焊接機器人的控制原理及應用

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焊接機器人的控制原理及應用 焊接機器人是一種高度自動化的焊接設備，是焊接自動化的革命性進步，它突破了焊接剛性自動化傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動化新方式。在大三上學期的認識實習過程中，已經(jīng)在長力機械廠有所接觸。焊接機器人采用機器人代替手工焊接作業(yè)是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。機器人焊接作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標志己被國內(nèi)許多工廠所接受，并且越來越多的企業(yè)首選焊接機器人作為技術(shù)改造的方案。 一、我國焊接機器人技術(shù)的發(fā)展歷史 焊接機器人技術(shù)的發(fā)展我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于20世紀70年代，早期是大學和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應用。鑒于當時的國內(nèi)外形勢，國家“七五”攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人的開發(fā)列入了計劃，對工業(yè)機器人進行了攻關(guān)，特別是把應用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準了實用化的方向。 與此同時于1986年將發(fā)展機器人列入國家"863"高科技計劃。在國家"863"計劃實施五周年之際，鄧小平同志提出了"發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化"的目標。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動下，以及對機器人技術(shù)研究的技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時對主攻方向進行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機器人及應用工程作為研究開發(fā)重點之一，提出了以應用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家"八五"和"九五"中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 二、焊接機器人的組成 常規(guī)的弧焊機器人系統(tǒng)由以下5部分組成。 1、 機器人本體，一般是伺服電機驅(qū)動的 6 軸關(guān)節(jié)式操作機，它由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務是精確地保證機械手末端（悍槍）所要求的位置、姿態(tài)和運動軌跡。 2、 機器人控制柜，它是機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，包括計算機硬件、軟件和一些專用電路，負責處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。 3、 焊接電源系統(tǒng)，包括焊接電源、專用焊槍等。 4、 焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護設施。 5、 焊接工裝夾具。 三、焊接機器人工作站的工作原理　　 焊接機器人工作站正常運行的中樞是其控制柜中的計算機系統(tǒng)。焊接機器人工作站通過計算機系統(tǒng)對焊接環(huán)境、焊縫跟蹤及焊接動態(tài)過程進行智能傳感，根據(jù)傳感信息對各種復雜的空間曲線焊縫進行實時跟蹤控制，從而控制焊槍能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)劃軌跡運行，并對焊接動態(tài)過程進行實時智能控制。由于焊接工藝、焊接環(huán)境的復雜性和多樣性，焊接機器人工作站在實施焊接前，應配備其焊接路徑和焊接參數(shù)的計算機軟件系統(tǒng)。該軟件要對焊縫空間的連續(xù)軌跡、焊接運動的無碰路徑及焊槍姿態(tài)進行規(guī)劃設計，并根據(jù)焊接工藝來優(yōu)化焊接參數(shù)。 四、焊接機器人使用過程中的安全要求 焊接機器人能夠代替人類在危險、有害的惡劣環(huán)境中作業(yè)，同時又帶來了另一種潛在的危險，即機器人傷人事故。為此，在焊接機器人在線運行時，絕對不能有人進入其運動安全范圍所在區(qū)域，并且其運動區(qū)域內(nèi)應該保證無干涉，這是焊接機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意焊接機器人的特殊性，采取相應可靠的對策。