焊接机器人系统.ppt

第六章焊接机器人系统,第一节焊接机器人概论,一、焊接机器人的定义,工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。焊接机器人是从事焊接作业（包括切割与喷涂）的工业机器人。,二、焊接机器人的分类,1、按用途来分,弧焊机器人,点焊机器人,2、按构形来分,侧置式（摆式）结构,平行四边形结构,3、按结构坐标系特点来分,球坐标型,全关节型,直角坐标型,圆柱坐标型,4、按受控运动方式来分,（1）点位控制（PTP）型机器人受控方式为自一个点位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。要求机器人在目标点上有足够的定位精度。相邻目标点间的运动方式有两种：一是各关节驱动机以最快速度趋近终点，各关节视其转角大小不同而到达终点有先有后；一是各关节同时趋近终点，由于各关节运动时间相同，所以角位移大的运动速度较高。点位控制型机器人主要用于点焊作业。,（2）连续轨迹控制（CP）型机器人各关节同时作受控运动，使机器人终端按预期的轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要实时获取驱动机的角位移和角速度信号。连续轨迹控制只要用于弧焊机器人。,气压驱动气压驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，易于保养；主要缺点是功率质量比小，装置体积大，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。,5、按驱动方式来分,液压驱动液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围实现无级调速；其主要缺点是易露油，影响工作稳定性和定位精度，污染环境，另外需要配备复杂的管路系统，成本较高。液压驱动多用于要求输出力大、运动速度较低的场合。,电气驱动易于控制，运动精度高，使用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境，是最普遍、应用最多的驱动方式。电气驱动可细分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷直流电机驱动、交流伺服电机驱动等多种方式。无刷电机驱动有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性极高，几乎不需任何维护。,直流伺服电动机原理,无刷电动机原理,三、焊接机器人系统组成,机器人操作机变位机控制器焊接系统焊接传感器中央控制计算机安全设备,焊接机器人控制系统结构原理,四、机器人的应用方式,1、机器人工作单元2、带机器人的生产线,五、机器人焊接的主要优点,1、焊接质量高，稳定性好；2、可提高劳动生产率；3、改善劳动条件；4、降低工人技术操作水平；5、缩短产品更新换代周期；6、降低生产成本；7、柔性化程度高，可实现小批量产品的焊接自动化；8、在各种极限条件下完成焊接作业。,六、机器人焊接的发展阶段,1、示教再现2、离线编程3、自主编程,七、机器人焊接发展概况,自1962年美国推出实际上第一台Unimate型和Versatran型工业机器人以来，机器人已经广泛应用于各行各业，主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业，其中半数以上为焊接机器人。,Versatran机器人,Unimate机器人,第二节焊接机器人系统的基本配置,内容,焊接机器人操作机机器人焊接系统外围设备,一、焊接机器人操作机的选择,1、自由度：,焊接机器人基本都属于6轴关节式，其中1、2、3轴的运动是把焊枪（焊钳）送到焊接位置，而4、5、6轴的运动是解决焊枪（焊钳）的姿态问题。,3、机构形式：,2、驱动方式：,各关节（轴）的运动基本采用交流伺服电机驱动。由于交流伺服电机没有碳刷，动特性好，负载能力强，机械臂运动速度快，故障率低，免维护时间长。