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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，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 萬臺(tái)，現(xiàn)有大約 68 萬臺(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 95 萬臺(tái)。 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 年代以來進(jìn)展較快， 1985 年研制成功華字型弧焊機(jī)器人， 1987 年研

2、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)器人為主的汽車焊接生產(chǎn)線的投入生產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)用階段的開始。 焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(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)。 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

3、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)線上，可 同時(shí)自動(dòng)生產(chǎn)若干種焊件。 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

4、設(shè)備投資； 6) 可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化； 7) 為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(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 門系統(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。 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，這類機(jī)器人對(duì)環(huán)境的變化沒有應(yīng)變或適應(yīng)能力。 第二代機(jī)器人，即在示教再現(xiàn)機(jī)器人上加感覺系統(tǒng)，如

5、視覺、力覺、觸覺等。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，感知周圍的環(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)器人主要名詞術(shù)語 1) 機(jī)械手 (Manipulator) 也可稱為操作機(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)

6、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)。 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) 額定負(fù)載 (Rated load) 工業(yè)機(jī)器人

7、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 (PointToPointContr01) 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

8、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

9、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)。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶 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)

10、器人的執(zhí)行機(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)。 filtf手總成 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手機(jī)構(gòu) 慮端掾作器 J 1 殲境歷任務(wù) 傳卜 JSI I 系統(tǒng)支撐軟杵 機(jī)器人語宵 運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件 控制算法軟件 圖1工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu) 控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人 專用語言、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)

11、器人工作過 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)開環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開 鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，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)

12、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)]' ，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)，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題。在機(jī)器人示教過程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué) 正問題運(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，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題。在 機(jī)器人再現(xiàn)過程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題運(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

13、題的運(yùn)算都采用 D-H法，這種方法采用 4X4齊次變換矩陣來描述兩個(gè)相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把 正問題簡(jiǎn)化為尋求等價(jià)的 4X4齊次變換矩陣。逆問題的運(yùn)算可用幾種方法求解，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 0.1mm，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)軌跡空間曲線叫路徑，軌跡 規(guī)劃

14、的任務(wù)是用一種函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并沿時(shí)間軸產(chǎn)生一系列“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)

15、單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線性的、關(guān)節(jié)間 耦合的變負(fù)載系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為線性的非耦合單獨(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 圖2機(jī)械手伺服控制體系結(jié)構(gòu) (5) 機(jī)器人編程語言 機(jī)器人編程語言是機(jī)器人和用戶的軟件接口， 編程語言的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用 戶的方便性，至今還沒有完全公認(rèn)的機(jī)器人編程語言，每個(gè)機(jī)器人制造廠都有自己的語言。

16、 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。因此其編程語言主要有兩類：面向機(jī)器人的編程語言和面向任務(wù)的編程語言。 面向機(jī)器人的編程語言的主要特點(diǎn)是描述機(jī)器人的動(dòng)作序列，每一條語句大約相當(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) 專用的機(jī)器人語言，如 PUMA機(jī)器人的VAL語言，是專用的機(jī)器人控制語言，它的最新版本是 VAL-I和 V+ 2222222。 2) 在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)語言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫(kù)。如美國(guó)機(jī)器人公司開發(fā)的 AR — Basic和In telledex 公司 的Robot

17、 — Basic 語言，都是建立在 BASIC 語言上的。 3) 開發(fā)一種新的通用語言加上機(jī)器人子程序庫(kù)。如 IBM公司開發(fā)的AML機(jī)器人語言。 面向任務(wù)的機(jī)器人編程語言允許用戶發(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)器人編程語言，就是用 C語言和一組C函數(shù)來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的 任務(wù)級(jí)機(jī)器人語言。 焊接機(jī)器人的編程語言，目前都屬于面向機(jī)器人的語言，面向任務(wù)的機(jī)器人語言尚屬開發(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，可參見圖 3和圖4。圖3為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工