例如現(xiàn)在我們正在使用的安全措施： 1、 為焊接機器人及其周邊設備安裝安全防護欄，以防止有人進入危險區(qū)域造成意外傷害； 2、 在安全護欄入口的安全門上設置插拔式電接點開關(guān)，該開關(guān)與焊接機器人的安全回電路相連接，一旦安全門打開，機器人控制器將切斷機器人的驅(qū)動電源，機器人立即停止運動； 3、 在距焊接機器人所在工位最近的地方，安裝多個緊急停止開關(guān)，一旦發(fā)生緊急或危險情況，工作人員可以就近按下急停，讓機器人停止運動； 4、 示教作業(yè)時降低焊接機器人的運動速度，并由經(jīng)過專業(yè)技術(shù)操作培訓的人員進行示教； 5、 焊接機器人安全電路與生產(chǎn)線安全電路聯(lián)為一體，當生產(chǎn)線遇到緊急情況時，生產(chǎn)工人可以按下該線上任何工位的緊急停止開關(guān)，讓機器人停止運動； 五、焊接機器人的應用 我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早的用戶，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業(yè)中，點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，而其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主。20世紀90年代以來，先進技術(shù)、生產(chǎn)設備及工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平訊速提高到規(guī)?；a(chǎn)，國外焊接機器人大量進入中國。我國的焊接裝備水平、前后道工序設備的制造水平及系統(tǒng)集成能力與國外仍然存在很大差距，這直接制約了機器人在國內(nèi)其它行業(yè)的發(fā)展。 六、焊接機器人的應用技術(shù)分析 1.機器人與焊接設備共同發(fā)展 焊接機器人應用技術(shù)是機器人技術(shù)、焊接技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的融合，焊接機器人能否在實際生產(chǎn)中得到應用，發(fā)揮其優(yōu)越性，取決于這幾方面技術(shù)的共同提高，而系統(tǒng)工程技術(shù)是機器人技術(shù)和焊接技術(shù)的粘合劑。以安川電機的MOTOMAN機器人為例，過去幾代機器人的發(fā)展都是圍繞焊接設備完成多項焊接專用功能的開發(fā)，如焊接參數(shù)的漸變調(diào)節(jié)功能、TIG焊接時利用擺焊同步技術(shù)進行的斷續(xù)填絲焊接功能、弧焊傳感器（電弧跟蹤）功能及焊接實時監(jiān)控功能等，都是焊接工藝的需求促使下的開發(fā)。 同樣地，焊接設備制造商為了實現(xiàn)機器人自動化焊接，在焊接電源的設計上也做了許多改進，如、機器人可檢出焊縫位置使用的高電壓，焊接電源做到了內(nèi)置；與機器人的通信接口方面，現(xiàn)在許多焊機制造商都采用了方便快捷的通信接口。 2. 焊接機器人提高精度 企業(yè)在生產(chǎn)中應用機器人意味著追求高效率、高焊接質(zhì)量，因此各機器人廠家都在焊接速度上尋求突破，而機器人在軌跡控制上的高精度是高速焊接的可靠保證。 MOTOMAN機器人在新一代控制器NX100中，應用ARM（Advanced Robot Motion）控制技術(shù)將各軸的慣性矩、重力矩、機器人安裝位置等因素納入運動控制計算，大大提高了運動軌跡的精度。如，在焊接工作站中，我們會遇到各種機器人安裝形式（如圖1a），在每種安裝方式中，機器人各軸所受的重力矩各不相同，我們只要在ARM控制中正確地設置機器人對地面的角度，就會克服各種安裝方式對軌跡精度造成的不利影響。 3.雙機協(xié)調(diào)焊接功能 有時我們會遇到長形工件，焊縫分布在工件的兩端，若采用1臺機器人進行焊接，會出現(xiàn)因兩端不同時焊接而造成焊接變形不一致，從而使工件在長度方向上扭轉(zhuǎn)變形，焊接后的工件難以符合尺寸要求。針對這種類型的工件，我們常采用2臺機器人同時協(xié)調(diào)焊接的方式，這就促生了兩臺機器人雙機協(xié)調(diào)焊接技術(shù)。在汽車后橋和消聲器的焊接中，經(jīng)常會使用到該項技術(shù)。 此外，焊接機器人的實用功能還有很多，并已經(jīng)過實踐的檢驗，為提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量帶來了明顯的效果。同時，每個機器人廠家對各種功能的開發(fā)也各有特點，可以說，在這個舞臺上，各種各樣的先進技術(shù)始終在不斷涌現(xiàn)，異彩紛呈。 七、焊接機器人的發(fā)展展望 在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊機機器人設備；另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過應用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位。