1、1概述1 .1新一代自動焊接的手段工業機器人作為現代制造技術發展的重要標志之一和新興技術產業，已為世人所認同。并正對現代高技術產業各領域以至人們的生活產生了重要影響。從1962年美國推出世界上第一臺Unimate型和Versatra型工業機器人以來，根據國際機器人協會截止到1996年底的統計，先后已有84萬臺，現有大約68萬臺工業機器人服役于世界各國的工業界。預計到2000年，工業機器人總數將超過95萬臺。我國工業機器人的發展起步較晚，但從20世紀80年代以來進展較快，1985年研制成功華字型弧焊機器人，1987年研制成功上海1號、2號弧焊機器人，1987年又研制成功華字型點焊機器人，都已初步

2、商品化，可小批量生產。1989年，我國以國產機器人為主的汽車焊接生產線的投入生產，標志著我國工業機器人實用階段的開始。焊接機器人是應用最廣泛的一類工業機器人，在各國機器人應用比例中大約占總數的40%60%。我國目前大約有600臺以上的點焊、弧焊機器人用于實際生產。采用機器人焊接是焊接自動化的革命性進步，它突破了傳統的焊接剛性自動化方式，開拓了一種柔性自動化新方式。剛性自動化焊接設備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產品的自動化生產，因而在中、小批量產品焊接生產中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機器人使小批量產品的自動化焊接生產成為可能。就目前的示教再現型焊接機器人而言，焊接機器人完成一項

3、焊接任務，只需人給它做一次示教，它即可精確地再現示教的每一步操作，如要機器人去做另一項工作，無須改變任何硬件，只要對它再做一次示教即可。因此，在一條焊接機器人生產線上，可同時自動生產若干種焊件。焊接機器人的主要優點如下：1) 易于實現焊接產品質量的穩定和提高，保證其均一性；2) 提高生產率，一天可24h連續生產；3) 改善工人勞動條件，可在有害環境下長期工作：4) 降低對工人操作技術難度的要求；5) 縮短產品改型換代的準備周期，減少相應的設備投資；6) 可實現小批量產品焊接自動化；7) 為焊接柔性生產線提供技術基礎。1 .2工業機器人定義和分代概念關于工業機器人的定義尚未統一，目前聯合國標準化

4、組織采用的美國機器人協會的定義如下：工業機器人是一種可重復編程和多功能的、用來搬運物料、零件、工具的機械手，或能執行不同任務而具有可改變的和可編程動作的專門系統，這個定義不能概括工業機器人的今后發展，但可說明目前工業機器人的主要特點。工業機器人的發展大致可分為三代。第一代機器人，即目前廣泛使用的示教再現型工業機器人，這類機器人對環境的變化沒有應變或適應能力。第二代機器人，即在示教再現機器人上加感覺系統，如視覺、力覺、觸覺等。它具有對環境變化的適應能力，目前已有部分傳感機器人投入實際應用。第三代機器人，即智能機器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周圍的環境、識別操作的對象，并自行規劃操作順序以

5、完成賦予的任務，這種機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) 機械手(Manipulator)也可稱為操作機。具有和人臂相似的功能，可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置。2) 驅動器(Actuator)將電能或流體能轉換成機械能的動力裝置曠3) 末端操作器(EndEffector)位于機器人腕部末端、直接執行工作要求的裝置。如夾持器、焊槍、焊鉗等。4) 位姿(Pose)工業機器人末端操作器在指定坐標系中的位置和姿態。5) 工作空間(WorkingSpace)工業機器人執行任務時，其腕軸交點能在空間活動的范圍。6) 機械原點(MechanicalOrigin)工業機器人各自

6、由度共用的，機械坐標系中的基準點。7) 工作原點(WorkOrigin)工業機器人工作空間的基準點。8) 速度(Velocity)機器人在額定條件下，勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。9) 額定負載(Ratedload)工業機器人在限定的操作條件下，其機械接口處能承受的最大負載(包括末端操作器)，用質量或力矩表示。10) 重復位姿精度(PoseRepeatability)工業機器人在同一條件下，用同一方法操作時，重復/t次所測得的位姿一致程度。11)軌跡重復精度(PathRepeatability)工業機器人機械接口中心沿同一軌跡跟隨/x次所測得的軌

7、跡之間的一致程度。12) 點位控制(PointToPointContr01)控制機器人從一個位姿到另一個位姿，其路徑不限。13) 連續軌跡控制(ContinuousPathContr01)控制機器人的機械接口，按編程規定的位姿和速度，在指定的軌跡上運動。14) 存儲容量(MemoryCapacity)計算機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來表示。15) 外部檢測功能(ExternalMeasuringAbility)機器人所具備對外界物體狀態和環境狀況等的檢測能力。16) 內部檢測功能(InternalMeasuringAbility)機器人對本身的位置、速

