焊接机器人(精)

1 概述1 1 新一代自动焊接的手段工业机器人作为现代制造技术发展的重要标志之一和新兴技术产业， 已为世人所认同。并正对现代高技术产业各 领域以至人们的生活产生了重要影响。从 1962 年美国推出世界上第一台 Unimate 型和 Versatra 型工业机器人以来，根据国际机器人协会截止到1996 年底的统计，先后已有 84 万台，现有大约 68 万台工业机器人服役于世界各国的工业界。预计到 2000 年，工 业机器人总数将超过 95 万台。我国工业机器人的发展起步较晚，但从 20 世纪 80 年代以来进展较快， 1985 年研制成功华字型弧焊机器人， 1987 年研制成功上海 1 号、 2 号弧焊机器人， 1987 年又研制成功华字型点焊机器人，都已初步商品化，可小批量 生产。 1989 年，我国以国产机器人为主的汽车焊接生产线的投入生产，标志着我国工业机器人实用阶段的开始。焊接机器人是应用最广泛的一类工业机器人，在各国机器人应用比例中大约占总数的40 %60 %。我国目前大约有 600 台以上的点焊、弧焊机器人用于实际生产。采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化新方 式。刚性自动化焊接设备一般都是专用的，通常用于中、大批量焊接产品的自动化生产，因而在中、小批量产品焊接 生产中，焊条电弧焊仍是主要焊接方式，焊接机器人使小批量产品的自动化焊接生产成为可能。就目前的示教再现型 焊接机器人而言，焊接机器人完成一项焊接任务，只需人给它做一次示教，它即可精确地再现示教的每一步操作，如 要机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。因此，在一条焊接机器人生产线上，可 同时自动生产若干种焊件。焊接机器人的主要优点如下：1) 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；2) 提高生产率，一天可 24h 连续生产；3) 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作：4) 降低对工人操作技术难度的要求；5) 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；6) 可实现小批量产品焊接自动化；7) 为焊接柔性生产线提供技术基础。1 2 工业机器人定义和分代概念 关于工业机器人的定义尚未统一，目前联合国标准化组织采用的美国机器人协会的定义如下：工业机器人是一种可重复编程和多功能的、用来搬运物料、零件、工具的机械手，或能执行不同任务而具有可改变的和可编程动作的专 门系统，这个定义不能概括工业机器人的今后发展，但可说明目前工业机器人的主要特点。工业机器人的发展大致可分为三代。 第一代机器人，即目前广泛使用的示教再现型工业机器人，这类机器人对环境的变化没有应变或适应能力。第二代机器人，即在示教再现机器人上加感觉系统，如视觉、力觉、触觉等。它具有对环境变化的适应能力，目前已有部分传感机器人投入实际应用。第三代机器人，即智能机器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划 操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。目前尚处实验室研究阶段。1 3 工业机器人主要名词术语1) 机械手 (Manipulator) 也可称为操作机。具有和人臂相似的功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械 装置。2) 驱动器 (Actuator) 将电能或流体能转换成机械能的动力装置旷3) 末端操作器 (End Effector) 位于机器人腕部末端、直接执行工作要求的装置。如夹持器、焊枪、焊钳等。4) 位姿 (Pose) 工业机器人末端操作器在指定坐标系中的位置和姿态。5) 工作空间 (Working Space) 工业机器人执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。6) 机械原点 (MechanicalOrigin) 工业机器人各自由度共用的，机械坐标系中的基准点。7) 工作原点 (Work Origin) 工业机器人工作空间的基准点。8) 速度 (Velocity) 机器人在额定条件下，匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的 距离或转动的角度。9) 额定负载 (Rated load) 工业机器人在限定的操作条件下，其机械接口处能承受的最大负载 ( 包括末端操作 器 ) ，用质量或力矩表示。10) 重复位姿精度 (PoseRepeatability) 工业机器人在同一条件下，用同一方法操作时，重复 t 次所测得的 位姿一致程度。11) 轨迹重复精度 (PathRepeatability) 工业机器人机械接口中心沿同一轨迹跟随 x 次所测得的轨迹之间的一 致程度。12) 点位控制 (PointToPointContr01) 控制机器人从一个位姿到另一个位姿，其路径不限。13) 连续轨迹控制 (Continuous PathContr01)控制机器人的机械接口，按编程规定的位姿和速度，在指定的轨迹上运动。14) 存储容量 (Memory Capacity) 计算机存储装置中可存储的位置、顺序、速度等信息的容量，通常用时间或位 置点数来表示。15) 外部检测功能 (External MeasuringAbility)机器人所具备对外界物体状态和环境状况等的检测能力。