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第六章焊接機(jī)器人系統(tǒng),第一節(jié)焊接機(jī)器人概論,一、焊接機(jī)器人的定義,工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。焊接機(jī)器人是從事焊接作業(yè)（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。,二、焊接機(jī)器人的分類,1、按用途來(lái)分,弧焊機(jī)器人,點(diǎn)焊機(jī)器人,2、按構(gòu)形來(lái)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(diǎn)來(lái)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(yùn)動(dòng)方式來(lái)分,（1）點(diǎn)位控制（PTP）型機(jī)器人受控方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。要求機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)上有足夠的定位精度。相鄰目標(biāo)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)方式有兩種：一是各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)以最快速度趨近終點(diǎn)，各關(guān)節(jié)視其轉(zhuǎn)角大小不同而到達(dá)終點(diǎn)有先有后；一是各關(guān)節(jié)同時(shí)趨近終點(diǎn)，由于各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，所以角位移大的運(yùn)動(dòng)速度較高。點(diǎn)位控制型機(jī)器人主要用于點(diǎn)焊作業(yè)。,（2）連續(xù)軌跡控制（CP）型機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)作受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人終端按預(yù)期的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)。連續(xù)軌跡控制只要用于弧焊機(jī)器人。,⑴氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于保養(yǎng)；主要缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，定位精度不高。氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人適用于易燃、易爆和灰塵大的場(chǎng)合。,5、按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分,⑵液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高、快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；其主要缺點(diǎn)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(dòng)多用于要求輸出力大、運(yùn)動(dòng)速度較低的場(chǎng)合。,⑶電氣驅(qū)動(dòng)易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，使用方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境，是最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。電氣驅(qū)動(dòng)可細(xì)分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著最大的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比，由于沒(méi)有電刷，其可靠性極高，幾乎不需任何維護(hù)。,直流伺服電動(dòng)機(jī)原理,無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理,三、焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成,機(jī)器人操作機(jī)變位機(jī)控制器焊接系統(tǒng)焊接傳感器中央控制計(jì)算機(jī)安全設(shè)備,焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理,四、機(jī)器人的應(yīng)用方式,1、機(jī)器人工作單元2、帶機(jī)器人的生產(chǎn)線,五、機(jī)器人焊接的主要優(yōu)點(diǎn),1、焊接質(zhì)量高，穩(wěn)定性好；2、可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；3、改善勞動(dòng)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(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化；8、在各種極限條件下完成焊接作業(yè)。,六、機(jī)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(jī)器人焊接發(fā)展概況,自1962年美國(guó)推出實(shí)際上第一臺(tái)Unimate型和Versatran型工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，主要進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂、碼垛等復(fù)雜作業(yè)，其中半數(shù)以上為焊接機(jī)器人。,Versatran機(jī)器人,Unimate機(jī)器人,第二節(jié)焊接機(jī)器人系統(tǒng)的基本配置,內(nèi)容,焊接機(jī)器人操作機(jī)機(jī)器人焊接系統(tǒng)外圍設(shè)備,一、焊接機(jī)器人操作機(jī)的選擇,1、自由度：,焊接機(jī)器人基本都屬于6軸關(guān)節(jié)式，其中1、2、3軸的運(yùn)動(dòng)是把焊槍（焊鉗）送到焊接位置，而4、5、6軸的運(yùn)動(dòng)是解決焊槍（焊鉗）的姿態(tài)問(wèn)題。,3、機(jī)構(gòu)形式：,2、驅(qū)動(dòng)方式：,各關(guān)節(jié)（軸）的運(yùn)動(dòng)基本采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于交流伺服電機(jī)沒(méi)有碳刷，動(dòng)特性好，負(fù)載能力強(qiáng)，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度快，故障率低，免維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)。