18、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?般都在10kg以內(nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過 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、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)械手又稱操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端

19、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)類似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的 3個(gè)運(yùn)動(dòng)(x \ y \ z)是由直線運(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)易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。 顯麗戢和犍盤 機(jī)鑑人 圖3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 肘伸枚 圖4液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)工

20、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)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。 y 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

21、業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用，又稱為 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)械手為例來簡(jiǎn)述其內(nèi) 部機(jī)構(gòu)，見圖 9。它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4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

22、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)雙向無間隙 （即正反傳動(dòng)均無間隙 ），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。 圖8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： 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，由于這類系統(tǒng)一般都是開環(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

23、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)

24、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，尤其是光電碼盤。圖 10是它的原理圖

25、。光電碼盤與電動(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)際的碼盤是輸出兩路脈沖，由于在碼盤內(nèi)布置了兩對(duì)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)送來的各示教點(diǎn)位置和姿態(tài)信

26、息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計(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。 光電管 透鏡 輻射線 半透明區(qū) 時(shí)間 田低 時(shí)間 光電管在碼盤 旋轉(zhuǎn)時(shí)的籀出 修正后光 電管輸出 光電碼盤 （輻射柵盤） —亮n 」亮_| H 光電管1 逆時(shí)怦轉(zhuǎn) 時(shí)間 0 0 光電管2° 圖10光電碼盤原理圖

27、 示數(shù)盒 示數(shù)盒 碼盤 龍動(dòng)機(jī) ttft 機(jī)器人堂妬 電潦反憧 角摩反憧 .一-輸給 一樁黯人 —§牛軸 轉(zhuǎn)換st理器 fl倉(cāng)坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換處理器 略牲主成 ［示軟 再現(xiàn)虛魚堂標(biāo) 示數(shù)盒 示數(shù)盒 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 (又稱采樣周期)對(duì)它進(jìn)行 圓弧或直線插補(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

28、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)劃全過程。 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)光電碼盤信號(hào)，直到其準(zhǔn)確到位。 以上均為實(shí)時(shí)過程，上述大量運(yùn)算都必須在控制過程中完成。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3

29、0細(xì)步，每0.875ms向各關(guān)節(jié)送一次關(guān)節(jié)坐標(biāo)值。 (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)器人示教方式，目前焊接機(jī)器人都采用 這種方式。 3) 離線編程示教 即無需人操作機(jī)器人

30、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。 圖12焊接機(jī)器人的示教盒 示教盒上的按鍵主要有 3類： 1） 示教功能鍵 如示教/再現(xiàn)、存入刪除修改、檢查、回零、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，為示教編程用。 2） 運(yùn)動(dòng)

31、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)域是汽車工業(yè)。一般裝配每臺(tái)汽車車體大約需要完成 3000 — 4000個(gè)焊點(diǎn)，而其中的 60 %是由機(jī)器人完成的。在有些大批量汽車生產(chǎn)線上，服役的機(jī)器人臺(tái)數(shù)甚至高達(dá) 150臺(tái)。汽車工業(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。今天，機(jī)器人已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)行業(yè)的支柱。 最初，點(diǎn)焊機(jī)器人只用于

32、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，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。 具體來說有：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 （土 0 . 25mm），以確保焊接質(zhì)量：持重大 （300?1000N）, 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、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)方向過渡，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù) 在性

33、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，一些汽車制造廠家也進(jìn)行開發(fā)立體配置 3?5軸小型專用機(jī)器人的嘗試。 表1點(diǎn)焊機(jī)器、人的分類 分類 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 1000N左右，有時(shí)還 可以附加整機(jī)移動(dòng)自由度 主要用語增強(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

34、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 2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 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