16) 内部检测功能 (Internal MeasuringAbility)机器人对本身的位置、速度等状态的检测能力。17) 自诊断功能 (SelfDiagnosisAbility) 机器人判断本身全部或部分状态是否处于正常的能力。2 工业机器人工作原理及其基本构成2 1 工业机器人工作原理现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户 导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数 工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地 按示教动作，一步步完成全部操作。这就是示教与再现。实现上述功能的主要工作原理，简述如下：(1) 机器人的系统结构 一台通用的工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、 控制器、示教系统，如图 1 所示。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组 成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。filtf手总成传动机构机械手机构虑端掾作器J1歼境歷任务传卜 JSII系统支撑软杵机器人语宵运动学软件控制算法软件图1工业机器人的基本结构控制器是机器人的神经中枢。它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人 专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过 程中的全部信息和控制其全部动作。示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存 储器中，它实质上是一个专用的智能终端。(2) 机器人手臂运动学机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器(如焊枪)，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。因此， 机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学 模型。一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。机器人手臂运动学中有两个基本问题。1) 对给定机械臂，己知各关节角矢量g(f)=gl(t)，g2(t)，gn(i)'，其中n为自由度。求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。在机器人示教过程中。机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。2) 对给定机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。在 机器人再现过程中，机器人控制器即逐点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。运动学正问题的运算都采用D-H法，这种方法采用 4X4齐次变换矩阵来描述两个相邻刚体杆件的空间关系，把正问题简化为寻求等价的4X4齐次变换矩阵。逆问题的运算可用几种方法求解，最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法Ob在此不作具体介绍，可参考文献1。对于高速、高精度机器人，还必须建立动力学模型，由于目前通用的工业机器人(包括焊接机器人)最大的运动速度都在3m / s内，精度都不高于 0.1mm，所以都只做简单的动力学控制，动力学的计算方法可参考文献正1 3。(3) 机器人轨迹规划 机器人机械手端部从起点 (包括，位置和姿态)到终点的运动轨迹空间曲线叫路径，轨迹 规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动。目前常用的轨迹规划方法有关节变量空间关节插值法和笛卡尔空间规划两种方法。具体算法可参考文献1 , 4(4) 机器人机械手的控制当一台机器人机械手的动态运动方程已给定。它的控制目的就是按预定性能要求保持机械手的动态响应。但是由于机器人机械手的惯性力、耦合反应力和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要对它 进行高精度乙斗高速、高动态晶质的控制是相当复杂而困难的，现在正在为此研究和发展许多新的控制方法。目前工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。每个关节都有两个伺服环，机械手伺服控制系统见图2外环提供位置误差信号，内环由模拟器件和补尝器(具有衰减速度的微分反馈)组成，两个伺服环的增益是固定不变的。因此基本上是一种比例积分微分控制方法(PID 法)。这种控制方法，只适用于目前速度、精度要求不高和负荷不大的图2机械手伺服控制体系结构(5) 机器人编程语言 机器人编程语言是机器人和用户的软件接口，编程语言的功能决定了机器人的适应性和给用户的方便性，至今还没有完全公认的机器人编程语言，每个机器人制造厂都有自己的语言。实际上，机器人编程与传统的计算机编程不同，机器人操作的对象是各类三维物体，运动在一个复杂的空间环境， 还要监视和处理传感器信息。因此其编程语言主要有两类：面向机器人的编程语言和面向任务的编程语言。