8、度等狀態的檢測能力。17) 自診斷功能(SelfDiagnosisAbility)機器人判斷本身全部或部分狀態是否處于正常的能力。2工業機器人工作原理及其基本構成2.1工業機器人工作原理現在廣泛應用的焊接機器人都屬于第一代工業機器人，它的基本工作原理是示教再現。示教也稱導引，即由用戶導引機器人，一步步按實際任務操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態、運動參數工藝參數等，并自動生成一個連續執行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機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。實現上述功能的主要工作原理，簡述如下：1) )機器人的系統結構一

9、臺通用的工業機器人，按其功能劃分，一般由3個相互關連的部分組成：機械手總成、控制器、示教系統，如圖1所示。機械手總成是機器人的執行機構，它由驅動器、傳動機構、機器人臂、關節、末端操作器、以及內部傳感器等組成。它的任務是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態和實現其運動。機械手總成器動器傳動機構機械手機構末端操作器控制器健件系統支撐軟件機器人語育運動學軟件控制算法軟件功能軟件示教食5環境及任務妥圖1工業機器人的基本結構控制器是機器人的神經中樞。它由計算機硬件、軟件和一些專用電路構成，其軟件包括控制器系統軟件、機器人專用語言、機器人運動學、動力學軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷、白保護功能軟件等

10、，它處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。示教系統是機器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機器人的全部動作，并將其全部信息送入控制器的存儲器中，它實質上是一個專用的智能終端。2) )機器人手臂運動學機器人的機械臂是由數個剛性桿體由旋轉或移動的關節串連而成，是一個開環關節鏈，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)，在機器人操作時，機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的位置和姿態，而這些位置和姿態是由若干個臂關節的運動所合成的。因此，機器人運動控制中，必須要知道機械臂各關節變量空間和末端操作器的位置和姿態之間的關系，這就是機器人運動學模型。

11、一臺機器人機械臂幾何結構確定后，其運動學模型即可確定，這是機器人運動控制的基礎。機器人手臂運動學中有兩個基本問題。3) 對給定機械臂，己知各關節角矢量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系的位置和姿態，稱之為運動學正問題。在機器人示教過程中。機器人控制器即逐點進行運動學正問題運算。4) 對給定機械臂，已知末端操作器在參考坐標系中的期望位置和姿態，求各關節矢量，稱之為運動學逆問題。在機器人再現過程中，機器人控制器即逐點進行運動學逆問題運算，將角矢量分解到機械臂各關節。運動學正問題的運算都采用D-H法，這種方法采用4X4齊次變換矩陣來描述兩個相

12、鄰剛體桿件的空間關系，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、迭代或幾何方法ob在此不作具體介紹，可參考文獻1。對于高速、高精度機器人，還必須建立動力學模型，由于目前通用的工業機器人(包括焊接機器人)最大的運動速度都在3m/s內，精度都不高于O.1mm,所以都只做簡單的動力學控制，動力學的計算方法可參考文獻正13。(3) 機器人軌跡規劃機器人機械手端部從起點(包括，位置和姿態)到終點的運動軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規劃的任務是用一種函數來“內插”或“逼近”給定的路徑，并沿時間軸產生一系列“控制設定點”，用于控制機械手運動。目前常用的軌跡規劃方

13、法有關節變量空間關節插值法和笛卡爾空間規劃兩種方法。具體算法可參考文獻1,4(4) 機器人機械手的控制當一臺機器人機械手的動態運動方程已給定。它的控制目的就是按預定性能要求保持機械手的動態響應。但是由于機器人機械手的慣性力、耦合反應力和重力負載都隨運動空間的變化而變化，因此要對它進行高精度乙斗高速、高動態晶質的控制是相當復雜而困難的，現在正在為此研究和發展許多新的控制方法。目前工業機器人上采用的控制方法是把機械手上每一個關節都當作一個單獨的伺服機構，即把一個非線性的、關節間耦合的變負載系統，簡化為線性的非耦合單獨系統。每個關節都有兩個伺服環，機械手伺服控制系統見圖2外環提供位置誤差信號，內環由

14、模擬器件和補嘗器(具有衰減速度的微分反饋)組成，兩個伺服環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、精度要求不高和負荷不大的O圖2機械手伺服控制體系結構(5) 機器人編程語言機器人編程語言是機器人和用戶的軟件接口，編程語言的功能決定了機器人的適應性和給用戶的方便性，至今還沒有完全公認的機器人編程語言，每個機器人制造廠都有自己的語言。實際上，機器人編程與傳統的計算機編程不同，機器人操作的對象是各類三維物體，運動在一個復雜的空間環境，還要監視和處理傳感器信息。因此其編程語言主要有兩類：面向機器人的編程語言和面向任務的編程語言。面向機器人的

15、編程語言的主要特點是描述機器人的動作序列，每一條語句大約相當于機器人的一個動作，整個程序控制機器入完種：1) 專用的機器人語言，如PUMA機器人的VAL語言，是專用的機器人控制語言，它的最新版本是VAL-I和V+2222222。2) 在現有計算機語言的基礎上加機器人子程序庫。如美國機器人公司開發的ARBasic和Intelledex公司的RobotBasic語言，都是建立在BASIC語言上的。3) 開發一種新的通用語言加上機器人子程序庫。如舊M公司開發的AML機器人語言。面向任務的機器人編程語言允許用戶發出直接命令，以控制機器人去完成一個具體的任務，而不需要說明機器人需要采取的每一個動作的細節

