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1、1 概述 1 ． 1 新一代自動焊接的手段 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 年美國推出世界上第一臺 Unimate 型和 Versatra 型工業(yè)機(jī)器人以來，根據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會截止到 1996 年底的統(tǒng)計，先后已有 84 萬臺，現(xiàn)有大約 68 萬臺工業(yè)機(jī)器人服役于世界各國的工業(yè)界。預(yù)計到 2000 年，工 業(yè)機(jī)器人總數(shù)將超過 95 萬臺。 我國工業(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、 2 號弧焊機(jī)器人， 1987 年又研制成功華字型點焊機(jī)器人，都已初步商品化，可小批量 生產(chǎn)。 1989 年，我國以國產(chǎn)機(jī)器人為主的汽車焊接生產(chǎn)線的投入生產(chǎn)，標(biāo)志著我國工業(yè)機(jī)器人實用階段的開始。 焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機(jī)器人，在各國機(jī)器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的 40 %?60 %。我國目前 大約有 600 臺以上的點焊、弧焊機(jī)器人用于實際生產(chǎn)。 采用機(jī)器人焊接是焊接自動化的革命性進(jìn)步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動化方式，開拓了一種柔性自動化新方 式。剛性自動化焊接設(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)器人去做另一項工作，無須改變?nèi)魏斡布灰獙λ僮鲆淮问窘碳纯?。因此，在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上，可 同時自動生產(chǎn)若干種焊件。 焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點如下： 1) 易于實現(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) 改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下長期工作： 4) 降低對工人操作技術(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) 可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動化； 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)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的美國機(jī)器人協(xié)會的定義如下：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作的專 門系統(tǒng)，這個定義不能概括工業(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。 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、識別操作的對象，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。目前尚處實驗室研究階段。 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)動器 (Actuator) 將電能或流體能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力裝置曠 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，其腕軸交點能在空間活動的范圍。 6) 機(jī)械原點 (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。 7) 工作原點 (Work Origin) 工業(yè)機(jī)器人工作空間的基準(zhǔn)點。 8) 速度 (Velocity) 機(jī)器人在額定條件下，勻速運動過程中，機(jī)械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的 距離或轉(zhuǎn)動的角度。 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，重復(fù)／ t 次所測得的 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 次所測得的軌跡之間的一 致程度。 12) 點位控制 (PointToPointContr01) 控制機(jī)器人從一個位姿到另一個位姿，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 跡上運動。 14) 存儲容量 (Memory Capacity) 計算機(jī)存儲裝置中可存儲的位置、順序、速度等信息的容量，通常用時間或位 置點數(shù)來表示。 15) 外部檢測功能 (External MeasuringAbility) 機(jī)器人所具備對外界物體狀態(tài)和環(huán)境狀況等的檢測能力。 16) 內(nèi)部檢測功能 (Internal MeasuringAbility) 機(jī)器人對本身的位置、速度等狀態(tài)的檢測能力。 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，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)\ 工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個啟動命令，機(jī)器人將精確地 按示教動作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。 實現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡述如下： (1) 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一臺通用的工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由 3 個相互關(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)動器、傳動機(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)和實現(xiàn)其運動。 filtf手總成 傳動機(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 運動學(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)器人運動學(xué)、動力學(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)器人的全部動作，并將其全部信息送入控制器的存 儲器中，它實質(zhì)上是一個專用的智能終端。 (2) 機(jī)器人手臂運動學(xué) 機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動的關(guān)節(jié)串連而成，是一個開環(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，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)是由若干個臂關(guān)節(jié)的運動所合成的。因此， 機(jī)器人運動控制中，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、器人運動學(xué) 模型。一臺機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運動學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運動控制的基礎(chǔ)。 機(jī)器人手臂運動學(xué)中有兩個基本問題。 1) 對給定機(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 作器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運動學(xué)正問題。在機(jī)器人示教過程中。機(jī)器人控制器即逐點進(jìn)行運動學(xué) 正問題運算。 2) 對給定機(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，稱之為運動學(xué)逆問題。在 機(jī)器人再現(xiàn)過程中，機(jī)器人控制器即逐點進(jìn)行運動學(xué)逆問題運算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。 運動學(xué)正問