面向机器人的编程语言的主要特点是描述机器人的动作序列，每一条语句大约相当于机器人的一个动作，整个程 序控制机器入完种：1) 专用的机器人语言，如 PUMA机器人的VAL语言，是专用的机器人控制语言，它的最新版本是VAL-I和V+ 2222222。2) 在现有计算机语言的基础上加机器人子程序库。如美国机器人公司开发的AR Basic和In telledex公司的Robot Basic 语言，都是建立在 BASIC 语言上的。3) 开发一种新的通用语言加上机器人子程序库。如IBM公司开发的AML机器人语言。面向任务的机器人编程语言允许用户发出直接命令，以控制机器人去完成一个具体的任务，而不需要说明机器人需要采取的每一个动作的细节。如美国的RCCL机器人编程语言，就是用 C语言和一组C函数来控制机器人运动的任务级机器人语言。焊接机器人的编程语言，目前都属于面向机器人的语言，面向任务的机器人语言尚属开发阶段。大都是针对装配 作业的需要。2. 2工业机器人的基本构成工业机器人的基本构成，可参见图3和图4。图3为一台电动机驱动的工业机器人，图4为一台液压驱动的工业机器人。焊接机器人基本上都属于这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一 般都在10kg以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控 制器、驱动器和示教盒 4个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压 驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：(1) 机械手 机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器(如焊枪飞点焊钳)实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、 大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下3种：1) 机床式 这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的3个运动(x y z)是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，如图5所示，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。显丽戢和犍盘机鑑人图3电动机驱动工业机器人肘伸枚图4液压机驱动工业机器人2) 全关节式 这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，图6为正置式全关节机械手，图7为偏置式全关节机械手。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地 面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范 围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。y图5机床式机械手3）平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直 方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用，又称为SCARA型机械手，如图 8所示。机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国PUMA机械手为例来简述其内部机构，见图 9。它是由机座、大臂、小臂、手腕4部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有3个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是 4种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。 其技术关键是要保证传动双向无间隙（即正反传动均无间隙 ），这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。图8平面关节机械手图9 PUMA机械手机构（2）驱动器 由于焊接机器人大多采用伺服电动机驱动，这里只介绍这类驱动器。工业机器人目前采用的电动机驱动器 可分为4类：1）步进电动机驱动器 它采用步进电动机，特别是细分步进电动机为驱动源，由于这类系统一般都是开环控制，因此大多用于焙席较低的经济型工业机9S人。2）直流伺服电动机系统 它采用直流伺服电动机系统，由于它能实现位置、速度、加速度3个闭环控制。精度高、变速范围大、动态性能好。因此，是目前工业机器人的主要驱动方式。3）交流电动机伺服系统驱动器它采用交流伺服电动机系统，这种系统具有直流伺服系统的全部优点，而且取消了换相炭刷，不需要定期更换碳刷，大大延长了机器人的维修周期。因此，正在机器人中推广采用。4）直接驱动电动机驱动器这是最新发展的机器人驱动器，直接驱动电动机有大于1万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可直接驱动关节，取消了减速机构，简化了机构又提高了效率，是机器人驱动的发展方向，美国的Adapt机器人是直接驱动机器人。工业机器人的驱动器布置都采用一个关节一个驱动器。一个驱动器的基本组成为：电源、功率放大板、伺服控制板、 电机、测角器、测速器和制动器。它的功能不仅能提供足够的功率驱动机械手各关节，而且要实现快速而频繁起停， 精确地到位和运动。因此必须采用位置闭环、速度闭环、加速度闭环。为了保护电动机和电路，还要有电流闭环。