,二、机器人焊接系统的选择,1、弧焊装置,焊接电源,1、负载持续率,2、电源种类普通焊接电源（晶闸管）具有减少短路过渡飞溅的气体保护焊接电源（波形控制，表面张力过渡）颗粒过渡或者射流过渡用大电流电源（晶闸管，FS100%，射流过渡MAG焊、粗丝大电流CO2保护潜弧焊或双丝焊）特殊功能焊接电源（方波交流电源、带专家系统的协调控制电源和模糊控制电源等）,送丝装置,1、送丝机（安装方式，送丝轮，控制方式，送丝方式）2、送丝软管（结构，送丝导管）3、焊枪（鹅颈弯曲角，TCP的调整，拉丝焊枪）,防撞传感器,影响送丝稳定性的因素,送丝机的送丝速度控制精度不高；送丝轮的压紧力不适合；送丝导管和焊丝的直径不匹配；焊丝表面铜镀层脱落；导丝管过长或者弯曲角度过大；焊枪鹅颈角度不合适；,2、点焊装置,焊钳；变压器；定时器。,变压器与机器人分离；变压器装在机器人的上臂上；变压器与焊钳组合成一体式。,装备组成,结构形式,一体式焊钳,气动焊钳其电极的张开和闭合由压缩空气通过气缸驱动。一般有两个局限：一是电极的张开度一般只有两级，大的张开度（大冲程）主要是为了方便把焊钳深入工件较深的部位，不会发生焊钳和工件的干涉或者碰撞；小的张开度（小冲程）是在连续点焊时，为了减小焊钳开合的时间，提高工作效率。焊钳的电极开合度在编程时根据工件情况进行设定。二是电极的压紧力一旦设定，在焊接过程中不能变动。,电伺服点焊钳,电动焊钳其电极的张开和闭合是由伺服电机驱动及码盘反馈闭环控制，张开度可以根据需要在编程时任意设定，而且电极间的压紧力（由电机电流控制）也能实现无级调节。这种具有以下优点：i大幅度降低每一个焊点的焊接周期。由于焊钳张合的整个过程都由计算机精确监控，所以机器人在焊点间移动过程中，焊钳就可以闭合；焊完一点后，焊钳一边打开，机器人就可以一边移动，而不必象气动焊钳那样必须等焊钳完全张开后才能移动，也不必等机器人到位后才开始闭合。ii焊钳的张开度可以根据工件情况任意调节，只要不发生干涉或者碰撞，可以尽可能减小张开度，以减少焊钳开合时间，提高焊接效率。iii焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以任意调节，而且两电极的闭合速度也是可变的，开始快后来慢，最后轻轻地和工件接触，减少电极冲击和工件变形，必要时还可以调节焊接过程中的压力大小，减少点焊喷溅。,焊接定时器1、以前的定时器大多与机器人控制柜分离开，控制柜只控制机器人的运动、焊钳姿态和开合，定时器控制焊接的电参数和通电时间（周波数）。如果两者之间通过控制柜与定时器之间的I/O口进行通讯，则编程时不能对焊接参数进行任意编程，只能从定时器预先设定的几组参数中挑选一组；2、定时器是单片机或工控机进行控制的，则机器人控制柜可通过一个接口直接控制焊接参数，所有参数都可由编程器在编程时直接输入和预置。机器人和定时器一体式时，可节省作业空间，不需要机器人控制柜和定时器之间的接口，方便可靠。焊钳防撞措施点焊机器人由于焊钳较重，不能安装象弧焊机器人那样的防撞传感器，因此要求点焊机器人的控制柜具备在机器人或者焊钳与周边设备或者工件发生碰撞，即在负载超出限定值时，能立即停止机器人运动的功能，甚至还能自动后退，避免焊钳与工件紧顶而损坏工件或者焊钳。,三、外围设备,机器人底座和机架机器人移动装置工件的固定工作台焊接工装夹具工件变位装置焊枪喷嘴清理装置焊丝切剪装置焊钳电极的修整、更换装置,1、机器人的底座和机架,2、工件和机器人的移位和变位装置,复合型变位机,搬运机器人变位机,与变位机相比较，搬运机器人作为变位机，其灵活性、柔性和精度都更高；搬运机器人负载能力大，可以将卡具和工件一同提起送给焊接机器人进行焊接，从而焊接机器人可以选用较小的型号以降低成本；用搬运机器人作为变位机容易实现双机器人的协调运动，可以更好地焊接复杂曲线的焊缝理想，使焊缝在姿态下焊接；当需要更换工件时，只需要更换卡具和机器人程序，工作量小，耗时少，换型快；机器人作为变位机所用卡具大多是比较简单的通用抓手，制造成本低；机器人作为变位机还可以发挥其搬运能力的作用，即可以从一处搬运来工件进行焊接，焊接完成以后又可以将工件送到其它位置进行作业，从而加快了工件的输送速度，也可节省工件输送设备的投资。