13、題的運算都采用 D-H法，這種方法采用 4X4齊次變換矩陣來描述兩個相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把 正問題簡化為尋求等價的 4X4齊次變換矩陣。逆問題的運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]。 對于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動力學(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 動速度都在3m / s內(nèi)，精度都不高于 0.1mm，所以都只做簡單的動力學(xué)控制，動力學(xué)的計算方法可參考文獻(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 (包括，位置和姿態(tài))到終點的運動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，并沿時間軸產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點”，用于控制機(jī)械 手運動。 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)一臺機(jī)器人機(jī)械手的動態(tài)運動方程已給定。 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)載都隨運動空間的變化而變化，因此要對它 進(jìn)行高精度乙斗高速、高動態(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)械手上每一個關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個

15、單獨的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個非線性的、關(guān)節(jié)間 耦合的變負(fù)載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨系統(tǒng)。每個關(guān)節(jié)都有兩個伺服環(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，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，每個機(jī)器人制造廠都有自己的語言。

16、 實際上，機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計算機(jī)編程不同，機(jī)器人操作的對象是各類三維物體，運動在一個復(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是描述機(jī)器人的動作序列，每一條語句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個動作，整個程 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)有計算機(jī)語言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫。如美國機(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。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)器人去完成一個具體的任務(wù)，而不需要說明機(jī)器人 需要采取的每一個動作的細(xì)節(jié)。如美國的 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)器人運動的 任務(wù)級機(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為一臺電動機(jī)驅(qū)動的工

18、業(yè)機(jī)器人，圖 4為一臺液壓驅(qū)動的 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)器人大多采用電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，因為焊槍重量一 般都在10kg以內(nèi)。點焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過 35kg。也有采用液壓驅(qū)動方式的，因為液壓驅(qū)動機(jī)器人抓重能 力大，但大多數(shù)點焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動機(jī)驅(qū)動，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)動器和示教盒 4個基本部分構(gòu)成。對于電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，控制器和驅(qū)動器一般裝在一個控制箱內(nèi)，而液壓 驅(qū)動機(jī)器人，液壓驅(qū)動源單獨成一個部件，現(xiàn)分別簡述如下： (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，由它直接帶動末端

19、操作器 (如焊槍飛點焊鉗)實 現(xiàn)各種運動和操作，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。現(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個運動(x \ y \ z)是由直線運動構(gòu)成，其末端操 作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成，如圖 5所示，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點是運動學(xué)模型簡單，控制精度容易提高；缺點是機(jī) 構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。 顯麗戢和犍盤 機(jī)鑑人 圖3電動機(jī)驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人 肘伸枚 圖4液壓機(jī)驅(qū)動工

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)運動實現(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。其特點是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地 面積小、工作空間大，缺點是精度高、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)或小臂活動范 圍，但其運動學(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)特點是上下運動由直線運動構(gòu)成，其他運動均由旋轉(zhuǎn)運動構(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 PUMA機(jī)械手為例來簡述其內(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個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺， 以實現(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。 每個關(guān)節(jié)都由一臺伺服電動機(jī)驅(qū)動， PUMA機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動，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。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。 其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動雙向無間隙 （即正反傳動均無間隙 ），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)動器 由于焊接機(jī)器人大多采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，這里只介紹這類驅(qū)動器。工業(yè)機(jī)器人目前采用的電動機(jī)驅(qū)動器 可分為4類： 1） 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器 它采用步進(jìn)電動機(jī)，特別是細(xì)分步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動源，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） 直流伺服電動機(jī)系統(tǒng) 它采用直流伺服電動機(jī)系統(tǒng)，由于它能實現(xiàn)位

23、置、速度、加速度 3個閉環(huán)控制。精度高、 變速范圍大、動態(tài)性能好。因此，是目前工業(yè)機(jī)器人的主要驅(qū)動方式。 3） 交流電動機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動器 它采用交流伺服電動機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有直流伺服系統(tǒng)的全部優(yōu)點，而且取消了 換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長了機(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)動電動機(jī)驅(qū)動器 這是最新發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動器，直接驅(qū)動電動機(jī)有大于 1萬的調(diào)速比，在低速下仍能輸 出穩(wěn)定的功率和高的動態(tài)品質(zhì)，在機(jī)械手上可直接驅(qū)動關(guān)節(jié)，取消了減速機(jī)構(gòu)，簡化了機(jī)構(gòu)又提高了效率，是機(jī)器人 驅(qū)動的發(fā)展方向，美國的 Adapt機(jī)器人是直接驅(qū)動機(jī)器人。 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)