35、改善， 50mm短距離移動(dòng) 的定位時(shí)間被縮短到 0 ? 4s以內(nèi)。 一般關(guān)節(jié)式點(diǎn)焊機(jī)器人本體的技術(shù)指標(biāo)，見表 2。 表2點(diǎn)焊機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo) 結(jié) 自由度 號(hào)構(gòu) 全關(guān)節(jié)型 6軸： 驅(qū)動(dòng) 直流伺服電動(dòng)杠 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 腰轉(zhuǎn) 范圍士 135 ° 最大速度50 °/ s 大臂轉(zhuǎn) 前 50°,后 30° 45° /s 小臂轉(zhuǎn) 下 40°, 上 20° 40°/ s 腕擺 士 90 ° 士 80 ° / s 腕轉(zhuǎn) 士 90 ° 士 80

36、° / s 腕捻 士 170 ° 士 80 ° / s 最大負(fù)荷 65kg 重復(fù)精度 士 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 直線插補(bǔ) 示教系統(tǒng) 示教再現(xiàn) 內(nèi)存容量 1280 步 溫度0?45C 環(huán)境要求 濕度20 %?＜90 % RH 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 (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

37、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 ! 惺轄粹制挑分段的時(shí)間及程序轉(zhuǎn)換以外，還通過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

38、( 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 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

39、。 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 I 圖14焊接系統(tǒng)原理圖 圖15分離式焊鉗點(diǎn)焊機(jī)器人 分離式焊鉗的主要缺點(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)線做在一起，中間用絕緣層分開，每條導(dǎo)線還 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

40、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 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 1200

41、0A，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，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 間的距離。 阻焊變壓器的設(shè)計(jì)是一體式焊鉗的主要問題，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325x135~125mm3，重量只有18kg。 d . 逆變式焊鉗這是電阻焊機(jī)發(fā)展

42、的一個(gè)新方向。目前，國(guó)外已經(jīng)將裝有逆變式焊鉗的點(diǎn)焊機(jī)器人用于汽車裝焊 生產(chǎn)線上，我國(guó)對(duì)此正在進(jìn)行研究。 20CkVA 4OA 380V 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

43、供數(shù)據(jù)，焊接過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，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)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)型咼。 圖18點(diǎn)焊機(jī)器人焊接循環(huán) T i -焊接控制器控制 T 2-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 焊接控制器與本體及示教蛻簡(jiǎn)的聯(lián)系信號(hào)主要有焊

44、鉗大小行程、焊接電流增 /減號(hào)，焊接時(shí)間增減、焊接開始及結(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，

45、點(diǎn)焊機(jī)器人與 CAD系統(tǒng)的通信功能變得重要起來，這種 CAD系統(tǒng)主要用來離線 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 2, 以便于快速焊接及修整、更換電極、跨越障礙等。 2) 一體式焊鉗的重心應(yīng)設(shè)計(jì)在固定法蘭盤的軸心線上。 3) 焊接控制系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)阻焊變壓器過熱、晶閘管過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。 圖19含CAD系統(tǒng)

46、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)線速度必須匹配。首先由生產(chǎn)線速度及待焊點(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)線的生產(chǎn)速度。 3) 按工件形狀、種類、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

47、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，可通過機(jī)器人群控或相互間聯(lián)鎖作用避免干涉。 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

48、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?50mm/s、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

49、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。 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 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，或者安裝在運(yùn)載小車上使用， 4） 規(guī)格舉一個(gè)典型的弧焊機(jī)器人加以說明。圖 22和表3分別是主機(jī)的簡(jiǎn)圖和規(guī)格。 自動(dòng) 〔半自幼） 電弧埠 -熔化魁極式一 非氣體 保護(hù)式

50、 裸絲非氣體保護(hù)焊 L非熔化 電攝式 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 士 0. 1mm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)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、焊槍端部等速控制 （直線、圓弧插補(bǔ)） 速度控制 進(jìn)給6?1500m,:，焊接速度 1?50mm/s，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

51、功能 定時(shí)功能、外部輸入輸岀接口 。 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 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。

