welcome to www.chinaweld.com.cn   [英文版]
 
焊接工艺
   您现在的位置是:中国焊接网
 
焊接机器人
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:3/27/2007 阅读:13800

 

 

 

       

 

 

1  焊接机器人的发展概论

近十多年来微电子学、计算机科学、通信技术和人工智能控制的迅猛发展,为先进制造技术水平的提高带来了前所未有的机遇。焊接机器人是机电一体化的高科技成果,它对制造技术水平的提高起到了推动作用。自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来,1996年底全世界已有大约68万台工业机器人投入生产应用,这其中大约有半数是焊接机器人。随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求 不断提高,以焊接机器人为核心的焊接自动化技术已有长足的发展。

焊接机器人是焊接自动化的革命性进步,它突破了焊接刚性自动化的传统方式,开拓了一种柔性自动化生产方式,并且实现了在一条焊接机器人生产线上同时自动生产若干种焊件。

20世纪60年代诞生和发展到现在,焊接机器人可大致分为三代。第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人,由于其具有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点,在焊接生产中得到大量使用。第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人,得益于焊接传感器技术的不断改进,这类机器人现已进入应用研究的阶段。第三代是指装有多种传感器,接受作用指令后能根据环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人,由于人工智能技术的发展相对滞后,这一代机器人正处于试验研究阶段。随着计算机控制技术的不断进步,使焊接机器人由单一的示教再现型向智能化的方向发展,成为科研人员追求的目标。

焊接机器人的主要优点有:稳定和提高焊接质量,保证其均匀性;提高劳动生产率;改造工人劳动条件;降低对工人操作技术的要求;缩短产品改型换代的准备周期,减少相应的设备投资;可实现小批量产品的焊接自动化;能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业;为焊接柔性生产线提高技术基础。

目前,国内外已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上,据1996年底的不完全统计,目前中国已有500台左右的焊接机器人分布于各大中城市的汽车、摩托车、工程机械等制造业,其中55%左右为弧焊机器人,45%左右为点焊机器人。这焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代的任务示教再现型,功能较为单一,工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节的运动,采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设定的,在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能,这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格,焊接时缺乏“柔性”,表现出不具备适应焊接对象和任务变化的能力;对复杂形状的焊接编程效率低,占用大量生产时间;不能对焊接动态过程实时检测控制,无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊件要求等明显缺点。

在实际焊接过程中,作业条件是经常变化的,如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化,焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均。为了克服机器人焊接过程中各种不确定因素对焊接质量的影响,提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性,要求焊接机器人的在线调整和焊缝质量的实时控制,为了达到上述目标,科研人员围绕机器人焊接智能化展开了广泛的研究工作。

2  焊接机器人的分类

焊接机器人是一个机电一体化的设备,可以按用途、结构、受控运动方式、驱动方法等观点对其进行分类。

1)按用途分类

1) 弧焊机器人  由于弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及,弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统,而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机,因而对其性能有着特殊的要求。在弧焊作业中,焊枪应跟踪工件的焊道运动,并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下,焊接速度约取550mm/s,轨迹精度约为±0.20.5mm,由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定影响,因此,希望在跟踪焊道的同时,焊枪姿态的可调范围尽量大。

2) 点焊机器人  汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应用领域,在装配每台汽车车体时,大约60%的焊点是由机器人完成。最初,点焊机器人只用于增强焊作业(往已拼接好的工件上增加焊点),后来为了保证拼接精度,又让机器人完成定位焊接作业。

2)按结构坐标系来分

1) 直角坐标型  这类机器人的结构和控制方案与机床类似,其到达空间位置的三个运动(xyz)是由直线运动构成(见图1),这种形式的机器人优点是运动学模型简单,各轴线位移分辨率在操作容积内任一点上均为恒定,控制精度容易提高;缺点是机构庞大,工作空间小,操作灵活性较差。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。

2) 圆柱坐标型  这类机器人在基座水平转台上装有立柱,水平臂可沿立柱作上下运动并可在水平方向伸缩(见图2)。这种结构方案的优点是末端操作可获得较高速度,缺点是末端操作器外伸离开立柱轴心愈远,其线位移分辨精度愈低。

3) 球坐标型  与圆柱坐标结构相比较,这种结构形式更为灵活。但采用同一分辨率的码盘检测角位移时,伸缩关节的线位移分辨率恒定,但转动关节反映在末端操作器上的线位移分辨率则是个变量,增加了控制系统的复杂性(见图3)。

4) 全关节型  全关节型机器人的结构类似人的腰部和手部,其位置和姿态全部由旋转运动实现(见图4),其优点是机构紧凑,灵活性好,占地面积小,工作空间大,可获得较高的末端操作器线速度;其缺点是运动学模型复杂,高精度控制难度大,空间线位移分辨率取决于机器人手臂的位姿。

3)按受控运动方式来分

1) 点位控制(PTP)型  机器人受控运动方式为自一个定位目标移向另一个点位目标,只在目标点上完成操作。要求机器人在目标点上有足够的定位精度,相邻目标点间的运动方式之一是各关节驱动机以最快的速度趋近终点,各关节视其转角大小不同而到达终点有先有后;另一种运动方式是各关节同时趋近终点,由于各关节运动时间相同,所以,角位移大的运动速度较高。点位控制型机器人主要用于点焊作业。

2) 连续轨迹控制(CP)型  机器人各关节同时作受控运动,使机器人终端按预期的轨迹和速度运动,为此各关节控制系统需要实时获取驱动机的角位移和角速度信号。连续控制主要用于弧焊机器人。

4)按驱动方式来分

1) 气压驱动  使用压力通常在0.40.6MPa,最高可达1MPa。气压驱动的主要优点是气源方便,驱动系统具有缓冲作用,结构简单,成本低,易于保养;主要缺点是功率质量比小,装置体积小,定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。

2) 液压传动  液压驱动系统的功率质量比大,驱动平衡,且系统的固有效率高,快速性好,同时液压驱动调速比较简单,能在很大范围内实现无级调速;其主要缺点是易漏油,这不仅影响工作稳定性与定位精度,而且污染环境,液压系统需配备压力源及复杂的管路系统,因而,成本也较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度较低的场合。

3) 电气驱动  电气驱动是利用各种电动机产生的力或转矩,直接或经过减速机构去驱动负载,以获得机器人要求的运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点,电气驱动是最普遍、应用最多的驱动方式。电气驱动又可细分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷直流电机驱动和交流伺服电机驱动等多种方式。后者有着最大的转矩质量比,由于没有电刷,其可靠性极高,几乎不需任何维护。20世纪90年代后生产的机器人大多采用这种驱动方式。

3  焊接机器人的系统组成

机器人要完成焊接作业,必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接要机器人系统一般由机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的完全设备等几部分组成(见图5)机器人操作机是焊接机器人系统执行机构,它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置、姿态和实现其运动。变位机作为机器人接生产线及接柔性加工单元的重要组成部分,其作用是将被焊工件旋转到最佳的焊接位置,通过夹具来装卡和定位,对焊件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。控制器是整个机器人系统的神经中枢,负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。典型的焊接机器人控制系统结构如图6所示。

 

 

 

 
 
打印本页 | 关闭窗口
把中国焊接网作为我的首页    把中国焊接网放入收藏    和中国焊接网联系
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
地址:大连市甘井子区东纬路472-2号1单元1层6号公建
电话: 0411-86851981 86851956
传真:0411-86851835 技术支持:中易互联
辽ICP备05012178号