焊接机器人的控制原理及应用

焊接机器人的控制原理及应用 焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备，是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化传统方式，开拓了一种柔性自动化新方式。在大三上学期的认识实习过程中，已经在长力机械厂有所接触。焊接机器人采用机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志己被国内许多工厂所接受，并且越来越多的企业首选焊接机器人作为技术改造的方案。一、我国焊接机器人技术的发展历史焊接机器人技术的发展我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家863高科技计划。在国家863计划实施五周年之际，邓小平同志提出了发展高科技，实现产业化的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家八五和九五中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。二、焊接机器人的组成 常规的弧焊机器人系统由以下5部分组成。 1、 机器人本体，一般是伺服电机驱动的 6 轴关节式操作机，它由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证机械手末端（悍枪）所要求的位置、姿态和运动轨迹。 2、 机器人控制柜，它是机器人系统的神经中枢，包括计算机硬件、软件和一些专用电路，负责处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 3、 焊接电源系统，包括焊接电源、专用焊枪等。 4、 焊接传感器及系统安全保护设施。 5、 焊接工装夹具。 三、焊接机器人工作站的工作原理焊接机器人工作站正常运行的中枢是其控制柜中的计算机系统。焊接机器人工作站通过计算机系统对焊接环境、焊缝跟踪及焊接动态过程进行智能传感，根据传感信息对各种复杂的空间曲线焊缝进行实时跟踪控制，从而控制焊枪能够实现规划轨迹运行，并对焊接动态过程进行实时智能控制。由于焊接工艺、焊接环境的复杂性和多样性，焊接机器人工作站在实施焊接前，应配备其焊接路径和焊接参数的计算机软件系统。该软件要对焊缝空间的连续轨迹、焊接运动的无碰路径及焊枪姿态进行规划设计，并根据焊接工艺来优化焊接参数。四、焊接机器人使用过程中的安全要求焊接机器人能够代替人类在危险、有害的恶劣环境中作业，同时又带来了另一种潜在的危险，即机器人伤人事故。为此，在焊接机器人在线运行时，绝对不能有人进入其运动安全范围所在区域，并且其运动区域内应该保证无干涉，这是焊接机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，还要注意焊接机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。例如现在我们正在使用的安全措施：1、 为焊接机器人及其周边设备安装安全防护栏，以防止有人进入危险区域造成意外伤害；2、 在安全护栏入口的安全门上设置插拔式电接点开关，该开关与焊接机器人的安全回电路相连接，一旦安全门打开，机器人控制器将切断机器人的驱动电源，机器人立即停止运动；3、 在距焊接机器人所在工位最近的地方，安装多个紧急停止开关，一旦发生紧急或危险情况，工作人员可以就近按下急停，让机器人停止运动；4、 示教作业时降低焊接机器人的运动速度，并由经过专业技术操作培训的人员进行示教；5、 焊接机器人安全电路与生产线安全电路联为一体，当生产线遇到紧急情况时，生产工人可以按下该线上任何工位的紧急停止开关，让机器人停止运动；五、焊接机器人的应用 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%。在汽车行业中，点焊机器人与弧焊机器人的比例为3：2，而其他行业大都是以弧焊机器人为主。20世纪90年代以来，先进技术、生产设备及工艺装备的引进使我国的汽车制造水平讯速提高到规模化生产，国外焊接机器人大量进入中国。我国的焊接装备水平、前后道工序设备的制造水平及系统集成能力与国外仍然存在很大差距，这直接制约了机器人在国内其它行业的发展。六、焊接机器人的应用技术分析1.机器人与焊接设备共同发展 焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越性，取决于这几方面技术的共同提高，而系统工程技术是机器人技术和焊接技术的粘合剂。以安川电机的MOTOMAN机器人为例，过去几代机器人的发展都是围绕焊接设备完成多项焊接专用功能的开发，如焊接参数的渐变调节功能、TIG焊接时利用摆焊同步技术进行的断续填丝焊接功能、弧焊传感器（电弧跟踪）功能及焊接实时监控功能等，都是焊接工艺的需求促使下的开发。 同样地，焊接设备制造商为了实现机器人自动化焊接，在焊接电源的设计上也做了许多改进，如、机器人可检出焊缝位置使用的高电压，焊接电源做到了内置；与机器人的通信接口方面，现在许多焊机制造商都采用了方便快捷的通信接口。2. 焊接机器人提高精度 企业在生产中应用机器人意味着追求高效率、高焊接质量，因此各机器人厂家都在焊接速度上寻求突破，而机器人在轨迹控制上的高精度是高速焊接的可靠保证。 MOTOMAN机器人在新一代控制器NX100中，应用ARM（Advanced Robot Motion）控制技术将各轴的惯性矩、重力矩、机器人安装位置等因素纳入运动控制计算，大大提高了运动轨迹的精度。如，在焊接工作站中，我们会遇到各种机器人安装形式（如图1a），在每种安装方式中，机器人各轴所受的重力矩各不相同，我们只要在ARM控制中正确地设置机器人对地面的角度，就会克服各种安装方式对轨迹精度造成的不利影响。3.双机协调焊接功能有时我们会遇到长形工件，焊缝分布在工件的两端，若采用1台机器人进行焊接，会出现因两端不同时焊接而造成焊接变形不一致，从而使工件在长度方向上扭转变形，焊接后的工件难以符合尺寸要求。针对这种类型的工件，我们常采用2台机器人同时协调焊接的方式，这就促生了两台机器人双机协调焊接技术。在汽车后桥和消声器的焊接中，经常会使用到该项技术。 此外，焊接机器人的实用功能还有很多，并已经过实践的检验，为提高焊接生产效率和焊接质量带来了明显的效果。同时，每个机器人厂家对各种功能的开发也各有特点，可以说，在这个舞台上，各种各样的先进技术始终在不断涌现，异彩纷呈。七、焊接机器人的发展展望在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的焊机机器人设备；另一方面，仍然通过引进和消化，吸收一些现有的先进技术，踩在别人的肩膀上，尽快缩短和别人的差距。并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际竞争舞台上的地位。