52、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 重復(fù)精度可達(dá)到 +0.2mm，它們可以通過示教和再現(xiàn)方式或通過編程方式工作。 這種焊接機(jī)器人應(yīng)具有直線的及環(huán)形內(nèi)插法擺動(dòng)的功能。如圖 23的6種擺動(dòng)方式，以滿足焊接工藝要求，機(jī)器 人的負(fù)荷為5kg 。 n4；540 會(huì)黑 機(jī)蹇 cb JTI：32臚 i 圖22

53、 典型弧焊機(jī)器人的主機(jī)簡(jiǎn)圖 b) c) d) e) f> 圖23弧焊機(jī)器人的6種擺動(dòng)方式 a) 直線單擺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)8086CPU進(jìn)行伺服控制。通過串行 I /O接口與上一級(jí)管

54、 理計(jì)算機(jī)通信；采用數(shù)字量 I / O和模擬量I /O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，示教盒與總線采用 DMA方式(直接存儲(chǔ)器訪問方式)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 小型和大型移動(dòng)機(jī)架。通過這些機(jī)構(gòu)來擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍 (見圖25)，同時(shí)還具有各種用于接受、固 定及定位工件的轉(zhuǎn)胎(見圖26)、定位裝置及夾具。 在最常見的結(jié)構(gòu)中，工業(yè)機(jī)器人固定于基座上 （見圖20），

55、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 +0 ? 2mm。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)備由專門的工廠進(jìn)行生產(chǎn)。 I CPU 8086 ( 8087〉 匚J礎(chǔ)R已匸二 A控制 CPU8O86^4 DMA RS^232C MXRT 璉盤 PS-232C CPU8O86 串行 J/O 總皴 變換 公用 內(nèi)存 g 「 一 — 一. r~H._

56、 r 控制 CPI TRHKA _ _ r' CPU8086 云丁1 一干 RS- 232C 計(jì)算機(jī) 操柞盤 —1 1 （變 1 模擬量 丄 電赫 1 I/O 亠 電* 1 傳" 恂®器 處理 廠 1 接口裝置 機(jī)矍人"0 I/O CPU80fi5」 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)

57、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2個(gè)給定電壓達(dá)到上述目的。對(duì)于復(fù)雜過程，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)過程相符合，必須安全地引燃，并無故障地工作，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)

58、于工業(yè)機(jī)器人電弧焊具有特殊的意義。這種晶體管脈 沖電源無論是模擬的或脈沖式的，通過其脈沖頻率的無級(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 飛濺的焊接。與采用普通電源相比，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，焊槍與機(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

59、護(hù)環(huán)節(jié)，防止示教和焊接時(shí)與工件或周圍物件碰撞影響機(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部的位置應(yīng)符合機(jī)器人 使用說明書中所規(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。 機(jī)器人臺(tái)車 移動(dòng)門形架 肋板 骨槍 工字鋼 V 點(diǎn)固輝縫 圖25機(jī)器人倒置在移動(dòng)門架上 圖26各種機(jī)器人專用補(bǔ)胎 圖27焊槍的固定 (4) 控制系統(tǒng)與外圍設(shè)備的連接 工業(yè)控制系統(tǒng)不僅要控制機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)， 還需控制外圍設(shè)備的動(dòng)作、開啟、 切斷以及安全防護(hù)，圖 40-28是典型的控制框圖。 控制系統(tǒng)與所有設(shè)備的通信

