第1章焊接機(jī)器人概述1.1工業(yè)機(jī)器人1.2焊接機(jī)器人1.1工業(yè)機(jī)器人1.1.1工業(yè)機(jī)器人種類1.1.2機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.1.3工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用1.1.4焊接機(jī)器人系統(tǒng)1.1.1工業(yè)機(jī)器人種類（1）按機(jī)器人機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)分類，見(jiàn)表1-1。名

稱機(jī)器人結(jié)構(gòu)類型說(shuō)

明直角坐標(biāo)機(jī)器人手臂具有三個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按直角坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單直觀，需要較大的操作空間，多做成大型龍門式或框架式機(jī)器人圓柱坐標(biāo)機(jī)器人手臂至少有一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按圓柱坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單直觀，易于進(jìn)入開(kāi)口部分極坐標(biāo)機(jī)器人手臂有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較復(fù)雜，占用空間較小，操作范圍大且靈活關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有最好的操作靈活性和可達(dá)性，工作空間大，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較復(fù)雜，視覺(jué)上不直觀，結(jié)構(gòu)剛度較差SCARA機(jī)器人(圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人)它有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，為水平關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，柔順性好，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高速度運(yùn)動(dòng)SCARA機(jī)器人SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，中文譯名：選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂）是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人。SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，(包括沿X,Y,Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度1.1.1工業(yè)機(jī)器人種類（2）按機(jī)器人的控制方式分類，分為非伺服機(jī)器人和伺服控制機(jī)器人。（3）按機(jī)器人的智能程度分類，分為一般機(jī)器人（不具有智能，只具有一般編程能力操作功能）和智能機(jī)器人（具有不同程度的智能）。（4）按用途分為弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人兩種。（5）按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。（6）按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。1.1.2機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.機(jī)械主體通常由機(jī)器人基座、關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器等部分組成。1.1.2機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成2．感測(cè)器（傳感器系統(tǒng)）內(nèi)部傳感器用來(lái)檢測(cè)自身狀態(tài)信息，主要是位置、速度、加速度等傳感器，并且作為反饋信號(hào)構(gòu)成伺服控制。外部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)對(duì)象和作業(yè)環(huán)境信息的傳感器。3．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人常采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置有電力驅(qū)動(dòng)裝置、液壓驅(qū)動(dòng)裝置和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。1.1.2機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成4．控制器通過(guò)輸入設(shè)備接收人或其他控制系統(tǒng)的命令，經(jīng)過(guò)運(yùn)算來(lái)控制和協(xié)調(diào)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位置、速度，指揮機(jī)器人的機(jī)座、關(guān)節(jié)及手爪執(zhí)行作業(yè)

圖1-3機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制原理圖1-4機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成框圖1．1．3工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一、機(jī)器人焊接工作站a)車橋機(jī)器人焊接工作站b)開(kāi)關(guān)柜殼體焊接工作站c)懸掛式機(jī)器人焊接工作站d)工程機(jī)械行業(yè)焊接工作站1．1．3工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用二、轉(zhuǎn)軸自動(dòng)焊接工作站

1．簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)軸自動(dòng)焊接工作站用于以轉(zhuǎn)軸為基體（上置若干懸臂）的各類工件的焊接，它由焊接機(jī)器人、回轉(zhuǎn)雙工位變位機(jī)（若干個(gè)工位）及工裝夾具組成，在同一工作站內(nèi)通過(guò)使用不同的夾具可實(shí)現(xiàn)多品種的轉(zhuǎn)軸自動(dòng)焊接，焊接的相對(duì)位置精度很高。2．技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)軸直徑：

