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第六章焊接機器人系統(tǒng),第一節(jié)焊接機器人概論,一、焊接機器人的定義,工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機，具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。焊接機器人是從事焊接作業(yè)（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。,二、焊接機器人的分類,1、按用途來分,弧焊機器人,點焊機器人,2、按構(gòu)形來分,側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu),平行四邊形結(jié)構(gòu),3、按結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點來分,球坐標(biāo)型,全關(guān)節(jié)型,直角坐標(biāo)型,圓柱坐標(biāo)型,4、按受控運動方式來分,（1）點位控制（PTP）型機器人受控方式為自一個點位目標(biāo)移向另一個點位目標(biāo)，只在目標(biāo)點上完成操作。要求機器人在目標(biāo)點上有足夠的定位精度。相鄰目標(biāo)點間的運動方式有兩種：一是各關(guān)節(jié)驅(qū)動機以最快速度趨近終點，各關(guān)節(jié)視其轉(zhuǎn)角大小不同而到達終點有先有后；一是各關(guān)節(jié)同時趨近終點，由于各關(guān)節(jié)運動時間相同，所以角位移大的運動速度較高。點位控制型機器人主要用于點焊作業(yè)。,（2）連續(xù)軌跡控制（CP）型機器人各關(guān)節(jié)同時作受控運動，使機器人終端按預(yù)期的軌跡和速度運動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要實時獲取驅(qū)動機的角位移和角速度信號。連續(xù)軌跡控制只要用于弧焊機器人。,⑴氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于保養(yǎng)；主要缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，定位精度不高。氣壓驅(qū)動機器人適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。,5、按驅(qū)動方式來分,⑵液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高、快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍實現(xiàn)無級調(diào)速；其主要缺點是易露油，影響工作穩(wěn)定性和定位精度，污染環(huán)境，另外需要配備復(fù)雜的管路系統(tǒng)，成本較高。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力大、運動速度較低的場合。,⑶電氣驅(qū)動易于控制，運動精度高，使用方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境，是最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。電氣驅(qū)動可細分為步進電機驅(qū)動、直流電機驅(qū)動、無刷直流電機驅(qū)動、交流伺服電機驅(qū)動等多種方式。無刷電機驅(qū)動有著最大的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比，由于沒有電刷，其可靠性極高，幾乎不需任何維護。