60、信號(hào)有數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)?？刂乒衽c外圍設(shè)備用模擬信號(hào)聯(lián)系的有焊接電源、 送絲機(jī)構(gòu)、以及操作機(jī) (包括夾具、變位器等 )。這些設(shè)備需通過控制系統(tǒng)預(yù)置參數(shù)，通常是通過 D / A數(shù)模轉(zhuǎn)換 器給定基準(zhǔn)電壓，控制器與焊接電源和送絲機(jī)構(gòu)電源一般都需有電量隔離環(huán)響，控制系統(tǒng)對(duì)操作機(jī)電動(dòng)機(jī)的伺服控制 與對(duì)機(jī)器人伺服控制電動(dòng)機(jī)的要求相仿，通常采用雙伺服環(huán)。確保工件焊縫到位精度與機(jī)器人到位精度相等。 控制臺(tái) 示教盒 操作黠 圖28是典型的控制框圖 數(shù)字量信號(hào)負(fù)擔(dān)各設(shè)備的啟動(dòng)、停止、安全以及狀態(tài)檢測(cè)。 3弧焊機(jī)器人的操作與安全 (1) 弧焊機(jī)器人的操作工業(yè)機(jī)器人普遍采用示教方式工作，即通過

61、示教盒的操作鍵引導(dǎo)到起始點(diǎn)，然后用按鍵確 定位置，運(yùn)動(dòng)方式(直線或圓弧插補(bǔ))、擺動(dòng)方式、焊槍姿態(tài)以及各種焊接參數(shù)。同時(shí)還可通過示教盒確定周邊設(shè) 備的運(yùn)動(dòng)速度等。焊接工藝操作包括引弧、施焊熄弧、填充火口等，亦通過示教盒給定。示教完畢后，機(jī)器人控制系 統(tǒng)進(jìn)入程序編輯狀態(tài)，焊接程序生成后即可進(jìn)行實(shí)際焊接。下面是焊接操作的一個(gè)實(shí)例 (見圖29)。 11 圖29焊接操作 1) F=2500，以TV=2500cm /min的速度到達(dá)起始點(diǎn)； 2) SEASA=H1 , L仁0,根據(jù) H1 給出起始點(diǎn) L2=0 , F=100 : 3) ARCON F=35 , V=30 ;在給定條件下開始

62、焊接 I 一 280 , TF=0.5 , SENSTON=H1^跟蹤焊縫； 4) SENSTON = HI ;給出焊縫結(jié)束位置； 5) CORN=*CHFOIAI :執(zhí)行角焊縫程序， CHFOIAI ; 6) F=300 , DW=1. 5 ; 1. 5s 后焊接速度為 v=300cm/min ; 7) F=100 ;以v=100cm / min ，并保持到下一示教點(diǎn)； 8) ARCON , DBASE=*DHFL09:開始以數(shù)據(jù)庫(kù) *DHFL09的數(shù)據(jù)焊接； 9) arcoff , vC=20 , ic=180 :在要求條件下結(jié)束焊接 TC=1.5 , F=200 : 10)

63、 F=1000 ; 以 v=1000cm / min 的速度運(yùn)動(dòng)： 11) Dw=1 , OUTB=2 , 1s 后，在#2點(diǎn)發(fā)出1個(gè)脈沖； 12) F=100 :以 v=100cm / min 的速度運(yùn)動(dòng)； 13) MULTON=*M : 執(zhí)行多層焊接程序2M ; 14) MULTOFF , F=200 :結(jié)束多層焊接。 (2) 弧焊機(jī)器人的安全 安全設(shè)備對(duì)于工業(yè)機(jī)器人工位是必不可少的。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)在一個(gè)被隔開的空間內(nèi)工作, 用門或光柵保護(hù)，機(jī)器人的工作區(qū)通過電及機(jī)械方法加以限制。從安全觀點(diǎn)出發(fā)，危險(xiǎn)常出現(xiàn)在下面幾種情況： 1) 在示教時(shí) 這時(shí)，示教人員為了更好地觀察，必須進(jìn)到