16、。如美國的RCCL機器人編程語言，就是用C語言和一組C函數來控制機器人運動的任務級機器人語言。焊接機器人的編程語言，目前都屬于面向機器人的語言，面向任務的機器人語言尚屬開發階段。大都是針對裝配作業的需要。工業機器人的基本構成，可參見圖3和圖4。圖3為一臺電動機驅動的工業機器人，圖4為一臺液壓驅動的工業機器人。焊接機器人基本上都屬于這兩類工業機器人，弧焊機器人大多采用電動機驅動機器人，因為焊槍重量一般都在10kg以內。點焊機器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅動方式的，因為液壓驅動機器人抓重能力大，但大多數點焊機器人仍是采用大功率伺服電動機驅動，因它成本較低，系統緊湊。工業機器人是由機

17、械手、控制器、驅動器和示教盒4個基本部分構成。對于電動機驅動機器人，控制器和驅動器一般裝在一個控制箱內，而液壓驅動機器人，液壓驅動源單獨成一個部件，現分別簡述如下：(1)機械手機器人機械手又稱操作機，是機器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器(如焊槍飛點焊鉗)實現各種運動和操作，它的結構形式多種多樣，完全根據任務需要而定，其追求的目標是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F在工業機器人機械手的主要結構形式有如下3種：1)機床式這種機械手結構類似機床。其達到空間位置的3個運動(xyz)是由直線運動構成，其末端操作器的姿態由旋轉運動構成，如圖5所示，這種形式的機械手優點是運動學模型簡單，

18、控制精度容易提高；缺點是機構較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機器人常采用這種形式。顯示器和鍵盤機罌人圖3電動機驅動工業機器人時伸長圖4液壓機驅動工業機器人2)全關節式這種機械手的結構類似人的腰部和手部，其位置和姿態全部由旋轉運動實現，圖6為正置式全關節機械手，圖7為偏置式全關節機械手。這是工業機器人機械手最普遍的結構形式。其特點是機構緊湊、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別是手腕關節置于小臂的外側或小臂活動范圍，但其運動學模型要復雜一些。目前焊接機器人主要采用全關節式機械手。圖5機床式機械手3）平面關節式這種機械手的機構特點是上下運動

19、由直線運動構成，其他運動均由旋轉運動構成。這種結構在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業，所以被裝配機器人廣泛采用，又稱為SCARA型機械手，如圖8所示。機器人機械手的具體結構雖然多種多樣，但都是由常用的機構組合而成。現以美國PUMA機械手為例來簡述其內部機構，見圖9。它是由機座、大臂、小臂、手腕4部分構成，機座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有3個旋轉關節，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有3個旋轉關節：腕轉、腕曲、腕擺，以實現末端操作器的任意空間姿態。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。每個關節都由一臺伺服電動機驅動，PUMA機械手是采用齒輪減速、桿傳動，但

20、不同廠家采用的機構不盡相同，減速機構常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、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。其技術關鍵是要保證彳動雙向無間隙（即正反傳動均無間隙），這是機器人精度的機械保證，當然還要求效率高，機構緊湊。圖6正置式全關節機械手圖7偏置式全關節機械手圖8平面關節機械手圖9PUMA機械手機構（2）驅動器由于焊接機器人大多采用伺服電動機驅動，這里只介紹這類驅動器。工業機器人目前采用的電動機驅動器可分為4類:1）步進電動機驅動器它采用步進電動機，特別是細分步進電動機為驅動源，由于這類系統一般都是開環控制，因此大多用于焙席較低白經濟型工業機9S人。2）直流伺服電動機

21、系統它采用直流伺服電動機系統，由于它能實現位置、速度、加速度3個閉環控制。精度高、變速范圍大、動態性能好。因此，是目前工業機器人的主要驅動方式。3）交流電動機伺服系統驅動器它采用交流伺服電動機系統，這種系統具有直流伺服系統的全部優點，而且取消了換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長了機器人的維修周期。因此，正在機器人中推廣采用。4）直接驅動電動機驅動器這是最新發展的機器人驅動器，直接驅動電動機有大于1萬的調速比，在低速下仍能輸出穩定的功率和高的動態品質，在機械手上可直接驅動關節，取消了減速機構，簡化了機構又提高了效率，是機器人驅動的發展方向，美國的Adapt機器人是直接驅動機器人。工業機器人的

22、驅動器布置都采用一個關節一個驅動器。一個驅動器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、電機、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動機械手各關節，而且要實現快速而頻繁起停，精確地到位和運動。因此必須采用位置閉環、速度閉環、加速度閉環。為了保護電動機和電路，還要有電流閉環。為適應機器人的頻繁起停和高的動態品質要求，一般都采用低慣量電動機，因此，機器人的驅動器是一個要求很高的驅動系統。為了實現上述3個運動閉環，在機械手驅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電機，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。光電碼盤與電動

