度和減速度，在設(shè)計(jì)中注意了減輕手臂的重量，增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力矩。同時(shí)，為了縮短滯后時(shí)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(wú)刷伺服電動(dòng)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(cè)器等措施，控制性能得到大大改善，50mm 短距離移動(dòng)的定位時(shí)間被縮短到 04s 以?xún)?nèi)。    一般關(guān)節(jié)式點(diǎn)焊機(jī)器人本體的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表 2 。     表 2 點(diǎn)焊機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo) 結(jié)構(gòu) 全關(guān)節(jié)型   自

49、由度   6軸 ：   驅(qū)動(dòng)   直流伺服電動(dòng)杠        運(yùn)       動(dòng)       范       圍   腰轉(zhuǎn)   范圍± 135°  最大速度50°s &

50、#160; 大臂轉(zhuǎn)   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  &

51、#160;腕捻   ± 170°  ± 80°s   最大負(fù)荷   65kg   重復(fù)精度   ± 1mm   控制系統(tǒng)   計(jì)算伺服控制， 6軸同時(shí)控制   軌跡控制系統(tǒng)   PTP及CP  運(yùn)動(dòng)控制   直線(xiàn)插補(bǔ)   示教系統(tǒng)   示教再現(xiàn)   

52、內(nèi)存容量   1280步   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(diǎn)焊機(jī)器人及其系統(tǒng)的基本構(gòu)成   

53、;  (1) 點(diǎn)焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式 點(diǎn)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(diǎn)焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，如圖 40 13 所示。目前應(yīng)用較廣的點(diǎn)焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡(jiǎn)易型及全關(guān)節(jié)型。前者可具有 1 3 個(gè)自由度，焊件及焊點(diǎn)位置受到限制；后者具有 5 6 個(gè)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)示封瓦孤惺占估罟乃焙彥粹制 ! 惺轄粹制挑分

54、段的時(shí)間及程序轉(zhuǎn)換以外，還通過(guò)改變主電路晶閘管的導(dǎo)通角而實(shí)現(xiàn)焊接電流控制。    (2) 點(diǎn)焊機(jī)器人焊接系統(tǒng) 焊接系統(tǒng)主要由焊接控制器、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(diǎn)焊機(jī)器人焊鉗 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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

55、 3 種形式。    a 分離式焊鉗 該焊鉗的特點(diǎn)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)器人的上方，可在軌道上沿著機(jī)器人手腕移動(dòng)的方向移動(dòng)，二者之間用二次電纜相連，如圖 15 所示。其優(yōu)點(diǎn)是減小了機(jī)器人的負(fù)載，運(yùn)動(dòng)速度高，價(jià)格便宜。圖 14 焊接系統(tǒng)原理圖  圖 13 典型點(diǎn)焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)和主機(jī)簡(jiǎn)圖a)點(diǎn)焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)b)典型點(diǎn)焊機(jī)器人主機(jī)簡(jiǎn)圖  圖 16 內(nèi)藏式焊鉗點(diǎn)焊機(jī)器人 圖 15 分離式焊鉗點(diǎn)焊機(jī)器人     分離式焊鉗的

56、主要缺點(diǎn)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(diǎn)焊工作區(qū)間與焊接位置的選擇。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(xiàn)做在一起，中間用絕緣層分開(kāi)，每條導(dǎo)線(xiàn)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(dòng)，如圖 40-16 所示。當(dāng)采用這種形式的焊鉗時(shí)，必須同機(jī)器人本體統(tǒng)一設(shè)計(jì)，如 Cartesia

57、n 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(diǎn)焊機(jī)器人也可以采取這種結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)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(jì)變得復(fù)雜。    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(pán)上，如圖 40 17 所示。其主要優(yōu)點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是焊鉗重量顯著增大，體積也變大

58、，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(dòng)手腕上產(chǎn)生慣性力易于引起過(guò)載，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減小焊鉗重心與機(jī)器人手臂軸心線(xiàn)間的距離。    阻焊變壓器的設(shè)計(jì)是一體式焊鉗的主要問(wèn)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(xiàn)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(gè)新方向。目前，國(guó)外已經(jīng)將裝有逆變

59、式焊鉗的點(diǎn)焊機(jī)器人用于汽車(chē)裝焊生產(chǎn)線(xiàn)上，我國(guó)對(duì)此正在進(jìn)行研究。                      圖 17 一體式焊鉗點(diǎn)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(diǎn)焊時(shí)的焊接參數(shù)輸入，點(diǎn)焊程序控制。焊接電流控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實(shí)現(xiàn)與

60、本體計(jì)算機(jī)及手控示教盒的通信聯(lián)系。常用的點(diǎn)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(gè)模塊與機(jī)器人大體控制部分共同安排在一個(gè)控制柜內(nèi)，由主計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理并為焊接模塊提供數(shù)據(jù)，焊接過(guò)程控制由焊接模塊完成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(kāi)，二者采用應(yīng)答式通信聯(lián)系，主計(jì)算機(jī)給出焊接信號(hào)后，其焊接過(guò)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(hào)，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)

