第7章机器人的应用

第7章机器人的应用7.1机器人应用概述7.2机器人典型应用7.3机器人应用的发展趋势7.1机器人应用概述2005年美洲地区各主要行业业对工业机器人需求比例分分布图2005年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例分布图工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。2001～2005年欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有工业对机器人需求比例变化图2004～2005年欧洲地区各主要行业对工业机器人需求情况变化图7.2机器人典型应用7.2.1焊接机器人焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）对工业机器人及焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。应用焊接机器人将有以下优点:1）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。2）改善了工人的劳动条件。3）提高劳动生产率。4）产品周期明确，容易控制产品产量。5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。焊接机器人系统硬件主要有以下部分组成，如图所示1）焊接机器人本体。2）焊接工装夹具。3）夹具平台。4）控制系统。焊接机器人可以按用途、结构、控制方式等不同的方法来分类，我们一般按照用途把焊接机器人分为电焊机器人及弧焊机器人两类。1.点焊机器人（1）概述点焊机器人的典型应用领域是汽车工业。一般装配每台汽车车体大约需要完成3000—4000个焊点，而其中的60%是由机器人完成的。最初，点焊机器人只用于增强焊点作业(往已拼接好的工件上增加焊点)。后来，为了保证拼接精度，电焊机器人又要完成定位焊作业，这样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体要求为：1）安装面积小，工作空间大2）快速完成小节距的多点定位(例如每0.3～0.4s移动30～50mm节距后定位)。3）定位精度高(±0.25mm)，以确保焊接质量。4）持重大(50～1000Kg)，以便携带内装变压器的焊钳5）示教简单，节省工时；安全可靠性好。分类特征用途垂直多关节型（落地式）工作空间/安装面积之比大，持重多数为1000N左右，有时还可以附加整机移动自由度主要用语增强焊点作业垂直多关节型（悬挂式）工作空间均在机器人的下方车体的拼接作业直角坐标型多数为3、4、5轴，适合于连续直线焊缝，价格便宜定位焊接用机器人（单向加压）能承受500KG加压反力的高刚度机器人。有些机器人本身带加压作业功能车身底板的定位焊点焊机器人的分类、特点和用途结构全关节型自由度6轴：驱动直流伺服电动杠运动范围腰转范围±135°最大速度50°/s大臂转前50°，后30°45°/s小臂转下40°，上20°40°/s腕摆±90°±80°/s腕转±90°±80°/s腕捻±170°±80°/s最大负荷65kg重复精度±1mm控制系统计算伺服控制，6轴同时控制轨迹控制系统PTP及CP运动控制直线插补示教系统示教再现内存容量1280步环境要求温度0～45℃湿度20％～90％RH电源要求220V交流，50Hz三相自重1500kg点焊机器人主要技术指标（2）点焊机器人系统的基本构成点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为3大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统，点焊机器人焊接系统主要由焊接控制器、焊钳(含阻焊变压器)及水、电、气等辅助部分组成，如图所示为MOTOMAN-ES系列点焊机器人系统。点焊机器人焊钳从用途上可分为C形和X形两种。如图7.7所示。其中C形焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊缝；X形焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊缝。从阻焊变压器与焊钳的结构关系上还可将焊钳分为分离式、内藏式和一体式3种形式。X型点焊钳C型点焊钳2.弧焊机器人（1）弧焊机器人概述1）弧焊机器人的应用范围：弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用；这是因为弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及的缘故。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。图为适合机器人应用的弧焊方法。2）弧焊机器人的作业性能：在弧焊作业中，要求焊枪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的指标。3）弧焊机器人的分类：从机构形式划分，既有直角坐标型的弧焊机器人，也有关节型的弧焊机器人。小型、简单的焊接作业，机器人有4、5轴即可以胜任了，对于复杂工件的焊接，采用6轴机器人对调整焊枪的姿态比较方便。对于特大型工件焊接作业，为加大工作空间，有时把关节型机器人悬挂起来，或者安装在运载小车上使用。4）弧焊机器人规格：下表和下图分别是典型的弧焊机器人主机的简图和规格。持重5kg，承受焊枪所必须的负荷能力重复位置糟度±0．1mm，高精度可控轴数6轴同时控制，便于焊枪姿态调整动作方式各轴单独插补、直线插补、圆弧插补、焊枪端部等速控制(直线、圆弧插补)速度控制进给6～1500m，焊接速度1～50mm/s，调速范围广(从极低速到高速均可调)焊接功能焊接电流、电压的选定，允许在焊接中途改变焊接条件，断弧、粘丝保护功能，焊接抖动功能(软件)存储功能IC存储器，128kW辅助功能定时功能、外部输入输出接口。