23、機同軸安裝，在電動機旋轉時，帶有細分刻槽的碼盤同速旋轉，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，電動機正反轉時，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動機的旋轉方向。機器個以上脈沖。（3）控制器機器人控制器是機器人的核心部件，它實施機器人的全部信息處理和對機械手的運動控制。圖11是控制器的工作原理圖。工業機器人控制器大多采用二級計算機結構，虛線框內為第一級計算機，它的任務是規劃和管理。機器人在示教狀態時，接受示教系統送來的各示教點位置和姿態信息、運動參數和工藝參數，并通過計算把

24、各點的示教（關節）坐標值轉換成直角坐標值，存入計算機內存。光源透密光電管光電碼盤（輜射柵盤）擢射線半透明區時間修正后光電管輸出Is®)之喊費“光電管2光電管2。|一相位滯巨時間逆時針轉°時間圖10光電碼盤原理圖示教盒程技銳計算機E市一機罌人電流反館'>_6個粕角一反爆圖11控制器工作原理圖機器人在再現狀態時，從內存中逐點取出其位置和姿態坐標值，按一定的時間節拍(又稱采樣周期)對它進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態坐標值，這就是路徑規劃生成。然后逐點的把各插補點的位置和姿態坐標值轉換成關節坐標值，分送至各個關節。這就是第一級計算機的規劃全過程。第二

25、級計算機是執行計算機，它的任務是進行伺服電動機閉環控制。它接收了第一級計算機送來的各關節下一步預期達到的位置和姿態后，又做一次均勻細分，以求運動軌跡更為平滑。然后將各關節的下一細步期望值逐點送給驅動電動機，同時檢測光電碼盤信號，直到其準確到位。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機器人控制器為例，第一級計算機的采樣周期為28ms,即每28ms向第二級計算機送一次各關節的下一步位置和姿態的關節坐標，第二級計算機又將各關節值等分30細步，每0.875ms向各關節送一次關節坐標值。(4)示教盒示教盒是人對機器人示教的人機交互接口，目前人對機器人示教有3種方式：1) 手把手

26、示教又稱全程示教，即由人握住機器人機械臂末端，帶動機器人按實際任務操作一遍。在此過程中，機器人控制器的計算機逐點記下各關節的位置和姿態值，而不作坐標轉換，再現時，再逐點取出，這種示教方式需要很大的計算機內存、而且由于機構的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在噴漆、噴涂機器人上。2) 示教盒示教即由人通過示教盒操縱機器人進行示教，這是最常用的機器人示教方式，目前焊接機器人都采用這種方式。3) 離線編程示教即無需人操作機器人進行現場示教，而可根據圖樣，在計算機上進行編程，然后輸給機器人控制器。它具有不占機器人工時，便于優化和更為安全的優點，所以是今后發展的方向。圖12為ESAB焊接機器人的示教盒，

27、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行示教。示教盒本身是一臺專用計算機，它不斷掃描盒上的功能和數字鍵、操縱桿，并把信息和命令送給控制器。各廠家的機器人示教盒都不相同，但其追求的目標都是為方便操作者。圖12焊接機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、存入刪除修改、檢查、回零、直線插補、圓弧插補等，為示教編程用。2） 運動功能鍵如刀向動、y向動、z向動、正/反向動、16關節轉動等，為操縱機器人示教用。3） 參數設定鍵如各軸速度設定、焊接參數設定、擺動參數設定等。3點焊機器人3.1點焊機器人概述點焊機器人的典型應用領域是汽車工業。一般裝配每臺

28、汽車車體大約需要完成3000-4000個焊點，而其中的60%是由機器人完成的。在有些大批量汽車生產線上，服役的機器人臺數甚至高達150臺。汽車工業引入機器人已取得了下述明顯效益：改善多品種混流生產的柔性；提高焊接質量：提高生產率；把工人從惡劣的作業環境中解放出來。今天，機器人已經成為汽車生產行業的支柱。最初，點焊機器人只用于增強焊點作業（往已拼接好的工件上增加焊點）。后來，為了保樣，點焊機器人逐漸被要求具有更全的作業性能。具體來說有：安裝面積小，工作空間大：快速完成小節距的多點定位（例如每0.30.4s移動3050mm節距后定位）：定位精度高（±0.25mm）,以確保焊接質量：持重大

29、（3001000N）,以便攜帶內裝變壓器的焊鉗；示教簡單，節省工時；安全可靠性好。表1列舉了生產現場使用的點焊機器人的分類、特點和用途。在驅動形式方面，由于電伺服技術的迅速發展，液壓伺服在機器人中的應用逐漸減少，甚至大型機器人也在朝電動機驅動方向過渡，隨著微電子技術的發展，機器人技術在性能、小型化、可靠性以及維修等方面日新月異；在機型方面，盡管主流仍是多用途的大型6軸垂直多關節機器人，但是，出于機器人加工單元的需要，一些汽車制造廠家也進行開發立體配置35軸小型專用機器人的嘗試。表1點焊機器、人的分類分類特征用途垂直多關節型（落地式）工作空間/安裝面積之比大，持重多數為1000N左右，有時還可以