为 适应机器人的频繁起停和高的动态品质要求，一般都采用低惯量电动机，因此，机器人的驱动器是一个要求很高的驱 动系统。为了实现上述 3个运动闭环，在机械手驱动器中都装有高精度测角、测速传感器。测速传感器一般都采用测速发电 机，测角传感器一般都采用精密电位计或光电码盘，尤其是光电码盘。图10是它的原理图。光电码盘与电动机同轴安装，在电动机旋转时，带有细分刻槽的码盘同速旋转，固定光源射向光电管的光束则时通时断，因而输出电脉冲。 实际的码盘是输出两路脉冲，由于在码盘内布置了两对光电管，它们之间有一定角度差，因此两路脉冲也有固定的相 位差，电动机正反转时，其输出脉冲的相位差不同，从而可判断电动机的旋转方向。机器个以上脉冲。（3）控制器机器人控制器是机器人的核心部件，它实施机器人的全部信息处理和对机械手的运动控制。图11是控制器的工作原理图。工业机器人控制器大多采用二级计算机结构，虚线框内为第一级计算机，它的任务是规划和管理。 机器人在示教状态时，接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示 教（关节）坐标值转换成直角坐标值，存入计算机内存。光电管透镜辐射线半透明区时间田低时间光电管在码盘 旋转时的籀出修正后光 电管输出光电码盘（辐射栅盘）亮n亮_|H光电管1逆时怦转时间00光电管2°图10光电码盘原理图示數盒示數盒码盘龍动机ttft机器人堂妬电潦反憧角摩反憧.一-输给 一桩黯人§牛轴转换st理器fl倉坐标转換处理器略牲主成示软再現虚魚堂标示數盒示數盒图11控制器工作原理图机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的时间节拍(又称采样周期)对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。然后逐点的把各插补点的位置和姿 态坐标值转换成关节坐标值，分送至各个关节。这就是第一级计算机的规划全过程。第二级计算机是执行计算机，它的任务是进行伺服电动机闭环控制。它接收了第一级计算机送来的各关节下一步 预期达到的位置和姿态后，又做一次均匀细分，以求运动轨迹更为平滑。然后将各关节的下一细步期望值逐点送给驱 动电动机，同时检测光电码盘信号，直到其准确到位。以上均为实时过程，上述大量运算都必须在控制过程中完成。以PUMA机器人控制器为例，第一级计算机的采样周期为28ms，即每28ms向第二级计算机送一次各关节的下一步位置和姿态的关节坐标，第二级计算机又将各关节 值等分30细步，每0.875ms向各关节送一次关节坐标值。(4) 示教盒 示教盒是人对机器人示教的人机交互接口，目前人对机器人示教有3种方式：1) 手把手示教 又称全程示教，即由人握住机器人机械臂末端，带动机器人按实际任务操作一遍。在此过程中， 机器人控制器的计算机逐点记下各关节的位置和姿态值，而不作坐标转换，再现时，再逐点取出，这种示教方式需要 很大的计算机内存、而且由于机构的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在喷漆、喷涂机器人上。2) 示教盒示教 即由人通过示教盒操纵机器人进行示教，这是最常用的机器人示教方式，目前焊接机器人都采用 这种方式。3) 离线编程示教 即无需人操作机器人进行现场示教，而可根据图样，在计算机上进行编程，然后输给机器人控 制器。它具有不占机器人工时，便于优化和更为安全的优点，所以是今后发展的方向。图12为ESAB焊接机器人的示教盒，它通过电缆与控制箱连接，人可以手持示教盒在工件附近最直观的位置进 行示教。示教盒本身是一台专用计算机，它不断扫描盒上的功能和数字键、操纵杆，并把信息和命令送给控制器。各 厂家的机器人示教盒都不相同，但其追求的目标都是为方便操作者。图12焊接机器人的示教盒示教盒上的按键主要有 3类：1）示教功能键 如示教/再现、存入删除修改、检查、回零、直线插补、圆弧插补等，为示教编程用。2）运动功能键 如刀向动、y向动、z向动、正/反向动、 16关节转动等，为操纵机器人示教用。3）参数设定键 如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等。3点焊机器人3 . 1点焊机器人概述点焊机器人的典型应用领域是汽车工业。一般装配每台汽车车体大约需要完成3000 4000个焊点，而其中的60 %是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达150台。汽车工业引入机器人已取得了下述明显效益：改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量：提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出 来。今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱。最初，点焊机器人只用于增强焊点作业（往已拼接好的工件上增加焊点）。后来，为了保样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有：安装面积小，工作空间大：快速完成小节距的多点定位 （例如每0 30 .4s移动3050mm节距后定位）：定位精度高 （土 0 . 25mm），以确保焊接质量：持重大 （3001000N）, 以便携带内装变压器的焊钳；示教简单，节省工时；安全可靠性好。