应用功能程序编辑、外部条件判断、异常检查、传感器接口典型弧焊机器人主机简图（2）弧焊机器人系统组成上图就是一套完整的弧焊机器人系统，它包括机器人机械手、控制系统、焊接装置、焊件夹持装置等。1）弧焊机器人基本结构：弧焊用的工业机器人通常有5个自由度以上，具有6个自由度的机器人可以保证焊枪的任意空间轨迹和姿态。图7.9为典型的弧焊机器人的主机简图。点至点方式移动速度可达60m/min以上，其轨迹重复精度可达到+0.2mm，它们可以通过示教和再现方式或通过编程方式工作。这种焊接机器人应具有直线的及环形内插法摆动的功能。如图所示为它的6种摆动方式，以满足焊接工艺要求，机器人的负荷为5kg。其中图a为直线单摆；图b为L型；图c为三角形；图d为U型；图e为台型；图f为高速圆弧摆动。弧焊机器人的控制系统不仅要保证机器人的精确运动，而且要具有可扩充性，以控制周边设备确保焊接工艺的实施。下图是一台典型的弧焊机器人控制系统的计算机硬件框图。控制计算机由8086CPU做管理用中央处理机单元，8087协处理器进行运动轨迹计算，每4个电动机由1个8086CPU进行伺服控制。通过串行I/O接口与上一级管理计算机通信；采用数字量I/O和模拟量I/O控制焊接电源和周边设备。该计算机系统具有传感器信息处理的专用CPU(8085)，微计算机具有384K的ROM和64K的RAM，以及512K磁泡的内存，示教盒与总线采用DMA方式(直接存储器访问方式)交换信息，并有公用内存64K。2）弧焊机器人周边设备：弧焊机器人只是焊接机器人系统的一部分，还应有行走机构及小型和大型移动机架。通过这些机构来扩大工业机器人的工作范围，同时还具有各种用于接受、固定及定位工件的变位机、定位装置及夹具。在最常见的结构中，工业机器人固定于基座上，变位机则安装于其工作范围内。为了更经济地使用工业机器人，至少应有两个工位轮番进行焊接。所有这些周边设备其技术指标均应适应弧焊机器人的要求。即确保工件上的焊缝的到位精度达到+0.2mm，以往的周边设备都达不到机器人的要求。为了适应弧焊机器人的发展，新型的周边设备由专门的工厂进行生产。机器人倒置在移动门架上机器人专用变位机3）焊接设备：主要指用于工业机器人的焊接电源及送丝设备。由于参数选择必须由机器人控制器直接控制。为此一般至少通过2个给定电压达到上述目的。4）控制系统与外围设备的连接：工业控制系统不仅要控制机器人机械手的运动，还需控制外围设备的动作、开启、切断以及安全防护，下图是典型的控制系统与外围设备连接框图。3.焊接机器人工作站及生产线（1）焊接机器人工作站（单元）（2）焊接机器人生产线焊接机器人生产线比较简单的是把多台工作站（单元）用工件输送线连接起来组成一条生产线。这种生产线仍然保持单站的特点，即每个站只能用选定的工件夹具及焊接机器人的程序来焊接预定的工件，在更改夹具及程序之前的一段时间内，这条线是不能焊其他工件的。另一种是焊接柔性生产线（FMS-W）。柔性线也是由多个站组成，不同的是被焊工件都装卡在统一形式的托盘上，而托盘可以与线上任何一个站的变位机相配合并被自动卡紧。焊接机器人系统首先对托盘的编号或工件进行识别，自动调出焊接这种工件的程序进行焊接。这样每一个站无需作任何调整就可以焊接不同的工件。首钢莫托曼设计制造的国内第一条重型车桥焊装生产线4.焊接机器人技术的发展现状因为机器人技术是一门综合性的技术，它综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。从国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多机器人协调控制技术、离线编程与路径规划技术、专用弧焊电源技术、机器人用焊接工艺方法、焊接机器人系统仿真技术等几个方面。（1）焊缝跟踪技术焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接条件的变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。（2）多机器人协调控制技术多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成一体的系统。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。（3）离线编程与路径规划技术机器人离线编程系统是机器人编程语言的扩展，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。（4）专用弧焊电源在焊接机器人系统中，电气性能良好的专用弧焊电源直接影响焊接机器人的使用性能。目前，弧焊机器人一般采用熔化极气体保护焊(MIG焊、MAG焊、C02焊)或非熔化极气体保护焊(TIc、等离子弧焊)，熔化极气体保护焊接电源主要使用晶闸管电源和逆变电源。（5）机器人用焊接工艺方法国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、TIME焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至几十倍。（6）仿真技术将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术CAD技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，这样就可以很好地解决研发机械手过程中出现的问题。5.装配机器人装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手，即PUMA机器人，和平面双关节型机器人，即SCARA机器人两种类型。FANUC装配机器人（1）PUMA机器人PUMA机器人是美国Unimation公司1977年研制的PUMA是一种计算机控制的多关节装配机器人。一般有5或6个