30、附加整機移動自由度主要用語增強焊點作業垂直多關節型（懸掛式）工作空間均在機器人的下方車體的拼接作業直角坐標型多數為3、4、5軸，適合于連續直線焊縫，價格便宜定位焊接用機器人（單向加壓）能承受500KG加壓反力的高剛度機器人。有些機器人本身帶加壓作業功能車身底板的定位焊典型點焊機器人的規格。以持重1000N,最高速度4m/s2的6軸垂直多關節點焊機器人為例。由于實用中幾乎全部用來完成間隔為3050mm左右的打點作業，運動中很少能達到最高速度，因此，改善最短時間內頻繁短節距起、制動：的性能是本機追求的重點o:為了提高加速度和減速度，在設計中注意了減輕手臂的重量，增加驅動系統的輸出力矩。同時，為了縮

31、短滯后時間，得到高的靜態定位精度，該機采用低慣性、高剛度減速器和高功率的無刷伺服電動機。由于在控制回路中采取了加前饋環節和狀態觀測器等措施，控制性能得到大大改善，50mm短距離移動的定位時間被縮短到0.4s以內。一般關節式點焊機器人本體的技術指標，見表2。表2點焊機器人主要技術指標結構自由度全關節型6軸：驅動直流伺服電動杠運動范圍腰轉范圍士135°最大速度50°/s大臂轉前50°,后30°45°/s小臂轉下40°,上20°40°/s腕擺士90°士80°/s腕轉士90°士80°

32、/s腕捻士170°士80°/s最大負荷65kg重復精度士1mm控制系統計算伺服控制，6軸同時控制軌跡控制系統運動控制PTP及CP直線插補小教系統本教再現內存容量1280步環境要求溫度045c濕度20%-<90%RH電源要求220V交流，50Hz三相1500kg3.2點焊機器人及其系統的基本構成(1) 點焊機器人的結構形式點焊機器人雖然有多種結構形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統及控制系統，如圖4013所示。目前應用較廣的點焊機器人，其本體形式為直角坐標簡易型及全關節型。前者可具有13個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有56個自由度，

33、分DC伺服和AC伺服兩種形式，能在可到達的工作區間內任意調整焊鉗姿態，以適應多種形式結構的焊接。點焊機器人控制系統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換以外，還通過改變主電路晶閘管的導通角而實現焊接電流控制。(2) 點焊機器人焊接系統焊接系統主要由焊接控制器、焊鉗(含阻焊變壓器)及水、電、氣等輔助部分組成，系統原理，如圖14所示。1) 點焊機器人焊鉗點焊機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構關

34、系上可將焊鉗分為分離式、內藏式和一體式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，鉗體安裝在機器人手臂上，而焊接變壓器懸掛在機器人的上方，可在軌道上沿著機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。其優點是減小了機器人的負載，運動速度高，價格便宜。機處人本體鉗控制圖14焊接系統原理圖圖13典型點焊機器人焊接系統和主機簡圖a）點焊機器人焊接系統b）典型點焊機器人主機簡圖圖16內藏式焊鉗點焊機器人圖15分離式焊鉗點焊機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力作用于機器人的手臂上

35、，限制了點焊工作區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，一般將兩條導線做在一起，中間用絕緣層分開，每條導線還要做成空心的，以便通水冷卻。此外，電纜還要有一定的柔性。b.內藏式焊鉗這種結構是將阻焊變壓器安放到機器人手臂內，使其盡可能地接近鉗體，變壓器的二次電纜可以在內部移動，如圖40-16所示。當采用這種形式的焊鉗時，必須同機器人本體統一設計，如Cartesian機器人就采用這種結構形式。另外，極坐標或球面坐標的點焊機器人也可以采取這種結構。其優點是二次電纜較短，變壓器的容量可以減小，但是使機器人本體的設計變得復雜。c.一體式焊鉗所謂一體式就是

36、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4017所示。其主要優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臂上，另一個優點是節省能量。例如，輸出電流12000A,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，要求機器人本體的承載能力大于60kg。此外,焊鉗重量在機器人活動手腕上產生慣性力易于引起過載，這就要求在設計時，盡量減小焊鉗重心與機器人手臂軸心線間的距離。阻焊變壓器的設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

37、般的小，二次線圈還要通水冷卻。目前，采用真空環氧澆鑄工藝，已制造出了小型集成阻焊變壓器。例如30kVA的變壓器，體積為325x135125mm3,重量只有18kg。d.逆變式焊鉗這是電阻焊機發展的一個新方向。目前，國外已經將裝有逆變式焊鉗的點焊機器人用于汽車裝焊生產線上，我國對此正在進行研究。20CkVA40A圖17一體式焊鉗點焊機器人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，它可以根據預定的焊接監控程序，完成點焊時的焊接參數輸入，點焊程序控制。焊接電流控制及焊接系統故障自診斷，并實現與本體計算機及手控示教盒的通信聯系。常用的點焊控制器主要有3種結構形