10～50mm，長(zhǎng)度300～900mm，焊接速度3～15mm/s，焊接工藝采用MAG混合氣體保護(hù)焊，變位機(jī)回轉(zhuǎn)，變位精度達(dá)0.05mm。3．應(yīng)用領(lǐng)域可廣泛應(yīng)用于高質(zhì)量、高精度的以轉(zhuǎn)軸為基體的各類工件焊接。1.1.4焊接機(jī)器人系統(tǒng)1．焊接機(jī)器人工作站變位機(jī)與機(jī)器人可以是分別運(yùn)動(dòng)的，即變位機(jī)變位后機(jī)器人再焊接；還可以是同時(shí)運(yùn)動(dòng)的，即變位機(jī)一邊變位，機(jī)器人一邊焊接，也就是常說(shuō)的變位機(jī)與機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，這時(shí)變位機(jī)的軸已成為機(jī)器人的組成部分，這種焊接機(jī)器人系統(tǒng)可以有多達(dá)7～20個(gè)軸，或者更多。最新的機(jī)器人控制柜可以是兩臺(tái)機(jī)器人的組合，做12個(gè)軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其中一臺(tái)是焊接機(jī)器人，另一臺(tái)是用做變位機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人。1.1.4焊接機(jī)器人系統(tǒng)2．焊接機(jī)器人生產(chǎn)線焊接機(jī)器人生產(chǎn)線比較簡(jiǎn)單的是把多臺(tái)工作站（單元）用工件輸送線連接起來(lái)組成一條生產(chǎn)線。每個(gè)站只能用選定的工件夾具及焊接機(jī)器人的程序來(lái)焊接預(yù)定的工件。在更改夾具及程序之前的一段時(shí)間內(nèi)，這條線是不能用來(lái)焊其他工件的。1.1.4焊接機(jī)器人系統(tǒng)3．焊接柔性生產(chǎn)線（FMS-W）1.2焊接機(jī)器人1.2.1弧焊機(jī)器人1.2.2點(diǎn)焊機(jī)器人1.2.1弧焊機(jī)器人1．弧焊機(jī)器人的特點(diǎn)工具中心點(diǎn)（TCP），也就是焊絲端頭的運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制，還必須具備一些適合弧焊要求的功能。2．弧焊工藝對(duì)機(jī)器人的基本要求（1）弧焊機(jī)器人除在做“之”字形拐角焊或小直徑圓焊縫焊接時(shí)，其軌跡應(yīng)貼近示教的軌跡。（2）具備不同擺動(dòng)樣式的軟件功能，供編程時(shí)選用，以便做擺動(dòng)焊，而且擺動(dòng)在每一周期中的停頓點(diǎn)處，機(jī)器人也應(yīng)自動(dòng)停止向前運(yùn)動(dòng)，以滿足工藝要求。1.2.1弧焊機(jī)器人（3）還應(yīng)有接觸尋位、自動(dòng)尋找焊縫起點(diǎn)位置、電弧跟蹤及自動(dòng)再引弧等功能。（4）在弧焊作業(yè)中，焊槍?xiě)?yīng)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(guò)程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項(xiàng)重要指標(biāo)。一般情況下，焊接速度約取5～50mm/s，軌跡精度約為±（0.2～0.5）mm，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。1.2.1弧焊機(jī)器人3．弧焊機(jī)器人組成1.2.1弧焊機(jī)器人2．弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)（1）機(jī)器人用弧焊電源目前，機(jī)器人專用逆變式弧焊電源大部分獨(dú)立布置在弧焊機(jī)器人系統(tǒng)里，也有一些集成在機(jī)器人控制器中。（2）弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤傳感器傳感器類型抽象特征功能評(píng)價(jià)觸覺(jué)

接頭坐標(biāo)

軌跡移動(dòng)

離線、耗時(shí)、減少工作循環(huán)弧信號(hào)

接頭坐標(biāo)

焊縫跟蹤

在線、無(wú)附加設(shè)備、低價(jià)、不針對(duì)所有接頭和型號(hào)、搭接厚度大（2.5～3mm）電感

接頭坐標(biāo)

焊縫跟蹤

在線、要求最接近電磁界面主動(dòng)視覺(jué)接頭坐標(biāo)、方向及幾何形狀焊縫形狀

焊縫跟蹤填充金屬控制焊縫檢測(cè)

在線、所有接頭和工藝、極柔順、高熔解、可編程視野使用強(qiáng)度數(shù)據(jù)被動(dòng)規(guī)覺(jué)

熔池表面形狀焊絲情況

焊縫跟蹤、熔透控制

視工藝而定，應(yīng)用有限制1.2.1弧焊機(jī)器人3．弧焊機(jī)器人的性能要求（1）焊接規(guī)范的設(shè)定。起弧、收弧參數(shù)。（2）擺動(dòng)功能。擺動(dòng)頻率、擺幅、擺動(dòng)類型的設(shè)定。（3）焊接傳感器。起始點(diǎn)檢測(cè)、焊縫跟蹤傳感器的接口功能。（4）焊槍防碰功能。當(dāng)焊槍受到不正常的阻力時(shí)，機(jī)器人停機(jī)，避免操作者和工具受到損壞。（5）多層焊功能。應(yīng)用該功能可以在第一層焊接示教完成后，實(shí)現(xiàn)其余各層的自動(dòng)編程。1.2.1弧焊機(jī)器人（6）再引弧功能。引弧失敗后，自動(dòng)重試。因此消除了焊接異常（引弧失?。┌l(fā)生時(shí)引起的作業(yè)中斷，最大限度避免了因此而引起的全線停車。（7）焊槍校正功能。焊槍與工件發(fā)生碰撞時(shí)，可通過(guò)簡(jiǎn)單操作進(jìn)行校正。（8）粘絲自動(dòng)解除功能。焊接終了時(shí)如果檢測(cè)出焊絲粘絲，則自動(dòng)再通電解除粘絲，因此不必手工剪斷焊絲。（9）斷弧再啟動(dòng)功能。出現(xiàn)斷弧時(shí)，機(jī)器人會(huì)按照指定的搭接量返回重新引弧焊接。因此無(wú)須補(bǔ)焊作業(yè)。1.2.2點(diǎn)焊機(jī)器人隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來(lái)越大，165公斤點(diǎn)焊機(jī)器人是目前汽車焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008年9月，機(jī)器人研究所研制完成國(guó)內(nèi)首臺(tái)165公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和性能提升的第二臺(tái)機(jī)器人完成并順利通過(guò)驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類機(jī)器人水平。1.2.2點(diǎn)焊機(jī)器人1．點(diǎn)焊機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)點(diǎn)焊機(jī)器人應(yīng)能滿足點(diǎn)焊工藝如下兩個(gè)主要要求：（1）焊鉗要到達(dá)每個(gè)焊點(diǎn)；（2）焊點(diǎn)的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到技術(shù)要求。目前，點(diǎn)焊機(jī)器人焊鉗與點(diǎn)焊變壓器的結(jié)合有分離式、內(nèi)藏式和一體式三種，因而就有這三種形式的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)類型分離式點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)藏式點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)一體式點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)系