,直流伺服電動機原理,無刷電動機原理,三、焊接機器人系統(tǒng)組成,機器人操作機變位機控制器焊接系統(tǒng)焊接傳感器中央控制計算機安全設(shè)備,焊接機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理,四、機器人的應(yīng)用方式,1、機器人工作單元2、帶機器人的生產(chǎn)線,五、機器人焊接的主要優(yōu)點,1、焊接質(zhì)量高，穩(wěn)定性好；2、可提高勞動生產(chǎn)率；3、改善勞動條件；4、降低工人技術(shù)操作水平；5、縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代周期；6、降低生產(chǎn)成本；7、柔性化程度高，可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化；8、在各種極限條件下完成焊接作業(yè)。,六、機器人焊接的發(fā)展階段,1、示教再現(xiàn)2、離線編程3、自主編程,七、機器人焊接發(fā)展概況,自1962年美國推出實際上第一臺Unimate型和Versatran型工業(yè)機器人以來，機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復(fù)雜作業(yè)，其中半數(shù)以上為焊接機器人。,Versatran機器人,Unimate機器人,第二節(jié)焊接機器人系統(tǒng)的基本配置,內(nèi)容,焊接機器人操作機機器人焊接系統(tǒng)外圍設(shè)備,一、焊接機器人操作機的選擇,1、自由度：,焊接機器人基本都屬于6軸關(guān)節(jié)式，其中1、2、3軸的運動是把焊槍（焊鉗）送到焊接位置，而4、5、6軸的運動是解決焊槍（焊鉗）的姿態(tài)問題。,3、機構(gòu)形式：,2、驅(qū)動方式：,各關(guān)節(jié)（軸）的運動基本采用交流伺服電機驅(qū)動。由于交流伺服電機沒有碳刷，動特性好，負載能力強，機械臂運動速度快，故障率低，免維護時間長。,二、機器人焊接系統(tǒng)的選擇,1、弧焊裝置,焊接電源,1、負載持續(xù)率,,2、電源種類普通焊接電源（晶閘管）具有減少短路過渡飛濺的氣體保護焊接電源（波形控制，表面張力過渡）顆粒過渡或者射流過渡用大電流電源（晶閘管，F(xiàn)S100%，射流過渡MAG焊、粗絲大電流CO2保護潛弧焊或雙絲焊）特殊功能焊接電源（方波交流電源、帶專家系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制電源和模糊控制電源等）,送絲裝置,1、送絲機（安裝方式，送絲輪，控制方式，送絲方式）2、送絲軟管（結(jié)構(gòu)，送絲導(dǎo)管）3、焊槍（鵝頸彎曲角，TCP的調(diào)整，拉絲焊槍）,防撞傳感器,影響送絲穩(wěn)定性的因素,送絲機的送絲速度控制精度不高；送絲輪的壓緊力不適合；送絲導(dǎo)管和焊絲的直徑不匹配；焊絲表面銅鍍層脫落；導(dǎo)絲管過長或者彎曲角度過大；焊槍鵝頸角度不合適；,2、點焊裝置,焊鉗；變壓器；定時器。,變壓器與機器人分離；變壓器裝在機器人的上臂上；變壓器與焊鉗組合成一體式。,裝備組成,結(jié)構(gòu)形式,一體式焊鉗,①氣動焊鉗其電極的張開和閉合由壓縮空氣通過氣缸驅(qū)動。一般有兩個局限：一是電極的張開度一般只有兩級，大的張開度（大沖程）主要是為了方便把焊鉗深入工件較深的部位，不會發(fā)生焊鉗和工件的干涉或者碰撞；小的張開度（小沖程）是在連續(xù)點焊時，為了減小焊鉗開合的時間，提高工作效率。焊鉗的電極開合度在編程時根據(jù)工件情況進行設(shè)定。二是電極的壓緊力一旦設(shè)定，在焊接過程中不能變動。,電伺服點焊鉗,②電動焊鉗其電極的張開和閉合是由伺服電機驅(qū)動及碼盤反饋閉環(huán)控制，張開度可以根據(jù)需要在編程時任意設(shè)定，而且電極間的壓緊力（由電機電流控制）也能實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。這種具有以下優(yōu)點：i大幅度降低每一個焊點的焊接周期。