表1列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压 伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电动机驱动方向过渡，随着微电子技术的发展，机器人技术 在性能、小型化、可靠性以及维修等方面日新月异；在机型方面，尽管主流仍是多用途的大型 6轴垂直多关节机器人，但是，出于机器人加工单元的需要，一些汽车制造厂家也进行开发立体配置35轴小型专用机器人的尝试。表1点焊机器、人的分类分类特征用途垂直多关节型（落地式）工作空间/安装面积之比大，持重多数为1000N左右，有时还可以附加整机移动自由度主要用语增强焊点作业垂直多关节型（悬挂式）工作空间均在机器人的下方车体的拼接作业直角坐标型多数为3、4、5轴，适合于连续直线焊缝，价格便宜定位焊接用机器人（单 向加压）能承受500KG加压反力的高刚度机器人。有些机器人本身带加 压作业功能车身底板的定位焊典型点焊机器人的规格。以持重 1000N，最高速度4m / s 2的6轴垂直多关节点焊机器人为例。由于实用中 几乎全部用来完成间隔为 3050mm左右的打点作业，运动中很少能达到最高速度，因此，改善最短时间内频繁短 节距起、制动：的性能是本机追求的重点o :为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重量，增加驱动系统的输出力矩。同时，为了缩短滞后时间，得到高的静态定位精度，该机采用低惯性、高刚度减速器和高功率的无 刷伺服电动机。由于在控制回路中采取了加前馈环节和状态观测器等措施，控制性能得到大大改善，50mm短距离移动的定位时间被缩短到 0 4s以内。一般关节式点焊机器人本体的技术指标，见表2。表2点焊机器人主要技术指标结自由度号构全关节型6轴：驱动直流伺服电动杠运 动 范 围腰转范围士 135 °最大速度50 °/ s大臂转前 50°,后 30°45° /s小臂转下 40°, 上 20°40°/ s腕摆士 90 °士 80 ° / s腕转士 90 °士 80 ° / s腕捻士 170 °士 80 ° / s最大负荷65kg重复精度士 1mm控制系统计算伺服控制，6轴同时控制轨迹控制系统PTP 及 CP运动控制直线插补示教系统示教再现内存容量1280 步温度045C环境要求湿度20 %90 % RH电源要求220V交流，50Hz三相自重1500kg3 2 点焊机器人及其系统的基本构成(1) 点焊机器人的结构形式 点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为 3 大组成部分，即机器人本 体、点焊焊接系统及控制系统，如图 40 13 所示。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及 全关节型。前者可具有 13个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有56个自由度，分DC伺服和AC伺服两种形式，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。点焊机器人控制系统由本体控制部分及焊接控制部分组成。本体控制部分主要是实现示封瓦孤惺占估罟乃焙彦粹制 ! 惺辖粹制挑分段的时间及程序转换以外，还通过改变主电路晶闸管的导通角而实现焊接电流控制。(2) 点焊机器人焊接系统 焊接系统主要由焊接控制器、焊钳 ( 含阻焊变压器 ) 及水、电、气等辅助部分组成， 系统原理，如图 14 所示。1) 点焊机器人焊钳 点焊机器人焊钳从用途上可分为 C 形和 X 形两种。 C 形焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜 位置的焊缝： X 形焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊缝。从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分为分离式、内藏式和一体式3 种形式。a 分离式焊钳 该焊钳的特点是阻焊变压器与钳体相分离，钳体安装在机器人手臂上，而焊接变压器悬挂在机器 人的上方，可在轨道上沿着机器人手腕移动的方向移动，二者之间用二次电缆相连，如图15 所示。其优点是减小了机器人的负载，运动速度高，价格便宜。图13典型点焊机器人焊接系统和主机简图a）点焊机器人焊接系统b）典型点焊机器人主机简图I图14焊接系统原理图图15分离式焊钳点焊机器人分离式焊钳的主要缺点是需要大容量的焊接变压器，电力损耗较大，能源利用率低。此外，粗大的二次电缆在焊 钳上引起的拉伸力和扭转力作用于机器人的手臂上，限制了点焊工作区间与焊接位置的选择。分离式焊钳可采用普通 的悬挂式焊钳及阻焊变压器。但二次电缆需要特殊制造，一般将两条导线做在一起，中间用绝缘层分开，每条导线还 要做成空心的，以便通水冷却。此外，电缆还要有一定的柔性。b内藏式焊钳 这种结构是将阻焊变压器安放到机器人手臂内，使其尽可能地接近钳体，变压器的二次电缆可以在内部移动，如图 40-16 所示。当采用这种形式的焊钳时，必须同机器人本体统一设计，如Cartesia n机器人就采用这种结构形式。另外，极坐标或球面坐标的点焊机器人也可以采取这种结构。其优点是二次电缆较短，变压器的容 量可以减小，但是使机器人本体的设计变得复杂。c一体式焊钳 所谓一体式就是将阻焊变压器和钳体安装在一起，然后共同固定在枫器人手臂末端的法兰盘上，如图40 17所示。其主要优点是省掉了粗大的二次屯缆及悬挂变压器的工作架，直接将焊接变压器的输出端连到 焊钳的上下机臂上，另一个优点是节省能量。例如，输出电流12000A，分离式焊钳需75kVA的变压器，而一体式焊钳只需25kVA。一体式焊钳的缺点是焊钳重量显著增大，体积也变大，要求机器人本体的承载能力大于60kg。