24、動器布置都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器。一個驅(qū)動器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、 電機(jī)、測角器、測速器和制動器。它的功能不僅能提供足夠的功率驅(qū)動機(jī)械手各關(guān)節(jié)，而且要實現(xiàn)快速而頻繁起停， 精確地到位和運動。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態(tài)品質(zhì)要求，一般都采用低慣量電動機(jī)，因此，機(jī)器人的驅(qū)動器是一個要求很高的驅(qū) 動系統(tǒng)。 為了實現(xiàn)上述 3個運動閉環(huán)，在機(jī)械手驅(qū)動器中都裝有高精度測角、測速傳感器。測速傳感器一般都采用測速發(fā)電 機(jī)，測角傳感器一般都采用精密電位計或光電碼盤，尤其是光電碼盤。圖 10是它的原理圖

25、。光電碼盤與電動機(jī)同軸 安裝，在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，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通時斷，因而輸出電脈沖。 實際的碼盤是輸出兩路脈沖，由于在碼盤內(nèi)布置了兩對光電管，它們之間有一定角度差，因此兩路脈沖也有固定的相 位差，電動機(jī)正反轉(zhuǎn)時，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。機(jī)器個以上脈沖。 （3）控制器機(jī)器人控制器是機(jī)器人的核心部件，它實施機(jī)器人的全部信息處理和對機(jī)械手的運動控制。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計算機(jī)結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為第一級計算機(jī)，它的任務(wù)是規(guī)劃和管理。 機(jī)器人在示教狀態(tài)時，接受示教系統(tǒng)送來的各示教點位置和姿態(tài)信

26、息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的示 教（關(guān)節(jié)）坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計算機(jī)內(nèi)存。 光電管 透鏡 輻射線 半透明區(qū) 時間 田低 時間 光電管在碼盤 旋轉(zhuǎn)時的籀出 修正后光 電管輸出 光電碼盤 （輻射柵盤） —亮n 」亮_| H 光電管1 逆時怦轉(zhuǎn) 時間 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，從內(nèi)存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時間節(jié)拍 (又稱采樣周期)對它進(jìn)行 圓弧或直線插補(bǔ)運算，算出各插補(bǔ)點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路

28、徑規(guī)劃生成。然后逐點的把各插補(bǔ)點的位置和姿 態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送至各個關(guān)節(jié)。這就是第一級計算機(jī)的規(guī)劃全過程。 第二級計算機(jī)是執(zhí)行計算機(jī)，它的任務(wù)是進(jìn)行伺服電動機(jī)閉環(huán)控制。它接收了第一級計算機(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，以求運動軌跡更為平滑。然后將各關(guān)節(jié)的下一細(xì)步期望值逐點送給驅(qū) 動電動機(jī)，同時檢測光電碼盤信號，直到其準(zhǔn)確到位。 以上均為實時過程，上述大量運算都必須在控制過程中完成。以 PUMA機(jī)器人控制器為例，第一級計算機(jī)的采樣 周期為28ms，即每28ms向第二級計算機(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)，第二級計算機(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 示教盒是人對機(jī)器人示教的人機(jī)交互接口，目前人對機(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，帶動機(jī)器人按實際任務(wù)操作一遍。在此過程中， 機(jī)器人控制器的計算機(jī)逐點記下各關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)值，而不作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再現(xiàn)時，再逐點取出，這種示教方式需要 很大的計算機(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)場示教，而可根據(jù)圖樣，在計算機(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，便于優(yōu)化和更為安全的優(yōu)點，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。示教盒本身是一臺專用計算機(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） 運動

31、功能鍵 如刀向動、y向動、z向動、正/反向動、 1?6關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動等，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、擺動參數(shù)設(shè)定等。 3點焊機(jī)器人 3 . 1點焊機(jī)器人概述 點焊機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域是汽車工業(yè)。一般裝配每臺汽車車體大約需要完成 3000 — 4000個焊點，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)器人臺數(shù)甚至高達(dá) 150臺。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，點焊機(jī)器人只用于