,3、其它辅助装置,焊枪喷嘴的清理装置,焊丝剪断装置,换枪装置,点焊钳电极的清理和修整装置,点焊机器人的效率比普通电焊机的效率高很多，电极容易磨损或变形，特别是点焊镀锌、镀锡或镀铅钢板时，电极会被镀层材料污染而影响焊接质量。因此，需要每焊一个或几个焊点就对电极进行清理，连续焊接一段时间后应对变形的电极端部进行整形。清理方法一般采用钢刷或铣刀，整形一般采用成形铣刀。目前，点焊机器人生产厂家一般都有配套的电极清理和整形装置。,安全与卫生装置,安全围栏,安全保卫设施（接近开关、光栅栏、安全地毯、急停按钮）,活接头,第三节焊接机器人工作站,一、简易焊接机器人工作站,1、产品对象凡是焊接时工件不需要变位的场合，并且机器人的活动范围又能达到所有焊缝或焊点位置的场合，都可以采用简易焊接机器人工作站。2、特点是能用于焊接生产的、最小组成的焊接机器人系统；操作简单，易于掌握，故障率低；投资小，见效快，投资回报率高。,3、基本组成,弧焊机器人：包括机器人本体、机器人控制柜、示教盒等焊接系统：弧焊电源和接口、送丝机、焊丝盘、送丝软管、焊枪、防撞传感器及各设备间相连接的电缆、气管和冷却水管等机器人底座或机架工装夹具：工作台、工件夹具辅助装备：围栏、安全保护设施和排烟罩等，必要时还可加装焊枪喷嘴清理和剪切焊丝装置。,弧焊机器人工作站,点焊机器人：机器人本体、机器人控制柜和编程盒等焊接系统：一体式焊钳、定时器和接口，各设备间的连接电缆、压缩空气管和冷却水管等机器人底座或机架工装夹具：工作台、工件夹具辅助装备：电极修整装置、围栏、安全保护设施等,点焊机器人工作站,4、应用实例,二、变位机和焊接机器人组合的工作站,1、回转台弧焊机器人的工作站,2、旋转倾斜变位机弧焊机器人工作站,3、翻转机弧焊机器人工作站,4、龙门机架弧焊机器人工作站,5、滑轨弧焊机器人工作站,6、焊接机器人搬运机器人工作站,三、焊接机器人与周边设备作协调运动的工作站,熔化焊过程中，如果能使整条焊缝各点熔池始终处于水平或者稍微下坡状态，则焊缝成形最平滑、最美观，焊缝质量也最好。这就要求变位机在整个焊接过程中与机器人协调动作，共同合成焊缝的轨迹，并保持焊接速度和焊枪姿态在要求范围之内。,必要性,第五节焊接柔性制造系统,柔性制造系统（FMS）的定义：,一个由计算机控制整个生产过程的系统；采用多台半独立的数控加工设备（如数控机床、机器人工作站等）；这些加工设备通过物料输送系统相互连接。,一、系统基本组成,焊接机器人工作站的基本结构,二、控制与编程方法,运行方式与模式,自动模式：所有命令都自动执行；手动模式：所有运行命令只能通过相应的按钮来操作，但必须依照合法的操作顺序运动才能实现；维修模式：在这种模式下所有限定都失去作用，因此操作起来比较容易出现事故，只允许在设备维修时由高级管理人员输入正确的密码后才能操作。,控制方法,用户级：这是平时使用的工作级别，设定在这级别时，操作人员不能更改生产线的基本参数；服务级：设定在这个级别时，操作人员只能更改工件输送系统的搜索模式或移动命令，但不能更改生产线的基本参数；高级管理级：必须由高级管理员输入密码才能进入这个级别，这是系统的所有参数都可以修改。,编程,W-FMS中每台机器人的编程与一般焊接机器人工作站的编程一样，可以用示教盒进行在线编程或者通过编程软件进行离线编程，然后把程序下载到机器人控制柜。但由一点必须注意，一套程序应能在相关的不同机器人工作站之间传输和使用。因此，在必要时应先运作接触寻位子程序，以自动修正程序的位置参数，使能适应两个不同工作站上工件的空间位置的细微差异。机器人工作站的全部运行程序，包括龙门机架、变位机的动作在内，一般都由机器人的控制柜或工作站的控制柜来控制，而工作站以外的设备，主要是子母车的运动、停靠位置和工件装卸与识别等则由控制中心的PLC控制。整个系统的运作由中心计算机监控及统一指挥，包括每一个机器人工作站应调用哪套程序进行焊接。,三、生产特点,W-FMS是一种适应多品种、中小批量产生的柔性化系统；W-FMS虽然可以适应各种类型工件进行自动化焊接生产，但一般还是要进行针对性专业化生产制造；工件结构应使机器人具有良好的可达性，并且尽量采用T型坡口，避免I型坡口的对接接头，使机器人在运行时电弧跟踪时更加有效；W-FMS各工作站焊接工件的周期（节拍）要均衡。,