統(tǒng)

圖

示機(jī)器人載重要求〔腕〕中小大點(diǎn)焊電源功耗大大小機(jī)器人通用性好差中系統(tǒng)造價(jià)高中低對(duì)20余種點(diǎn)焊機(jī)器人統(tǒng)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式大量為關(guān)節(jié)型，少量是直角坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和組合式，近年發(fā)展形式軸數(shù)大量為6軸，其余1～10軸不等，6軸以上為附加軸重復(fù)性人多為±0.5mm,范圍為±(0.1～1)mm負(fù)載大多為588～980N(60～100kgf)，范圍為49～24500N（5～2500kgf）速度2m/s左右驅(qū)動(dòng)方式絕大多數(shù)為AC伺服，少量為DC伺服，極少量為電液伺服1.2.2點(diǎn)焊機(jī)器人2．點(diǎn)焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)（1）中央結(jié)構(gòu)型:將焊接控制部分作為一個(gè)模塊與機(jī)器人本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供數(shù)據(jù)，焊接過(guò)程控制由焊接模塊完成。（2）分散結(jié)構(gòu)型:焊接控制器與機(jī)器人木體控制柜分開(kāi)，二者采用應(yīng)答式通訊聯(lián)系，主計(jì)算機(jī)給出焊接信號(hào)后，其焊接過(guò)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，進(jìn)入下一個(gè)焊接循環(huán)。（3）群控系統(tǒng)1.2.2點(diǎn)焊機(jī)器人3．點(diǎn)焊機(jī)器人的選擇要點(diǎn)（1）安裝面積小，工作空間大。點(diǎn)焊機(jī)器人實(shí)際可達(dá)到的工作空間應(yīng)大于焊接所需的工作空間，該工作空間由焊點(diǎn)位置及其數(shù)量確定。（2）點(diǎn)焊速度應(yīng)與生產(chǎn)線速度匹配，點(diǎn)焊速度應(yīng)大于或等于生產(chǎn)線速度。（3）按工件形狀，焊縫位置等選用焊鉗，垂直及近于垂直的焊縫宜選C型焊鉗；水平及水平傾斜的焊縫選用X型焊鉗。（4）應(yīng)選用內(nèi)存容量大、示教功能全、控制精度高的點(diǎn)焊機(jī)器人。1.3主流焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)使用的主流焊接機(jī)器人中，國(guó)外品牌有松下Panasonic（日本）、ABB（瑞士）、摩托曼MOTOMAN（日本）、發(fā)那科FANUC（日本）、igm（奧地利）、庫(kù)卡KUKA（德國(guó)）等；國(guó)產(chǎn)品牌有華恒（昆山）、開(kāi)元松下（唐山）、新松（沈陽(yáng)）、杰瑞（上海）等。下面只對(duì)松下和ABB兩種焊接機(jī)器人簡(jiǎn)要介紹。1.3.1松下焊機(jī)器人

1.3.2ABB焊接機(jī)器人1.3.1松下焊機(jī)器人唐山松下成立于1994年，由日本Panasonic和唐山開(kāi)元電器共同投資興建，現(xiàn)在是國(guó)內(nèi)最大的電焊機(jī)企業(yè)。唐山松下引進(jìn)PWS生產(chǎn)的機(jī)器人，配以唐山松下生產(chǎn)的焊接電源，向國(guó)內(nèi)用戶提供以弧焊機(jī)器人為主的機(jī)器人設(shè)備，特別在汽車座椅骨架、排氣系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)以及工程機(jī)械行業(yè)擁有眾多業(yè)績(jī)。Panasonic工業(yè)機(jī)器人的基本類型為TA系列。1.3.2ABB焊接機(jī)器人ABB集團(tuán)集團(tuán)總部位于瑞士蘇黎世。由兩個(gè)歷史100多年的國(guó)際性企業(yè)瑞典的阿西亞公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBCBrownBoveri)在1988年合并而成。IRC5為ABB第五代機(jī)器人控制系統(tǒng)，所屬機(jī)器人大部分用于焊接、噴涂及搬運(yùn)用。1.IRC5系統(tǒng)1.3.2ABB焊接機(jī)器人2.示教器A-D：預(yù)設(shè)按鍵；F：切換移動(dòng)模式；