32、增強(qiáng)焊點作業(yè) （往已拼接好的工件上增加焊點 ）。后來，為了保樣，點焊機(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)距的多點定位 （例如每0 ? 3? 0 .4s移動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；示教簡單，節(jié)省工時；安全可靠性好。 表1列舉了生產(chǎn)現(xiàn)場使用的點焊機(jī)器人的分類、特點和用途。在驅(qū)動形式方面，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)器人也在朝電動機(jī)驅(qū)動方向過渡，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，有時還 可以附加整機(jī)移動自由度 主要用語增強(qiáng)焊點 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)點焊機(jī)器人為例。由于實用中 幾乎全部用來完成間隔為 30?50mm左右的打點作業(yè)，運動中很少能達(dá)到最高速度，因此，改善最短時間內(nèi)頻繁短 節(jié)距起、制動：的性能是本機(jī)追求的重點 o :為了提高加速度和減速度，在設(shè)計中注意了減輕手臂的重量，增加驅(qū)動 系統(tǒng)的輸出力矩。同時，為了縮短滯后時間，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)觀測器等措施，控制性能得到大大

35、改善， 50mm短距離移動 的定位時間被縮短到 0 ? 4s以內(nèi)。 一般關(guān)節(jié)式點焊機(jī)器人本體的技術(shù)指標(biāo)，見表 2。 表2點焊機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo) 結(jié) 自由度 號構(gòu) 全關(guān)節(jié)型 6軸： 驅(qū)動 直流伺服電動杠 運 動 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) 計算伺服控制，6軸同時控制 軌跡控制系統(tǒng) PTP 及 CP 運動控制 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 點焊機(jī)器人及其系統(tǒng)的基本構(gòu)成 (1) 點焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式 點焊機(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)用較廣的點焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡易型及 全關(guān)節(jié)型。前者可具有 1?3個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有 5?6個自由度，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現(xiàn)示封瓦孤．惺占估．罟乃焙 彥粹制 ! 惺轄粹制挑分段的時間及程序轉(zhuǎn)換以外，還通過改變主電路晶閘管的導(dǎo)通角而實現(xiàn)焊接電流控制。 (2) 點焊機(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) 點焊機(jī)器人焊鉗 點焊機(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)器人手腕移動的方向移動，二者之間用二次電纜相連，如圖 15 所示。其優(yōu)點是減小了 機(jī)器人的負(fù)載，運動速度高，價格便宜

39、。 圖13典型點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)和主機(jī)簡圖 a）點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng) b）典型點焊機(jī)器人主機(jī)簡圖 I 圖14焊接系統(tǒng)原理圖 圖15分離式焊鉗點焊機(jī)器人 分離式焊鉗的主要缺點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，如圖 40-16 所示。當(dāng)采用這種形式的焊鉗時，必須同機(jī)器人本體統(tǒng)一設(shè)計，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)的點焊機(jī)器人也可以采取這種結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是二次電纜較短，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，另一個優(yōu)點是節(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)器人活動手腕上產(chǎn)生慣性力易于引起過載，這就要求在設(shè)計時，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、的一個新方向。目前，國外已經(jīng)將裝有逆變式焊鉗的點焊機(jī)器人用于汽車裝焊 生產(chǎn)線上，我國對此正在進(jìn)行研究。 20CkVA 4OA 380V 圖17 一體式焊鉗點焊機(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，完成點焊時的焊接參數(shù)輸入，點焊程序控制。焊接電流控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實現(xiàn)與本體計算機(jī)及手 控示教盒的通信聯(lián)系。常用的點焊控制器主要有 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模塊與機(jī)器人大體控制部分共同安排在一個控制柜內(nèi)，由主計算機(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，主計算機(jī)給出焊 接信號后，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，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)點是調(diào)試靈活，焊接系統(tǒng)可單獨伸用，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)器人主控計算機(jī)控制 T - 焊接周期F - 電級壓力I - 焊接電流 焊接控制器與本體及示教蛻簡的聯(lián)系信號主要有焊