此外,焊钳重量在机器人活动手腕上产生惯性力易于引起过载，这就要求在设计时，尽量减小焊钳重心与机器人手臂轴心线 间的距离。阻焊变压器的设计是一体式焊钳的主要问题，由于变压器被限制在焊钳的小空间里，外形尺寸及重量都必须比一般的小，二次线圈还要通水冷却。目前，采用真空环氧浇铸工艺，已制造出了小型集成阻焊变压器。例如30kVA的变压器，体积为325x135125mm3，重量只有18kg。d .逆变式焊钳这是电阻焊机发展的一个新方向。目前，国外已经将装有逆变式焊钳的点焊机器人用于汽车装焊生产线上，我国对此正在进行研究。20CkVA4OA380V图17 一体式焊钳点焊机器人2) 焊接控制器控制器由Z80CPU、EPROM及部分外围接口芯片组成最小控制系统，它可以根据预定的焊接监控程序，完成点焊时的焊接参数输入，点焊程序控制。焊接电流控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本体计算机及手 控示教盒的通信联系。常用的点焊控制器主要有3种结构形式。a 中央结构型 它将焊接控制部分作为一个模块与机器人大体控制部分共同安排在一个控制柜内，由主计算机统 一管理并为焊接模块提供数据，焊接过程控制由焊接模块完成。这种结构的优点是设备集成度高，便于统一管理。b 分散结构型 分散结构型是焊接控制器与机器人本体控制柜分开，二者采用应答式通信联系，主计算机给出焊 接信号后，其焊接过程由焊接控制器自行控制，焊接结束后给主机发出结束信号，以便主机控制机器人移位，其焊接 循环如图18所示。这种结构的优点是调试灵活，焊接系统可单独伸用，佃需要一定距离的通信，集成度不如中央结构型咼。图18点焊机器人焊接循环T i -焊接控制器控制 T 2-机器人主控计算机控制T - 焊接周期F -电级压力I -焊接电流焊接控制器与本体及示教蜕简的联系信号主要有焊钳大小行程、焊接电流增/减号，焊接时间增减、焊接开始及结束，焊接系统故障等。c群控系统 群控就是将多台点焊机器人焊机(或普通焊机)与群控计算机相连，以便对同时通电的数台焊机进行控制，实现部分焊机的焊接电流分时交错，限制电网瞬时负载，稳定电网电压保证焊点质量。群控系统的出现 可以使车间供电变压器容量大大下降。此外，当某台机器人(或点焊机)出现故障时，群控系统启动备用的点焊机器人或对剩余的机器人重新分配工作，以保证焊接生产的正常进行。为了适应群控的需要，点焊机器人焊接系统都应增加“焊接请求”及“焊接允许”信号，并与群控计算机相连。(3) 新型点焊机器人系统最近，点焊机器人与 CAD系统的通信功能变得重要起来，这种CAD系统主要用来离线示教。图40-19为含CAD及焊接数据库系统的新型点焊机器人系统基本构成。(4) 点焊机器人对焊接系统的要求1) 应采用具有浮动加压装置的专用焊钳，也可对普通焊钳进行改装。焊钳重量要轻，可具有长、短两种行程2,以便于快速焊接及修整、更换电极、跨越障碍等。2) 一体式焊钳的重心应设计在固定法兰盘的轴心线上。3) 焊接控制系统应能对阻焊变压器过热、晶闸管过热飞晶闸管短路断路、气网失压、电网电压超限、粘电极等故 障进行自诊断及自保护，除通知本体停机外，还应显示故障种类。图19含CAD系统的点焊机器人系统4) 分散结构型控制系统应具有通信联系接口。能识别机器人本体及手控盒的各种信号，并做出相应的反应。3 . 3点焊机器人的选择在选用或引进点焊机器人时，必须注意以下几点：1) 必须使点焊机器人实际可达到的工作空间大于焊接所需的工作空间。焊接所需的工作空间由焊点位置及焊点数量确定。2) 点焊速度与生产线速度必须匹配。首先由生产线速度及待焊点数确定单点工作时间，而机器人的单点焊接时间(含加压、通电、维持、移位等 )必须小于此值，即点焊速度应大于或等于生产线的生产速度。3) 按工件形状、种类、焊缝位置选用焊钳。垂直及近于垂直的焊缝选 C形焊钳，水平及水平倾斜的焊缝选用K形焊钳。4) 应选内存容量大，示教功能全，控制精度高的点焊机器人。5) 需采用多台机器人时，应研究是否采用多种型号，并与多点焊机及简易直角坐标机器人并用等问题。当机器人 间隔较小时，应注意动作顺序的安排，可通过机器人群控或相互间联锁作用避免干涉。根据上面的条件，再从经济效益、社会效益方面进行论证方可以决定是否采用机器人及所需的台数、种类等。4弧焊机器人4 . 1弧焊机器人概述1) 弧焊机器人的应用范围弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用；这是因为弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及的缘故。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是一一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。图20为焊接系统的基本组成，图21为适合机器人应用的弧焊方法。2) 弧焊机器人的作业性能在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度约取550mm/s、轨迹精度约为i0.20.5mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。作业时，为了得到优质焊缝，往往需要在动作的示教以及焊接条件(电流、电压、速度)的设定上花费大量的劳力和时间，所以除了上述性能方面的要求外，如何使机器人便于操作也是一个重要课题。图20弧焊机器人系统的基本组成3）弧焊机器人的分类 从机构形式划分，既有直角坐标型的弧焊机器人，也有关节型的弧焊机器人。对于小型、简单的焊接作业，机器人有 4、5轴即可以胜任了，对于复杂工件的焊接，采用 6轴机器人对调整焊枪的姿态比较 方便。