61、構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試靈活，焊接系統(tǒng)可單獨(dú)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。              圖 18 點(diǎn)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(jì)算機(jī)控制    T - 焊接周期  F - 電級(jí)壓力  I - 焊接電流        焊接控制器與本體

62、及示教蛻簡(jiǎn)的聯(lián)系信號(hào)主要有焊鉗大小行程、焊接電流增/減號(hào)，焊接時(shí)間增減、焊接開(kāi)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(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人焊機(jī) ( 或普通焊機(jī) ) 與群控計(jì)算機(jī)相連，以便對(duì)同時(shí)通電的數(shù)臺(tái)焊機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)部分焊機(jī)的焊接電流分時(shí)交錯(cuò)，限制電網(wǎng)瞬時(shí)負(fù)載，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓保證焊點(diǎn)質(zhì)量。群控系統(tǒng)的出現(xiàn)可以使車(chē)間供電變壓器容量大大下降。此外，當(dāng)某臺(tái)機(jī)器人 ( 或點(diǎn)焊機(jī) ) 出現(xiàn)故障時(shí)，群控系統(tǒng)啟動(dòng)備用的點(diǎn)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(diǎn)焊

63、機(jī)器人焊接系統(tǒng)都應(yīng)增加“焊接請(qǐng)求”及“焊接允許”信號(hào)，并與群控計(jì)算機(jī)相連。    (3) 新型點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng) 最近，點(diǎn)焊機(jī)器人與 CAD 系統(tǒng)的通信功能變得重要起來(lái)，這種 CAD 系統(tǒng)主要用來(lái)離線(xiàn)示教。圖 40-19 為含 CAD 及焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的新型點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)基本構(gòu)成。    (4) 點(diǎn)焊機(jī)器人對(duì)焊接系統(tǒng)的要求    1) 應(yīng)采用具有浮動(dòng)加壓裝置的專(zhuān)用焊鉗，也可對(duì)普通焊鉗進(jìn)行改裝。焊鉗重量要輕，可具有長(zhǎng)、短兩種行程·，以便于快速焊接及修整、更換電極、跨越障礙

64、等。    2) 一體式焊鉗的重心應(yīng)設(shè)計(jì)在固定法蘭盤(pán)的軸心線(xiàn)上。    3) 焊接控制系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)阻焊變壓器過(guò)熱、晶閘管過(guò)熱飛晶閘管短路斷路、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(lèi)。                         圖 19

65、 含 CAD 系統(tǒng)的點(diǎn)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(shí)別機(jī)器人本體及手控盒的各種信號(hào)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。     3 3 點(diǎn)焊機(jī)器人的選擇     在選用或引進(jìn)點(diǎn)焊機(jī)器人時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn)：    1) 必須使點(diǎn)焊機(jī)器人實(shí)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(diǎn)位置及焊點(diǎn)數(shù)量確定。    2) 點(diǎn)焊速度與生產(chǎn)線(xiàn)速度必須匹配。首先由生產(chǎn)線(xiàn)速度及待焊點(diǎn)數(shù)確定單點(diǎn)工作時(shí)間，而機(jī)器人的單

66、點(diǎn)焊接時(shí)間 ( 含加壓、通電、維持、移位等 ) 必須小于此值，即點(diǎn)焊速度應(yīng)大于或等于生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)速度。    3) 按工件形狀、種類(lèi)、焊縫位置選用焊鉗。垂直及近于垂直的焊縫選 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(diǎn)焊機(jī)器人。    5) 需采用多臺(tái)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)研究是否采用多種型號(hào)，并與多點(diǎn)焊機(jī)及簡(jiǎn)易直角坐標(biāo)機(jī)器人并用等問(wèn)題。當(dāng)機(jī)器人間隔較小時(shí)，應(yīng)注意動(dòng)作順序的安排，可通過(guò)機(jī)器人群控或相互間聯(lián)鎖作用避免干涉。&

67、#160;   根據(jù)上面的條件，再?gòu)慕?jīng)濟(jì)效益、社會(huì)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(tái)數(shù)、種類(lèi)等。 4 弧焊機(jī)器人     4 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(chē)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?yàn)榛『腹に囋缫言谥T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(tái)以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動(dòng)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

68、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(dòng)，并不斷填充金屬形成焊縫。因此，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項(xiàng)重要的指標(biāo)。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(duì)焊縫質(zhì)量也有一定影響，因此希望在跟蹤焊道的同時(shí)，焊槍姿態(tài)的可調(diào)范圍盡量大。作業(yè)時(shí)，為了得到優(yōu)質(zhì)焊縫，往往需要在動(dòng)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(shí)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(gè)重要課題。  

69、60;                圖 20 弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成    3) 弧焊機(jī)器人的分類(lèi) 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(duì)于小型、簡(jiǎn)單的焊接作業(yè)，機(jī)器人有 4 、5 軸即可以勝任了，對(duì)于復(fù)雜工件的焊接，采用 6 軸機(jī)器人對(duì)調(diào)整焊槍的姿態(tài)比較方便。對(duì)于特大型工件焊接作業(yè)，為加大工作空間，有時(shí)把關(guān)節(jié)型機(jī)器人懸掛起來(lái)，或者安裝在運(yùn)載小車(chē)上使用，