44、鉗大小行程、焊接電流增 /減號，焊接時間增減、焊接開始及結(jié) 束，焊接系統(tǒng)故障等。 c ?群控系統(tǒng) 群控就是將多臺點焊機(jī)器人焊機(jī) (或普通焊機(jī))與群控計算機(jī)相連，以便對同時通電的數(shù)臺焊 機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)部分焊機(jī)的焊接電流分時交錯，限制電網(wǎng)瞬時負(fù)載，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓保證焊點質(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)某臺機(jī)器人 (或點焊機(jī))出現(xiàn)故障時，群控系統(tǒng)啟動備用的點焊機(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，點焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)都應(yīng)增加“焊接請求”及“焊接允許”信號，并與群控計算機(jī)相連。 (3) 新型點焊機(jī)器人系統(tǒng) 最近，

45、點焊機(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)庫系統(tǒng)的新型點焊機(jī)器人系統(tǒng)基本構(gòu)成。 (4) 點焊機(jī)器人對焊接系統(tǒng)的要求 1) 應(yīng)采用具有浮動加壓裝置的專用焊鉗，也可對普通焊鉗進(jìn)行改裝。焊鉗重量要輕，可具有長、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)計在固定法蘭盤的軸心線上。 3) 焊接控制系統(tǒng)應(yīng)能對阻焊變壓器過熱、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。能識別機(jī)器人本體及手控盒的各種信號，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。 3 . 3點焊機(jī)器人的選擇 在選用或引進(jìn)點焊機(jī)器人時，必須注意以下幾點： 1) 必須使點焊機(jī)器人實際可達(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位置及焊點數(shù) 量確定。 2) 點焊速度與生產(chǎn)線速度必須匹配。首先由生產(chǎn)線速度及待焊點數(shù)確定單點工作時間，而機(jī)器人的單點焊接時間 (含加壓、通電、維持、移位等 )必須小于此值，即點焊速度應(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，控制精度高的點焊機(jī)器人。 5) 需采用多臺機(jī)器人時，應(yīng)研究是否采用多種型號，并與多點焊機(jī)及簡易直角坐標(biāo)機(jī)器人并用等問題。當(dāng)機(jī)器人 間隔較小時，應(yīng)注意動作順序的安排，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，再從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益方面進(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；這是因為弧焊工藝早已在諸多行業(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)，而不只是一一臺以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動的單機(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動，并不斷填充金屬形成焊縫。因此，運 動過程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項重要的指標(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)對焊縫質(zhì)量也有一定影響， 因此希望在跟蹤焊道的同時，焊槍姿態(tài)的可調(diào)范圍盡量大。 作業(yè)時，為了得到優(yōu)質(zhì)焊縫，往往需要在動作的示教以及焊接條件 (電流、電壓、速度)的設(shè)定上花費大量的

49、勞力 和時間，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。對于小型、 簡單的焊接作業(yè)，機(jī)器人有 4、5軸即可以勝任了，對于復(fù)雜工件的焊接，采用 6軸機(jī)器人對調(diào)整焊槍的姿態(tài)比較 方便。對于特大型工件焊接作業(yè)，為加大工作空間，有時把關(guān)節(jié)型機(jī)器人懸掛起來，或者安裝在運載小車上使用， 4） 規(guī)格舉一個典型的弧焊機(jī)器人加以說明。圖 22和表3分別是主機(jī)的簡圖和規(guī)格。 自動 〔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軸同時控制，便于焊槍姿態(tài)調(diào)整 動作方式 各軸單獨插補(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 接抖動功能（軟件） 存儲功能 IC 存儲器，128kW、 輔助

51、功能 定時功能、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。 （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個自由度以上，具有6個自由度的機(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)簡圖。點至點方式移動速度可達(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)插法擺動的功能。如圖 23的6種擺動方式，以滿足焊接工藝要求，機(jī)器 人的負(fù)荷為5kg 。 n4；540 會黑 機(jī)蹇 cb JTI：32臚 i 圖22

53、 典型弧焊機(jī)器人的主機(jī)簡圖 b) c) d) e) f> 圖23弧焊機(jī)器人的6種擺動方式 a) 直線單擺b) L 形c) 三角形d) U 形e)臺形f) 高速圓弧擺動 弧焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅要保證機(jī)器人的精確運動，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 施。圖24是一臺典型的弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的計算機(jī)硬件框圖。控制計算機(jī)由 8086CPU做管理用中央處理機(jī)單元， 8087協(xié)處理器進(jìn)行運動軌跡計算，每 4個電動機(jī)由1個8086CPU進(jìn)行伺服控制。通過串行 I /O接口與上一級管