对于特大型工件焊接作业，为加大工作空间，有时把关节型机器人悬挂起来，或者安装在运载小车上使用，4）规格举一个典型的弧焊机器人加以说明。图22和表3分别是主机的简图和规格。自动半自幼）电弧埠-熔化魁极式一非气体 保护式裸丝非气体保护焊L非熔化电摄式图21为适合机器人应用的弧焊方法表40-3典型弧焊机器人的规格持重5kg ,承受焊枪所必须的负荷能力重复位置糟度士 0. 1mm高精度可控轴数6轴同时控制，便于焊枪姿态调整动作方式各轴单独插补、直线插补、圆弧插补、焊枪端部等速控制（直线、圆弧插补）速度控制进给61500m,:，焊接速度150mm/s，调速范围广（从极低速到高速均可调）焊接功能焊接电流、电压的选定，允许在焊接中途改变焊接条件，断弧、粘丝保护功能，焊 接抖动功能（软件）存储功能IC 存储器，128kW、辅助功能定时功能、外部输入输岀接口。应用功能程序编辑、外部条件判断、异常检查、传感器接口4. 2弧焊机器人系统的构成弧焊机器人可以被应用在所有电弧焊、切割技术范围及类似的工艺方法中。最常用的应用范围是结构钢和CT Ni钢的熔化极活性气体保护焊（C02气体保护焊、MAG焊），铝及特殊合金熔化极惰性气体保护焊（MIG） , Cr Ni钢和铝的加冷丝和不加冷丝的钨极惰性气体保护焊（TIG）以及埋弧焊。除气割、等离子弧切割及等离子弧喷涂外还实现了在激光切割上的应用。图20是一套完整的弧焊机器人系统，它包括机器人机械手、控制系统、焊接装置、焊件夹持装置。夹持装置上 有两组可以轮番进入机器人工作范围的旋转工作台。（1）弧焊机器人基本结构弧焊用的工业机器人通常有5个自由度以上，具有6个自由度的机器人可以保证焊枪的任意空间轨迹和姿态。图22为典型的弧焊机器人的主机简图。点至点方式移动速度可达60m /min以上，其轨迹重复精度可达到 +0.2mm，它们可以通过示教和再现方式或通过编程方式工作。这种焊接机器人应具有直线的及环形内插法摆动的功能。如图23的6种摆动方式，以满足焊接工艺要求，机器人的负荷为5kg 。n4；540會黑机蹇cb JTI：32胪i图22 典型弧焊机器人的主机简图b)c)d)e)f>图23弧焊机器人的6种摆动方式a)直线单摆b) L 形c) 三角形d) U 形e)台形f)高速圆弧摆动弧焊机器人的控制系统不仅要保证机器人的精确运动，而且要具有可扩充性，以控制周边设备确保焊接工艺的实施。图24是一台典型的弧焊机器人控制系统的计算机硬件框图。控制计算机由8086CPU做管理用中央处理机单元，8087协处理器进行运动轨迹计算，每4个电动机由1个8086CPU进行伺服控制。通过串行I /O接口与上一级管理计算机通信；采用数字量I / O和模拟量I /O控制焊接电源和周边设备。该计算机系统具有传感器信息处理的专用CPU(8085)，微计算机具有384K的ROM和64K的RAM，以及512K磁泡的内存，示教盒与总线采用DMA方式(直接存储器访问方式)交换信息，并有公用内存64K。(2) 弧焊机器人周边设备弧焊机器人只是焊接机器人系统的一部分，还应有行走机构及小型和大型移动机架。通过这些机构来扩大工业机器人的工作范围(见图25)，同时还具有各种用于接受、固定及定位工件的转胎(见图26)、定位装置及夹具。在最常见的结构中，工业机器人固定于基座上（见图20），工件转胎则安装于其工作范围内。为了更经济地使用工业机器人，至少应有两个工位轮番进行焊接。所有这些周边设备其技术指标均应适应弧焊机器人的要求。即确保工件上的焊缝的到位精度达到+0 2mm。以往的周边设备都达不到机器人的要求。为了适应弧焊机器人的发展，新型的周边设备由专门的工厂进行生产。ICPU8086 ( 8087匚J础R已匸二 A控制CPU8O864DMARS232CMXRT琏盘PS-232CCPU8O86串行 J/O 总皴 变换公用内存g 一 一. rH._r 控制CPI TRHKA _ _ r'CPU8086 云丁1一干 RS- 232C计算机操柞盘11（变1模拟量丄电赫1 I/O亠电*1传"恂®器处理厂1接口装置机矍人"0I/OCPU80fi5图24弧焊机器人控制系统计算机硬件框图鉴于工业机器人本身及转胎的基本构件已经实现标准化，所以，用于每种工件装夹、夹紧、定位、及固定的工具 必须重新设计。这种工具既有简单的，用手动夹紧杠杆操作的设备；也有极复杂的全自动液压或气动夹紧系统。必须 特别注意工件上焊缝的可接近性。根据转胎及工具的复杂性，机器人控制与外围设备之间的信号交换是相当不同的，这一信号交换对于工作的安全 性有很大意义。（3）焊接设备 用于工业机器人的焊接电源及送丝设备，由于参数选择，必须由机器人控制器直接控制。为此，一般至少通过2个给定电压达到上述目的。对于复杂过程，例如脉冲电弧焊或填丝钨极惰性气体保护焊时，可能需要 25个给定电压，电源在其功率和接通持续时间上必须与自动过程相符合，必须安全地引燃，并无故障地工作，使 用最多的焊接电源是晶闸管整流电源。近年的晶体管脉冲电源对于工业机器人电弧焊具有特殊的意义。这种晶体管脉 冲电源无论是模拟的或脉冲式的，通过其脉冲频率的无级调节，在结构钢、Cr-Ni钢及铝焊接时都能保证实现接近无飞溅的焊接。与采用普通电源相比，可以使用更大直径的焊丝，其熔敷效率更高。有很多焊接设备制造厂为工业机器人设计了专用焊接电源，采用微处理机控制，渗以便与工业机器人控制系统交换信号。送丝系统必须保证恒定送丝，送丝系统应设计成具有足够的功率，并能调节送丝速度。为了机器人的自由移动， 必须采用软管，但软管应尽量短。在工业机器人电弧焊时，由于焊接持续时间长，经常采用水冷式焊枪，焊枪与机器 人末端的连接处应便于更换，并需有柔性的环节或制动保护环节，防止示教和焊接时与工件或周围物件碰撞影响机器 人的寿命。图27为焊枪与机器人连接的一个例子。