38、式。a.中央結構型它將焊接控制部分作為一個模塊與機器人大體控制部分共同安排在一個控制柜內，由主計算機統一管理并為焊接模塊提供數據，焊接過程控制由焊接模塊完成。這種結構的優點是設備集成度高，便于統一管理。b.分散結構型分散結構型是焊接控制器與機器人本體控制柜分開，二者采用應答式通信聯系，主計算機給出焊接信號后，其焊接過程由焊接控制器自行控制，焊接結束后給主機發出結束信號，以便主機控制機器人移位，其焊接循環如圖18所示。這種結構的優點是調試靈活，焊接系統可單獨伸用，佃需要一定距離的通信，集成度不如中央結構型高。圖18點焊機器人焊接循環Ti-焊接控制器控制T2-機器人主控計算機控制T-焊接周期F-電

39、級壓力I-焊接電流焊接控制器與本體及示教蛻簡的聯系信號主要有焊鉗大小行程、焊接電流增/減號，焊接時間增減、焊接開始及結束，焊接系統故障等。c.群控系統群控就是將多臺點焊機器人焊機(或普通焊機)與群控計算機相連，以便對同時通電的數臺焊機進行控制，實現部分焊機的焊接電流分時交錯，限制電網瞬時負載，穩定電網電壓保證焊點質量。群控系統的出現可以使車間供電變壓器容量大大下降。此外，當某臺機器人(或點焊機)出現故障時，群控系統啟動備用的點焊機器人或對剩余的機器人重新分配工作，以保證焊接生產的正常進行。為了適應群控的需要，點焊機器人焊接系統都應增加“焊接請求”及“焊接允許”信號，并與群控計算機相連。3) )

40、新型點焊機器人系統最近，點焊機器人與CAD系統的通信功能變得重要起來，這種CAD系統主要用來離線示教。圖40-19為含CAD及焊接數據庫系統的新型點焊機器人系統基本構成。4) )點焊機器人對焊接系統的要求1) 應采用具有浮動加壓裝置的專用焊鉗，也可對普通焊鉗進行改裝。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設計在固定法蘭盤的軸心線上。3) 焊接控制系統應能對阻焊變壓器過熱、晶閘管過熱飛晶閘管短路斷路、氣網失壓、電網電壓超限、粘電極等故障進行自診斷及自保護，除通知本體停機外，還應顯示故障種類。4)分散結構型控制系統應具有通信聯系接

41、口。能識別機器人本體及手控盒的各種信號，并做出相應的反應。3.3點焊機器人的選擇在選用或引進點焊機器人時，必須注意以下幾點：1) 必須使點焊機器人實際可達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量確定。2) 點焊速度與生產線速度必須匹配。首先由生產線速度及待焊點數確定單點工作時間，而機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，即點焊速度應大于或等于生產線的生產速度。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，水平及水平傾斜的焊縫選用K形焊鉗。4) 應選內存容量大，示教功能全，控制精度高的點焊機器人。5) 需采用多

42、臺機器人時，應研究是否采用多種型號，并與多點焊機及簡易直角坐標機器人并用等問題。當機器人間隔較小時，應注意動作順序的安排，可通過機器人群控或相互間聯鎖作用避免干涉。根據上面的條件，再從經濟效益、社會效益方面進行論證方可以決定是否采用機器人及所需的臺數、種類等。4弧焊機器人4.1弧焊機器人概述1） 弧焊機器人的應用范圍弧焊機器人的應用范圍很廣，除汽車行業之外，在通用機械、金屬結構等許多行業中都有應用；這是因為弧焊工藝早已在諸多行業中得到普及的緣故?；『笝C器人應是包括各種焊接附屬裝置在內的焊接系統，而不只是一一臺以規劃的速度和姿態攜帶焊槍移動的單機。圖20為焊接系統的基本組成，圖21為適合機器人應

43、用的弧焊方法。2） 弧焊機器人的作業性能在弧焊作業中，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定性和軌跡精度是兩項重要的指標。一般情況下，焊接速度約取550mm/s、軌跡精度約為i0.20.5mm。由于焊槍的姿態對焊縫質量也有一定影響，因此希望在跟蹤焊道的同時，焊槍姿態的可調范圍盡量大。作業時，為了得到優質焊縫，往往需要在動作的示教以及焊接條件(電流、電壓、速度)的設定上花費大量的勞力和時間，所以除了上述性能方面的要求外，如何使機器人便于操作也是一個重要課題。3） 弧焊機器人的分類從機構形式劃分，既有直角坐標型的弧焊機器人，也有關節型的弧焊機器人。對于小型、