54、 理計算機(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。 該計算機(jī)系統(tǒng)具有傳感器信息處理的專用 CPU(8085)，微計算機(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。這種工具既有簡

57、單的，用手動夾緊杠桿操作的設(shè)備；也有極復(fù)雜的全自動液壓或氣動夾緊系統(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)備之間的信號交換是相當(dāng)不同的，這一信號交換對于工作的安全 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個給定電壓達(dá)到上述目的。對于復(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，可能需要 2?5個給定電壓，電源在其功率和接通持續(xù)時間上必須與自動過程相符合，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

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調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)鋼、 Cr-Ni鋼及鋁焊接時都能保證實現(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。 送絲系統(tǒng)必須保證恒定送絲，送絲系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成具有足夠的功率，并能調(diào)節(jié)送絲速度。為了機(jī)器人的自由移動， 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，由于焊接持續(xù)時間長，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)或制動保

59、護(hù)環(huán)節(jié)，防止示教和焊接時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)器人連接的一個例子。在裝卡焊槍時，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)器人臺車 移動門形架 肋板 骨槍 工字鋼 V 點固輝縫 圖25機(jī)器人倒置在移動門架上 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)械手的運動， 還需控制外圍設(shè)備的動作、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、信號有數(shù)字量信號和模擬量信號?？刂乒衽c外圍設(shè)備用模擬信號聯(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)對操作機(jī)電動機(jī)的伺服控制 與對機(jī)器人伺服控制電動機(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 示教盒 操作黠 圖28是典型的控制框圖 數(shù)字量信號負(fù)擔(dān)各設(shè)備的啟動、停止、安全以及狀態(tài)檢測。 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，然后用按鍵確 定位置，運動方式(直線或圓弧插補(bǔ))、擺動方式、焊槍姿態(tài)以及各種焊接參數(shù)。同時還可通過示教盒確定周邊設(shè) 備的運動速度等。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)行實際焊接。下面是焊接操作的一個實例 (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； 2) SEASA=H1 , L仁0,根據(jù) H1 給出起始點 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； 8) ARCON , DBASE=*DHFL09:開始以數(shù)據(jù)庫 *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 的速度運動： 11) Dw=1 , OUTB=2 , 1s 后，在#2點發(fā)出1個脈沖； 12) F=100 :以 v=100cm / min 的速度運動； 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。從安全觀點出發(fā)，危險常出現(xiàn)在下面幾種情況： 1) 在示教時 這時，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 最高移動速度和急停按鍵，會提高安全性。 2) 在維護(hù)及保養(yǎng)時 此時，維護(hù)人員必須靠近機(jī)器人及其周圍設(shè)備工作及檢測操作。 3) 在突然出現(xiàn)故障后觀察故障時 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)器人對示教條件以外的焊接過程動態(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?，柔性周邊設(shè)備以及相應(yīng)軟件功能，如焊縫跟蹤傳感、焊接過程傳感與實時控制、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，現(xiàn)將相關(guān)的智能化技術(shù)簡要介紹如下。 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)計技術(shù)； 2) 焊接環(huán)境、焊縫位置及走向以及焊接動態(tài)過程的智能傳感技術(shù)； 3) 機(jī)器人運動軌跡控制實現(xiàn)技術(shù)； 4) 焊接動態(tài)過程的實時智能控制器設(shè)計； 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)自動生成從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的機(jī)器人動作 序列、

67、可達(dá)的焊槍運動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，并能實現(xiàn)對焊接規(guī)劃過程的 自動仿真與優(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， 在實際施焊前對機(jī)器人焊接的路徑和焊接參數(shù)方案進(jìn)行計算機(jī)軟件規(guī)劃 ( 仿真設(shè)計研究)是十分必要的。這一方面可以大幅度節(jié)省實際示教對生產(chǎn)線的占用時間，提高焊接機(jī)器人的利用率， 另一方面還可以實現(xiàn)機(jī)器人運動過程的焊前模擬，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)