在装卡焊枪时，应注意焊枪伸出的焊丝端部的位置应符合机器人 使用说明书中所规定的位置，否则示教再现后焊枪的位置和姿态将产生偏差。机器人台车移动门形架肋板骨枪工字钢V点固輝缝图25机器人倒置在移动门架上图26各种机器人专用补胎图27焊枪的固定(4) 控制系统与外围设备的连接工业控制系统不仅要控制机器人机械手的运动，还需控制外围设备的动作、开启、切断以及安全防护，图 40-28是典型的控制框图。控制系统与所有设备的通信信号有数字量信号和模拟量信号。控制柜与外围设备用模拟信号联系的有焊接电源、送丝机构、以及操作机 (包括夹具、变位器等 )。这些设备需通过控制系统预置参数，通常是通过D / A数模转换器给定基准电压，控制器与焊接电源和送丝机构电源一般都需有电量隔离环响，控制系统对操作机电动机的伺服控制 与对机器人伺服控制电动机的要求相仿，通常采用双伺服环。确保工件焊缝到位精度与机器人到位精度相等。控制台示教盒操作黠图28是典型的控制框图数字量信号负担各设备的启动、停止、安全以及状态检测。3弧焊机器人的操作与安全(1)弧焊机器人的操作工业机器人普遍采用示教方式工作，即通过示教盒的操作键引导到起始点，然后用按键确定位置，运动方式(直线或圆弧插补)、摆动方式、焊枪姿态以及各种焊接参数。同时还可通过示教盒确定周边设 备的运动速度等。焊接工艺操作包括引弧、施焊熄弧、填充火口等，亦通过示教盒给定。示教完毕后，机器人控制系 统进入程序编辑状态，焊接程序生成后即可进行实际焊接。下面是焊接操作的一个实例(见图29)。11图29焊接操作1) F=2500，以TV=2500cm /min的速度到达起始点；2) SEASA=H1 , L仁0,根据 H1 给出起始点 L2=0 , F=100 :3) ARCON F=35 , V=30 ;在给定条件下开始焊接I 一 280 , TF=0.5 , SENSTON=H1跟踪焊缝；4) SENSTON = HI ;给出焊缝结束位置；5) CORN=*CHFOIAI :执行角焊缝程序，CHFOIAI ;6) F=300, DW=1. 5 ; 1. 5s 后焊接速度为 v=300cm/min ;7) F=100;以v=100cm / min ，并保持到下一示教点；8) ARCON , DBASE=*DHFL09:开始以数据库 *DHFL09的数据焊接；9) arcoff, vC=20 , ic=180 :在要求条件下结束焊接 TC=1.5 , F=200 :10) F=1000 ;以 v=1000cm / min 的速度运动：11) Dw=1, OUTB=2 , 1s 后，在#2点发出1个脉冲；12) F=100:以 v=100cm / min 的速度运动；13) MULTON=*M : 执行多层焊接程序2M ;14) MULTOFF , F=200 :结束多层焊接。(2)弧焊机器人的安全 安全设备对于工业机器人工位是必不可少的。工业机器人应在一个被隔开的空间内工作,用门或光栅保护，机器人的工作区通过电及机械方法加以限制。从安全观点出发，危险常出现在下面几种情况：1) 在示教时 这时，示教人员为了更好地观察，必须进到机器人及工件近旁。在此种工作方式下，限制机器人的 最高移动速度和急停按键，会提高安全性。2) 在维护及保养时 此时，维护人员必须靠近机器人及其周围设备工作及检测操作。3) 在突然出现故障后观察故障时因此，机器人操作人员及维修人员必须经过特别严格的培训。5机器人焊接智能化技术一般工业现场应用的弧焊机器人大都是示教再现型的，这种焊接机器人对示教条件以外的焊接过程动态变化焊 件变形和随机因素干扰等不具有适应能力。随着焊接产品的高质量、多品种小批量等要求增加，以及应用现场的各 种复杂变化，使得直接从供货公和技术要求。这就需要对本体机器人焊接系统进行二次开发。通常包括给焊接机器人 配置适当的传感器，柔性周边设备以及相应软件功能，如焊缝跟踪传感、焊接过程传感与实时控制、焊接变位机构以 及焊接任务的离线规划与仿真软件等。这些功能大大扩展了基本示教再现焊接机器人的功能，从某种意义上讲，这样 的焊接机器人系统已具有一定的智能行为，不过其智能程度的高低由所配置的传感器、控制器以及软硬件所决定。目 前，这种焊接机器人智能化系统已成发展趋势，现将相关的智能化技术简要介绍如下。5 . 1机器人焊接智能化系统技术组成机器人焊接智能化系统是建立在智能反馈控制理论基础之上，涉及众多学科综合技术交叉的先进制造系统。除了 不同的焊接工艺要求不同的焊接机器人实现技术与相关设备之外，现行机器人焊接智能化系统可从宏观上划分为如图 30所示的组成部分：图30机器人焊接智能化系统技术组成图30中机器人焊接智能化系统涉及如下几个主要技术基础：1) 机器人焊接任务规划软件系统设计技术；2) 焊接环境、焊缝位置及走向以及焊接动态过程的智能传感技术；3) 机器人运动轨迹控制实现技术；4) 焊接动态过程的实时智能控制器设计；5) 机器人焊接智能化复杂系统的控制与优化管理技术。5 . 2机器人焊接任务规划软件设许技术机器人焊接任务职能规划系统的基本任务是在一定的焊接工作区内自动生成从初始状态到目标状态的机器人动作 序列、可达的焊枪运动轨迹和最佳的焊枪姿态、以及与之相匹配的焊接参数和控制程序，并能实现对焊接规划过程的 自动仿真与优化。即CAD机器人焊接任务规划可归结为人工智能领域的问题求解技术，其包含焊接路径规划和焊接参数规划两部分。由于 焊接工艺及任务的多样性与复杂性，在实际施焊前对机器人焊接的路径和焊接参数方案进行计算机软件规划(仿真设计研究)是十分必要的。这一方面可以大幅度节省实际示教对生产线的占用时间，提高焊接机器人的利用率， 另一方面还可以实现机器人运动过程的焊前模拟，保证生产过程的有效性和安全性。机器人焊接路径规划的涵义主要是指对机器人末端焊枪轨迹的规划。焊枪轨迹的生成是将一条焊缝的焊接任务