,二、機(jī)器人焊接系統(tǒng)的選擇,1、弧焊裝置,焊接電源,1、負(fù)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(guò)渡飛濺的氣體保護(hù)焊接電源（波形控制，表面張力過(guò)渡）顆粒過(guò)渡或者射流過(guò)渡用大電流電源（晶閘管，F(xiàn)S100%，射流過(guò)渡MAG焊、粗絲大電流CO2保護(hù)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(jī)（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(jī)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(guò)長(zhǎng)或者彎曲角度過(guò)大；焊槍鵝頸角度不合適；,2、點(diǎn)焊裝置,焊鉗；變壓器；定時(shí)器。,變壓器與機(jī)器人分離；變壓器裝在機(jī)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(dòng)焊鉗其電極的張開(kāi)和閉合由壓縮空氣通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)。一般有兩個(gè)局限：一是電極的張開(kāi)度一般只有兩級(jí)，大的張開(kāi)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(huì)發(fā)生焊鉗和工件的干涉或者碰撞；小的張開(kāi)度（小沖程）是在連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，為了減小焊鉗開(kāi)合的時(shí)間，提高工作效率。焊鉗的電極開(kāi)合度在編程時(shí)根據(jù)工件情況進(jìn)行設(shè)定。二是電極的壓緊力一旦設(shè)定，在焊接過(guò)程中不能變動(dòng)。,電伺服點(diǎn)焊鉗,②電動(dòng)焊鉗其電極的張開(kāi)和閉合是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)及碼盤反饋閉環(huán)控制，張開(kāi)度可以根據(jù)需要在編程時(shí)任意設(shè)定，而且電極間的壓緊力（由電機(jī)電流控制）也能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。這種具有以下優(yōu)點(diǎn)：i大幅度降低每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接周期。由于焊鉗張合的整個(gè)過(guò)程都由計(jì)算機(jī)精確監(jiān)控，所以機(jī)器人在焊點(diǎn)間移動(dòng)過(guò)程中，焊鉗就可以閉合；焊完一點(diǎn)后，焊鉗一邊打開(kāi)，機(jī)器人就可以一邊移動(dòng)，而不必象氣動(dòng)焊鉗那樣必須等焊鉗完全張開(kāi)后才能移動(dòng)，也不必等機(jī)器人到位后才開(kāi)始閉合。ii焊鉗的張開(kāi)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(kāi)度，以減少焊鉗開(kāi)合時(shí)間，提高焊接效率。iii焊鉗閉合加壓時(shí)，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(kāi)始快后來(lái)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(shí)還可以調(diào)節(jié)焊接過(guò)程中的壓力大小，減少點(diǎn)焊噴濺。,焊接定時(shí)器1、以前的定時(shí)器大多與機(jī)器人控制柜分離開(kāi)，控制柜只控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、焊鉗姿態(tài)和開(kāi)合，定時(shí)器控制焊接的電參數(shù)和通電時(shí)間（周波數(shù)）。如果兩者之間通過(guò)控制柜與定時(shí)器之間的I/O口進(jìn)行通訊，則編程時(shí)不能對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行任意編程，只能從定時(shí)器預(yù)先設(shè)定的幾組參數(shù)中挑選一組；2、定時(shí)器是單片機(jī)或工控機(jī)進(jìn)行控制的，則機(jī)器人控制柜可通過(guò)一個(gè)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(shí)直接輸入和預(yù)置。機(jī)器人和定時(shí)器一體式時(shí)，可節(jié)省作業(yè)空間，不需要機(jī)器人控制柜和定時(shí)器之間的接口，方便可靠。焊鉗防撞措施點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗較重，不能安裝象弧焊機(jī)器人那樣的防撞傳感器，因此要求點(diǎn)焊機(jī)器人的控制柜具備在機(jī)器人或者焊鉗與周邊設(shè)備或者工件發(fā)生碰撞，即在負(fù)載超出限定值時(shí)，能立即停止機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的功能，甚至還能自動(dòng)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(jī)器人底座和機(jī)架機(jī)器人移動(dòng)裝置工件的固定工作臺(tái)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(jī)器人的底座和機(jī)架,2、工件和機(jī)器人的移位和變位裝置,,,,,,,,,復(fù)合型變位機(jī),,,搬運(yùn)機(jī)器人變位機(jī),與變位機(jī)相比較，搬運(yùn)機(jī)器人作為變位機(jī)，其靈活性、柔性和精度都更高；搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)載能力大，可以將卡具和工件一同提起送給焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，從而焊接機(jī)器人可以選用較小的型號(hào)以降低成本；用搬運(yùn)機(jī)器人作為變位機(jī)容易實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，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(shí)，只需要更換卡具和機(jī)器人程序，工作量小，耗時(shí)少，換型快；機(jī)器人作為變位機(jī)所用卡具大多是比較簡(jiǎn)單的通用抓手，制造成本低；機(jī)器人作為變位機(jī)還可以發(fā)揮其搬運(yùn)能力的作用，即可以從一處搬運(yùn)來(lái)工件進(jìn)行焊接，焊接完成以后又可以將工件送到其它位置進(jìn)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(diǎn)焊鉗電極的清理和修整裝置,點(diǎn)焊機(jī)器人的效率比普通電焊機(jī)的效率高很多，電極容易磨損或變形，特別是點(diǎn)焊鍍鋅、鍍錫或鍍鉛鋼板時(shí)，電極會(huì)被鍍層材料污染而影響焊接質(zhì)量。