64、機(jī)器人及工件近旁。在此種工作方式下，限制機(jī)器人的 最高移動(dòng)速度和急停按鍵，會(huì)提高安全性。 2) 在維護(hù)及保養(yǎng)時(shí) 此時(shí)，維護(hù)人員必須靠近機(jī)器人及其周圍設(shè)備工作及檢測(cè)操作。 3) 在突然出現(xiàn)故障后觀察故障時(shí) 因此，機(jī)器人操作人員及維修人員必須經(jīng)過特別嚴(yán)格的培訓(xùn)。 5機(jī)器人焊接智能化技術(shù) 一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的弧焊機(jī)器人大都是示教再現(xiàn)型的，這種焊接機(jī)器人對(duì)示教條件以外的焊接過程動(dòng)態(tài)變化\焊 件變形和隨機(jī)因素干擾等不具有適應(yīng)能力。隨著焊接產(chǎn)品的高質(zhì)量、多品種\小批量等要求增加，以及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的各 種復(fù)雜變化，使得直接從供貨公和技術(shù)要求。這就需要對(duì)本體機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。通常包括給焊接機(jī)器人

65、 配置適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎嵝灾苓呍O(shè)備以及相應(yīng)軟件功能，如焊縫跟蹤傳感、焊接過程傳感與實(shí)時(shí)控制、焊接變位機(jī)構(gòu)以 及焊接任務(wù)的離線規(guī)劃與仿真軟件等。這些功能大大擴(kuò)展了基本示教再現(xiàn)焊接機(jī)器人的功能，從某種意義上講，這樣 的焊接機(jī)器人系統(tǒng)已具有一定的智能行為，不過其智能程度的高低由所配置的傳感器、控制器以及軟硬件所決定。目 前，這種焊接機(jī)器人智能化系統(tǒng)已成發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)將相關(guān)的智能化技術(shù)簡(jiǎn)要介紹如下。 5 . 1機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成 機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)是建立在智能反饋控制理論基礎(chǔ)之上，涉及眾多學(xué)科綜合技術(shù)交叉的先進(jìn)制造系統(tǒng)。除了 不同的焊接工藝要求不同的焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)技術(shù)與相關(guān)設(shè)備之外，現(xiàn)行機(jī)

66、器人焊接智能化系統(tǒng)可從宏觀上劃分為如圖 30所示的組成部分： 圖30機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成 圖30中機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)涉及如下幾個(gè)主要技術(shù)基礎(chǔ)： 1) 機(jī)器人焊接任務(wù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)； 2) 焊接環(huán)境、焊縫位置及走向以及焊接動(dòng)態(tài)過程的智能傳感技術(shù)； 3) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)； 4) 焊接動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)智能控制器設(shè)計(jì)； 5) 機(jī)器人焊接智能化復(fù)雜系統(tǒng)的控制與優(yōu)化管理技術(shù)。 5 . 2機(jī)器人焊接任務(wù)規(guī)劃軟件設(shè)許技術(shù) 機(jī)器人焊接任務(wù)職能規(guī)劃系統(tǒng)的基本任務(wù)是在一定的焊接工作區(qū)內(nèi)自動(dòng)生成從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的機(jī)器人動(dòng)作 序列、

67、可達(dá)的焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡和最佳的焊槍姿態(tài)、以及與之相匹配的焊接參數(shù)和控制程序，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接規(guī)劃過程的 自動(dòng)仿真與優(yōu)化。 即CAD 機(jī)器人焊接任務(wù)規(guī)劃可歸結(jié)為人工智能領(lǐng)域的問題求解技術(shù)，其包含焊接路徑規(guī)劃和焊接參數(shù)規(guī)劃兩部分。由于 焊接工藝及任務(wù)的多樣性與復(fù)雜性， 在實(shí)際施焊前對(duì)機(jī)器人焊接的路徑和焊接參數(shù)方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件規(guī)劃 ( 仿真設(shè)計(jì)研究)是十分必要的。這一方面可以大幅度節(jié)省實(shí)際示教對(duì)生產(chǎn)線的占用時(shí)間，提高焊接機(jī)器人的利用率， 另一方面還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的焊前模擬，保證生產(chǎn)過程的有效性和安全性。 機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃的涵義主要是指對(duì)機(jī)器人末端焊槍軌跡的規(guī)劃。焊槍軌跡的生成是將一條焊縫的焊接任務(wù)