44、簡單的焊接作業，機器人有4、5軸即可以勝任了，對于復雜工件的焊接，采用6軸機器人對調整焊槍的姿態比較方便。對于特大型工件焊接作業，為加大工作空間，有時把關節型機器人懸掛起來，或者安裝在運載小車上使用，4） 規格舉一個典型的弧焊機器人加以說明。圖22和表3分別是主機的簡圖和規格。自動（半自動）電弧焊L非熔化電極式館化電極式一非氣體保護式裸絲非氣體保護焊T鐺極悟性W隨護焊T與離子弧焊接圖21為適合機器人應用的弧焊方法表40-3典型弧焊機器人的規格持重5kg,承受焊槍所必須的負荷能力重復位置糟度±0.1mm高精度可控軸數6軸同時控制，便于焊槍姿態調整動作方式各軸單獨插補、直線插補、圓弧才t

45、補、焊槍端部等速控制（直線、圓弧插補）速度控制進給61500m,:,焊接速度150mm/s,調速范圍廣（從極低速到高速均可調）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、粘絲保護功能，焊接抖動功能（軟件）存儲功能IC存儲器，128kW、輔助功能定時功能、外部輸入輸出接口。應用功能程序編輯、外部條件判斷、異常檢查、傳感器接口4.2弧焊機器人系統的構成弧焊機器人可以被應用在所有電弧焊、切割技術范圍及類似的工藝方法中。最常用的應用范圍是結構鋼和CTNi鋼的熔化極活性氣體保護焊（C02氣體保護焊、MAG焊），鋁及特殊合金熔化極惰性氣體保護焊（MIG）,CrNi鋼和鋁的加冷絲和不加冷

46、絲的鴇極惰性氣體保護焊（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了在激光切割上的應用。圖20是一套完整的弧焊機器人系統，它包括機器人機械手、控制系統、焊接裝置、焊件夾持裝置。夾持裝置上有兩組可以輪番進入機器人工作范圍的旋轉工作臺。（1）弧焊機器人基本結構弧焊用的工業機器人通常有5個自由度以上，具有6個自由度的機器人可以保證焊槍的任意空間軌跡和姿態。圖22為典型的弧焊機器人的主機簡圖。點至點方式移動速度可達60m/min以上，其軌跡重復精度可達到+0.2mm,它們可以通過示教和再現方式或通過編程方式工作。這種焊接機器人應具有直線的及環形內插法擺動的功能。如圖23的6種擺動方

47、式，以滿足焊接工藝要求，機器人的負荷為5kg。JT6WOrk沏口臺架機座圖22典型弧焊機器人的主機簡圖b)c)d)e)f>圖23弧焊機器人的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器人的控制系統不僅要保證機器人的精確運動，而且要具有可擴充性，以控制周邊設備確保焊接工藝的實施。圖24是一臺典型的弧焊機器人控制系統的計算機硬件框圖?？刂朴嬎銠C由8086CPU做管理用中央處理機單元，8087協處理器進行運動軌跡計算，每4個電動機由1個8086CPU進行伺服控制。通過串行I/O接口與上一級管理計算機通信；采用數字量I/O和模擬量I/O控制焊接電源和周邊設備

48、。該計算機系統具有傳感器信息處理的專用CPU(8085),微計算機具有384K的ROM和64K的RAM,以及512K磁泡的內存，示教盒與總線采用DMA方式(直接存儲器訪問方式)交換信息，并有公用內存64K。(2) 弧焊機器人周邊設備弧焊機器人只是焊接機器人系統的一部分，還應有行走機構及小型和大型移動機架。通過這些機構來擴大工業機器人的工作范圍(見圖25),同時還具有各種用于接受、固定及定位工件的轉胎(見圖26)、定位裝置及夾具。在最常見的結構中，工業機器人固定于基座上(見圖20),工件轉胎則安裝于其工作范圍內。為了更經濟地使+0.2mm。以往用工業機器人，至少應有兩個工位輪番進行焊接。所有這些

49、周邊設備其技術指標均應適應弧焊機器人的要求。即確保工件上的焊縫的到位精度達到的周邊設備都達不到機器人的要求。為了適應弧焊機器人的發展，新型的周邊設備由專門的工廠進行生產。CPU8086(8087)344KROM用存公內DMA512K磁酒14XRT乂CPUSOWLj桐瞿已rb匚二口控制社g.一一一.rH.午1新ii斤十,CPIIROfiA2_I串行J/O232C=干RS-9理計算機總線232C計算機變換1顯示密CPU8086RS-"5F3CPU8O86示鼓盒情感器處理CPU8O85數字I/O模擬I/OI示教盒圖24弧焊機器人控制系統計算機硬件框圖鑒于工業機器人本身及轉胎的基本構件已經實