因此，需要每焊一個(gè)或幾個(gè)焊點(diǎn)就對(duì)電極進(jìn)行清理，連續(xù)焊接一段時(shí)間后應(yīng)對(duì)變形的電極端部進(jìn)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(diǎn)焊機(jī)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(kāi)關(guān)、光柵欄、安全地毯、急停按鈕）,,活接頭,,第三節(jié)焊接機(jī)器人工作站,一、簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人工作站,1、產(chǎn)品對(duì)象凡是焊接時(shí)工件不需要變位的場(chǎng)合，并且機(jī)器人的活動(dòng)范圍又能達(dá)到所有焊縫或焊點(diǎn)位置的場(chǎng)合，都可以采用簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人工作站。2、特點(diǎn)⑴是能用于焊接生產(chǎn)的、最小組成的焊接機(jī)器人系統(tǒng)；⑵操作簡(jiǎn)單，易于掌握，故障率低；⑶投資小，見(jiàn)效快，投資回報(bào)率高。,3、基本組成,①弧焊機(jī)器人：包括機(jī)器人本體、機(jī)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(jī)、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(jī)器人底座或機(jī)架④工裝夾具：工作臺(tái)、工件夾具⑤輔助裝備：圍欄、安全保護(hù)設(shè)施和排煙罩等，必要時(shí)還可加裝焊槍噴嘴清理和剪切焊絲裝置。,弧焊機(jī)器人工作站,①點(diǎn)焊機(jī)器人：機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜和編程盒等②焊接系統(tǒng)：一體式焊鉗、定時(shí)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(jī)器人底座或機(jī)架④工裝夾具：工作臺(tái)、工件夾具⑤輔助裝備：電極修整裝置、圍欄、安全保護(hù)設(shè)施等,點(diǎn)焊機(jī)器人工作站,4、應(yīng)用實(shí)例,,,二、變位機(jī)和焊接機(jī)器人組合的工作站,1、回轉(zhuǎn)臺(tái)＋弧焊機(jī)器人的工作站,,2、旋轉(zhuǎn)－傾斜變位機(jī)＋弧焊機(jī)器人工作站,,,3、翻轉(zhuǎn)機(jī)＋弧焊機(jī)器人工作站,,,4、龍門機(jī)架＋弧焊機(jī)器人工作站,5、滑軌＋弧焊機(jī)器人工作站,,6、焊接機(jī)器人＋搬運(yùn)機(jī)器人工作站,,三、焊接機(jī)器人與周邊設(shè)備作協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的工作站,熔化焊過(guò)程中，如果能使整條焊縫各點(diǎn)熔池始終處于水平或者稍微下坡?tīng)顟B(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(jī)在整個(gè)焊接過(guò)程中與機(jī)器人協(xié)調(diào)動(dòng)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(gè)由計(jì)算機(jī)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)；采用多臺(tái)半獨(dú)立的數(shù)控加工設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人工作站等）；這些加工設(shè)備通過(guò)物料輸送系統(tǒng)相互連接。,一、系統(tǒng)基本組成,,焊接機(jī)器人工作站的基本結(jié)構(gòu),,,,,二、控制與編程方法,運(yùn)行方式與模式,自動(dòng)模式：所有命令都自動(dòng)執(zhí)行；手動(dòng)模式：所有運(yùn)行命令只能通過(guò)相應(yīng)的按鈕來(lái)操作，但必須依照合法的操作順序運(yùn)動(dòng)才能實(shí)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(lái)比較容易出現(xiàn)事故，只允許在設(shè)備維修時(shí)由高級(jí)管理人員輸入正確的密碼后才能操作。,控制方法,用戶級(jí)：這是平時(shí)使用的工作級(jí)別，設(shè)定在這級(jí)別時(shí)，操作人員不能更改生產(chǎn)線的基本參數(shù)；服務(wù)級(jí)：設(shè)定在這個(gè)級(jí)別時(shí)，操作人員只能更改工件輸送系統(tǒng)的搜索模式或移動(dòng)命令，但不能更改生產(chǎn)線的基本參數(shù)；高級(jí)管理級(jí)：必須由高級(jí)管理員輸入密碼才能進(jìn)入這個(gè)級(jí)別，這是系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以修改。,編程,W-FMS中每臺(tái)機(jī)器人的編程與一般焊接機(jī)器人工作站的編程一樣，可以用示教盒進(jìn)行在線編程或者通過(guò)編程軟件進(jìn)行離線編程，然后把程序下載到機(jī)器人控制柜。但由一點(diǎn)必須注意，一套程序應(yīng)能在相關(guān)的不同機(jī)器人工作站之間傳輸和使用。因此，在必要時(shí)應(yīng)先運(yùn)作接觸尋位子程序，以自動(dòng)修正程序的位置參數(shù)，使能適應(yīng)兩個(gè)不同工作站上工件的空間位置的細(xì)微差異。機(jī)器人工作站的全部運(yùn)行程序，包括龍門機(jī)架、變位機(jī)的動(dòng)作在內(nèi)，一般都由機(jī)器人的控制柜或工作站的控制柜來(lái)控制，而工作站以外的設(shè)備，主要是子母車的運(yùn)動(dòng)、?？课恢煤凸ぜb卸與識(shí)別等則由控制中心的PLC控制。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作由中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控及統(tǒng)一指揮，包括每一個(gè)機(jī)器人工作站應(yīng)調(diào)用哪套程序進(jìn)行焊接。,三、生產(chǎn)特點(diǎn),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(jìn)行自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，但一般還是要進(jìn)行針對(duì)性專業(yè)化生產(chǎn)制造；工件結(jié)構(gòu)應(yīng)使機(jī)器人具有良好的可達(dá)性，并且盡量采用T型坡口，避免I型坡口的對(duì)接接頭，使機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)電弧跟蹤時(shí)更加有效；W-FMS各工作站焊接工件的周期（節(jié)拍）要均衡。,