70、0;   4) 規(guī)格 舉一個(gè)典型的弧焊機(jī)器人加以說(shuō)明。圖 22 和表 3 分別是主機(jī)的簡(jiǎn)圖和規(guī)格。                       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   &#

71、177;01mm，高精度  可控軸數(shù)   6軸同時(shí)控制，便于焊槍姿態(tài)調(diào)整  動(dòng)作方式   各軸單獨(dú)插補(bǔ)、直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、焊槍端部等速控制(直線(xiàn)、圓弧插補(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(dòng)功能 (軟件)  存儲(chǔ)功能   IC存儲(chǔ)器，128kW 、  輔助功

72、能   定時(shí)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            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(lèi)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

73、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(shí)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。夾持裝置上有兩組可以輪番進(jìn)入機(jī)器人工作范圍的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。    (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(gè)自由度以上，具有 6 個(gè)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(jiǎn)圖。點(diǎn)至點(diǎn)方式移動(dòng)速度可達(dá) 60m min 以上，其軌跡

74、重復(fù)精度可達(dá)到 +0.2mm ，它們可以通過(guò)示教和再現(xiàn)方式或通過(guò)編程方式工作。    這種焊接機(jī)器人應(yīng)具有直線(xiàn)的及環(huán)形內(nèi)插法擺動(dòng)的功能。如圖 23 的 6 種擺動(dòng)方式，以滿(mǎn)足焊接工藝要求，機(jī)器人的負(fù)荷為 5kg 。                          圖 22  典型弧焊機(jī)器人的主機(jī)簡(jiǎn)

75、圖                                      圖 23 弧焊機(jī)器人的 6 種擺動(dòng)方式          &#

76、160;         a) 直線(xiàn)單擺  b) L形  c) 三角形  d) U形  e) 臺(tái)形  f) 高速圓弧擺動(dòng)    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(dòng)，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(shí)施。圖 24 是一臺(tái)典型的弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件框圖?？刂朴?jì)算機(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(dòng)軌跡計(jì)算，每 4 個(gè)電動(dòng)機(jī)由 1 個(gè) 8086CP

77、U 進(jìn)行伺服控制。通過(guò)串行 IO 接口與上一級(jí)管理計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有傳感器信息處理的專(zhuān)用 CPU(8085) ，微計(jì)算機(jī)具有 384K 的 ROM 和 64K 的 RAM ，以及 512K 磁泡的內(nèi)存，示教盒與總線(xiàn)采用 DMA 方式 ( 直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)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

78、移動(dòng)機(jī)架。通過(guò)這些機(jī)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍 ( 見(jiàn)圖 25) ，同時(shí)還具有各種用于接受、固定及定位工件的轉(zhuǎn)胎 ( 見(jiàn)圖 26) 、定位裝置及夾具。    在最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)中，工業(yè)機(jī)器人固定于基座上 ( 見(jiàn)圖 20) ，工件轉(zhuǎn)胎則安裝于其工作范圍內(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(gè)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(zhuān)門(mén)的工廠進(jìn)行生產(chǎn)。 &

79、#160;          圖 24 弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，所以，用于每種工件裝夾、夾緊、定位、及固定的工具必須重新設(shè)計(jì)。這種工具既有簡(jiǎn)單的，用手動(dòng)夾緊杠桿操作的設(shè)備；也有極復(fù)雜的全自動(dòng)液壓或氣動(dòng)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(hào)交換是相當(dāng)不同的，這一信號(hào)交換對(duì)于工作的安全性有

80、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(guò) 2 個(gè)給定電壓達(dá)到上述目的。對(duì)于復(fù)雜過(guò)程，例如脈沖電弧焊或填絲鎢極惰性氣體保護(hù)焊時(shí)，可能需要 2 5 個(gè)給定電壓，電源在其功率和接通持續(xù)時(shí)間上必須與自動(dòng)過(guò)程相符合，必須安全地引燃，并無(wú)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(duì)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(wú)論是模擬的或脈沖式的，通過(guò)其脈沖頻率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)鋼、 Cr-Ni 鋼及鋁焊接時(shí)都能保證實(shí)現(xiàn)接近無(wú)飛濺的焊接。與

81、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(jì)了專(zhuān)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(hào)。    送絲系統(tǒng)必須保證恒定送絲，送絲系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成具有足夠的功率，并能調(diào)節(jié)送絲速度。為了機(jī)器人的自由移動(dòng)，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(shí)，由于焊接持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)常采用水冷式焊槍?zhuān)笜屌c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(dòng)保護(hù)環(huán)節(jié)，防止示教和焊接時(shí)與工件或周?chē)锛鲎灿绊憴C(jī)器人的壽命。圖 27 為焊槍與機(jī)器人連接的一個(gè)例子。在裝卡焊槍時(shí)，應(yīng)注意焊槍伸出的焊絲端

82、部的位置應(yīng)符合機(jī)器人使用說(shuō)明書(shū)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。                               圖 25 機(jī)器人倒置在移動(dòng)門(mén)架上