由于焊鉗張合的整個過程都由計算機精確監(jiān)控，所以機器人在焊點間移動過程中，焊鉗就可以閉合；焊完一點后，焊鉗一邊打開，機器人就可以一邊移動，而不必象氣動焊鉗那樣必須等焊鉗完全張開后才能移動，也不必等機器人到位后才開始閉合。ii焊鉗的張開度可以根據(jù)工件情況任意調(diào)節(jié)，只要不發(fā)生干涉或者碰撞，可以盡可能減小張開度，以減少焊鉗開合時間，提高焊接效率。iii焊鉗閉合加壓時，不僅壓力大小可以任意調(diào)節(jié)，而且兩電極的閉合速度也是可變的，開始快后來慢，最后輕輕地和工件接觸，減少電極沖擊和工件變形，必要時還可以調(diào)節(jié)焊接過程中的壓力大小，減少點焊噴濺。,焊接定時器1、以前的定時器大多與機器人控制柜分離開，控制柜只控制機器人的運動、焊鉗姿態(tài)和開合，定時器控制焊接的電參數(shù)和通電時間（周波數(shù)）。如果兩者之間通過控制柜與定時器之間的I/O口進行通訊，則編程時不能對焊接參數(shù)進行任意編程，只能從定時器預(yù)先設(shè)定的幾組參數(shù)中挑選一組；2、定時器是單片機或工控機進行控制的，則機器人控制柜可通過一個接口直接控制焊接參數(shù)，所有參數(shù)都可由編程器在編程時直接輸入和預(yù)置。機器人和定時器一體式時，可節(jié)省作業(yè)空間，不需要機器人控制柜和定時器之間的接口，方便可靠。焊鉗防撞措施點焊機器人由于焊鉗較重，不能安裝象弧焊機器人那樣的防撞傳感器，因此要求點焊機器人的控制柜具備在機器人或者焊鉗與周邊設(shè)備或者工件發(fā)生碰撞，即在負載超出限定值時，能立即停止機器人運動的功能，甚至還能自動后退，避免焊鉗與工件緊頂而損壞工件或者焊鉗。,三、外圍設(shè)備,機器人底座和機架機器人移動裝置工件的固定工作臺焊接工裝夾具工件變位裝置焊槍噴嘴清理裝置焊絲切剪裝置焊鉗電極的修整、更換裝置,1、機器人的底座和機架,2、工件和機器人的移位和變位裝置,,,,,,,,,復(fù)合型變位機,,,搬運機器人變位機,與變位機相比較，搬運機器人作為變位機，其靈活性、柔性和精度都更高；搬運機器人負載能力大，可以將卡具和工件一同提起送給焊接機器人進行焊接，從而焊接機器人可以選用較小的型號以降低成本；用搬運機器人作為變位機容易實現(xiàn)雙機器人的協(xié)調(diào)運動，可以更好地焊接復(fù)雜曲線的焊縫理想，使焊縫在姿態(tài)下焊接；當(dāng)需要更換工件時，只需要更換卡具和機器人程序，工作量小，耗時少，換型快；機器人作為變位機所用卡具大多是比較簡單的通用抓手，制造成本低；機器人作為變位機還可以發(fā)揮其搬運能力的作用，即可以從一處搬運來工件進行焊接，焊接完成以后又可以將工件送到其它位置進行作業(yè)，從而加快了工件的輸送速度，也可節(jié)省工件輸送設(shè)備的投資。,3、其它輔助裝置,,焊槍噴嘴的清理裝置,,焊絲剪斷裝置,,,換槍裝置,點焊鉗電極的清理和修整裝置,點焊機器人的效率比普通電焊機的效率高很多，電極容易磨損或變形，特別是點焊鍍鋅、鍍錫或鍍鉛鋼板時，電極會被鍍層材料污染而影響焊接質(zhì)量。因此，需要每焊一個或幾個焊點就對電極進行清理，連續(xù)焊接一段時間后應(yīng)對變形的電極端部進行整形。清理方法一般采用鋼刷或銑刀，整形一般采用成形銑刀。目前，點焊機器人生產(chǎn)廠家一般都有配套的電極清理和整形裝置。,安全與衛(wèi)生裝置,安全圍欄,安全保衛(wèi)設(shè)施（接近開關(guān)、光柵欄、安全地毯、急停按鈕）,,活接頭,,第三節(jié)焊接機器人工作站,一、簡易焊接機器人工作站,1、產(chǎn)品對象凡是焊接時工件不需要變位的場合，并且機器人的活動范圍又能達到所有焊縫或焊點位置的場合，都可以采用簡易焊接機器人工作站。2、特點⑴是能用于焊接生產(chǎn)的、最小組成的焊接機器人系統(tǒng)；⑵操作簡單，易于掌握，故障率低；⑶投資小，見效快，投資回報率高。,3、基本組成,①弧焊機器人：包括機器人本體、機器人控制柜、示教盒等②焊接系統(tǒng)：弧焊電源和接口、送絲機、焊絲盤、送絲軟管、焊槍、防撞傳感器及各設(shè)備間相連接的電纜、氣管和冷卻水管等③機器人底座或機架④工裝夾具：工作臺、工件夾具⑤輔助裝備：圍欄、安全保護設(shè)施和排煙罩等，必要時還可加裝焊槍噴嘴清理和剪切焊絲裝置。