50、現標準化，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計。這種工具既有簡單的，用手動夾緊杠桿操作的設備；也有極復雜的全自動液壓或氣動夾緊系統。必須特別注意工件上焊縫的可接近性。根據轉胎及工具的復雜性，機器人控制與外圍設備之間的信號交換是相當不同的，這一信號交換對于工作的安全性有很大意義。(3) 焊接設備用于工業機器人的焊接電源及送絲設備，由于參數選擇，必須由機器人控制器直接控制。為此，一般至少通過2個給定電壓達到上述目的。對于復雜過程，例如脈沖電弧焊或填絲鴇極惰性氣體保護焊時，可能需要25個給定電壓，電源在其功率和接通持續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

51、，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于工業機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節，在結構鋼、Cr-Ni鋼及鋁焊接時都能保證實現接近無飛濺的焊接。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。有很多焊接設備制造廠為工業機器人設計了專用焊接電源，采用微處理機控制，滲以便與工業機器人控制系統交換信號。送絲系統必須保證恒定送絲，送絲系統應設計成具有足夠的功率，并能調節送絲速度。為了機器人的自由移動，必須采用軟管，但軟管應盡量短。在工業機器人電弧焊時，由于焊接持續時間長，經常采用水冷式焊槍，焊槍與機器人末端的連

52、接處應便于更換，并需有柔性的環節或制動保護環節，防止示教和焊接時與工件或周圍物件碰撞影響機器人的壽命。圖27為焊槍與機器人連接的一個例子。在裝卡焊槍時，應注意焊槍伸出的焊絲端部的位置應符合機器人使用說明書中所規定的位置，否則示教再現后焊槍的位置和姿態將產生偏差。機器人臺車圖25機器人倒置在移動門架上圖26各種機器人專用補胎圖27焊槍的固定(4) 控制系統與外圍設備的連接工業控制系統不僅要控制機器人機械手的運動，還需控制外圍設備的動作、開啟、切斷以及安全防護，圖40-28是典型的控制框圖。控制系統與所有設備的通信信號有數字量信號和模擬量信號?？刂乒衽c外圍設備用模擬信號聯系的有焊接電源、送絲機構、

53、以及操作機(包括夾具、變位器等)。這些設備需通過控制系統預置參數，通常是通過D/A數模轉換器給定基準電壓，控制器與焊接電源和送絲機構電源一般都需有電量隔離環響，控制系統對操作機電動機的伺服控制與對機器人伺服控制電動機的要求相仿，通常采用雙伺服環。確保工件焊縫到位精度與機器人到位精度相等。操作者控制臺->示敷盒操作器圖28是典型的控制框圖數字量信號負擔各設備的啟動、停止、安全以及狀態檢測。3弧焊機器人的操作與安全(1) 弧焊機器人的操作工業機器人普遍采用示教方式工作，即通過示教盒的操作鍵引導到起始點，然后用按鍵確定位置，運動方式(直線或圓弧插補)、擺動方式、焊槍姿態以及各種焊接參數。同時還

54、可通過示教盒確定周邊設備的運動速度等。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，機器人控制系統進入程序編輯狀態，焊接程序生成后即可進行實際焊接。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的速度到達起始點；2)SEASA=H1,L1=0,根據H1給出起始點L2=0,F=100:3)ARCONF=35,V=30;在給定條件下開始焊接I280,TF=0.5,SENSTON=H并跟蹤焊縫；4)SENSTON=HI;給出焊縫結束位置；5)CORN=*CHFOIAI:執行角焊縫程序，CHFOIAI;6)F=300,

55、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:開始以數據庫*DHFL09的數據焊接；9)arcoff,vC=20,ic=180:在要求條件下結束焊接TC=1.5,F=200:10)F=1000;以v=1000cm/min的速度運動：11)Dw=1,OUTB=2,1s后，在#2點發出1個脈沖；12)F=100:以v=100cm/min的速度運動；13)MULTON=*M:執行多層焊接程序2M;14)MULTOFF,F=200:結束多層焊接。(2) 弧焊機器人的安全安全設備對于工業

56、機器人工位是必不可少的。工業機器人應在一個被隔開的空間內工作,用門或光柵保護，機器人的工作區通過電及機械方法加以限制。從安全觀點出發，危險常出現在下面幾種情況：1) 在示教時這時，示教人員為了更好地觀察，必須進到機器人及工件近旁。在此種工作方式下，限制機器人的最高移動速度和急停按鍵，會提高安全性。2) 在維護及保養時此時，維護人員必須靠近機器人及其周圍設備工作及檢測操作。3) 在突然出現故障后觀察故障時因此，機器人操作人員及維修人員必須經過特別嚴格的培訓。5機器人焊接智能化技術一般工業現場應用的弧焊機器人大都是示教再現型的，這種焊接機器人對示教條件以外的焊接過程動態變化焊件變形和隨機因素干擾等不具有適應能力。隨著焊接產品的高質量、多品種小批量等要求增加，以及應用現場的各種復雜變化，使得直接從供貨公和技術要求。這就需要對本體機器人焊接系統進行二次開發。通常包括給焊接機器人配置適當的傳感器，柔性周邊設備以及相應軟件功能，如焊縫跟蹤傳感、焊接過程傳感與實時控制、焊接變位機構以及焊接任