,弧焊機器人工作站,①點焊機器人：機器人本體、機器人控制柜和編程盒等②焊接系統(tǒng)：一體式焊鉗、定時器和接口，各設(shè)備間的連接電纜、壓縮空氣管和冷卻水管等③機器人底座或機架④工裝夾具：工作臺、工件夾具⑤輔助裝備：電極修整裝置、圍欄、安全保護設(shè)施等,點焊機器人工作站,4、應(yīng)用實例,,,二、變位機和焊接機器人組合的工作站,1、回轉(zhuǎn)臺＋弧焊機器人的工作站,,2、旋轉(zhuǎn)－傾斜變位機＋弧焊機器人工作站,,,3、翻轉(zhuǎn)機＋弧焊機器人工作站,,,4、龍門機架＋弧焊機器人工作站,5、滑軌＋弧焊機器人工作站,,6、焊接機器人＋搬運機器人工作站,,三、焊接機器人與周邊設(shè)備作協(xié)調(diào)運動的工作站,熔化焊過程中，如果能使整條焊縫各點熔池始終處于水平或者稍微下坡狀態(tài)，則焊縫成形最平滑、最美觀，焊縫質(zhì)量也最好。這就要求變位機在整個焊接過程中與機器人協(xié)調(diào)動作，共同合成焊縫的軌跡，并保持焊接速度和焊槍姿態(tài)在要求范圍之內(nèi)。,必要性,,,第五節(jié)焊接柔性制造系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)（FMS）的定義：,一個由計算機控制整個生產(chǎn)過程的系統(tǒng)；采用多臺半獨立的數(shù)控加工設(shè)備（如數(shù)控機床、機器人工作站等）；這些加工設(shè)備通過物料輸送系統(tǒng)相互連接。,一、系統(tǒng)基本組成,,焊接機器人工作站的基本結(jié)構(gòu),,,,,二、控制與編程方法,運行方式與模式,自動模式：所有命令都自動執(zhí)行；手動模式：所有運行命令只能通過相應(yīng)的按鈕來操作，但必須依照合法的操作順序運動才能實現(xiàn)；維修模式：在這種模式下所有限定都失去作用，因此操作起來比較容易出現(xiàn)事故，只允許在設(shè)備維修時由高級管理人員輸入正確的密碼后才能操作。,控制方法,用戶級：這是平時使用的工作級別，設(shè)定在這級別時，操作人員不能更改生產(chǎn)線的基本參數(shù)；服務(wù)級：設(shè)定在這個級別時，操作人員只能更改工件輸送系統(tǒng)的搜索模式或移動命令，但不能更改生產(chǎn)線的基本參數(shù)；高級管理級：必須由高級管理員輸入密碼才能進入這個級別，這是系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以修改。,編程,W-FMS中每臺機器人的編程與一般焊接機器人工作站的編程一樣，可以用示教盒進行在線編程或者通過編程軟件進行離線編程，然后把程序下載到機器人控制柜。但由一點必須注意，一套程序應(yīng)能在相關(guān)的不同機器人工作站之間傳輸和使用。因此，在必要時應(yīng)先運作接觸尋位子程序，以自動修正程序的位置參數(shù)，使能適應(yīng)兩個不同工作站上工件的空間位置的細微差異。機器人工作站的全部運行程序，包括龍門機架、變位機的動作在內(nèi)，一般都由機器人的控制柜或工作站的控制柜來控制，而工作站以外的設(shè)備，主要是子母車的運動、停靠位置和工件裝卸與識別等則由控制中心的PLC控制。整個系統(tǒng)的運作由中心計算機監(jiān)控及統(tǒng)一指揮，包括每一個機器人工作站應(yīng)調(diào)用哪套程序進行焊接。,三、生產(chǎn)特點,W-FMS是一種適應(yīng)多品種、中小批量產(chǎn)生的柔性化系統(tǒng)；W-FMS雖然可以適應(yīng)各種類型工件進行自動化焊接生產(chǎn)，但一般還是要進行針對性專業(yè)化生產(chǎn)制造；工件結(jié)構(gòu)應(yīng)使機器人具有良好的可達性，并且盡量采用T型坡口，避免I型坡口的對接接頭，使機器人在運行時電弧跟蹤時更加有效；W-FMS各工作站焊接工件的周期（節(jié)拍）要均衡。,