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第二章焊接机器人焊接机器人最早只在点焊中得到应用，80年初，随着计算机技术、传感器技术的发展，弧焊机器人逐渐得到普及，特别是近十几年来由于世界范围内经济的高速发展，市场的激烈竞争使那些用于中、大批量生产的焊接自动化专机已不能适应小规模、多品种的生产模式逐渐被具有柔性的焊接机器人代替，焊接机器人得到了巨大的发展，焊接已成为工业机器人应用最大的领域之一，焊接机器人在汽车、摩托车、工程机械等领域都得到了广泛的应用。目前世界拥有的80余万台工业机器人中，用于焊接的机器人可达40%以上。2．1适用于机器人的焊接方法熔化极：CO2气体保护焊熔化极活性气体保护焊（MAG）熔化极惰性气体保护焊（MIG）非熔化极：钨极惰性气体保护焊等离子弧焊接与切割激光焊接与切割钎焊火焰切割点焊在上面的焊接方法中，90%以上的机器人用于熔化极气体保护焊和点焊，进年来随着激光焊接与切割设备价格的降低，机器人在激光焊接与切割领域的应用数量在逐年增加。2.1机器人焊接的特点2.1.1优点A.自动焊接(1)焊枪不会振动，焊接速度不会改变，能得到均匀、漂亮的焊缝。(2)操作人员能远离噪音或高温区进行行业。(3)由于焊接条件是恒定的，所以能提高焊接质量。B.焊接条件具有重复性(1)不管什么时候，谁来作业或在什么地方都能焊接成相同的产品。(2)在机器人上编制焊接工人所掌握的焊接条件之后，即便是新手也能进行高质量的焊接。(3)能重复使用曾经用过的焊接条件，(而在半自动焊接时,由于经常要调整遥控盒上的旋钮，所以缺乏重复性)。C.降低生产成本(1)能缩短生产节拍，所以能提高产量。(2)使用临时工就能完成焊接作业，所以减少了人工费用。(3)不浪费焊接材料，能节约消耗品。D.使用机器人带来的效益(1)生产节拍明确，容易进行生产管理。(2)能实现无人运行,机器人不会发牢骚。(3)能提高企业的形象。3．2机器人焊接的特点机器人是由计算机控制的、具有高度柔性的可编程自动化装置，因此利用机器人焊接具有以下特点：（1）机器人能适应产品多样化，有柔性，在一条生产线上可以混流生产若干种类型产品。同时对于生产量的变动和型号的更改，能迅速的改进生产线的编组更替，这是专用的自动化生产线不能比拟的，能发挥投资的长期效果。（2）使用机器人焊接，可提高产品质量。为了使焊接作业机器人化，需要改变装配方法和加工工序，所以要提高诸如供给设备的零件、夹具、搬运工具等的精度，这些关系到产品的精度和焊接质量的提高，机器人化的结果，可得到稳定的高质量产品。（3）使用机器人焊接可提高生产率。机器人的作业效率，不随作业者变动，可以稳定生产计划，从而提高生产率。2．1．2机器人焊接时的主要注意事项A.必须进行示教作业(注1)在机器人进行自动焊接前，操作人员必须示教机器人焊枪的轨迹和设定焊接条件等。由于必须示教，所以机器人不面向多品种少量生产的产品焊接(注2)B.必须确保工件的精度(注3)机器人没有眼睛，只能重复相同的动作。机器人轨迹精度为0.1mm，以此精度重复相同的动作。焊接偏差大于焊丝半径时，有可能焊接不好，所以工件精度应保持在焊丝半径之内。C.焊接条件的设定取决于示教作业人员的技术水平操作人员进行示教时必须输入焊接程序，焊枪姿态和角度，电流、电压、速度等焊接条件。示教操作人员必须充分掌握焊接知识和焊接技巧。D.必须充分注意安全机器人是一种高速的运动设备，在其进行自动运行时绝对不允许人靠近机器人(必须设置安全护栏)。操作人员必须接受劳动安全方面的专门教育，否则不准操作。2．2焊接机器人的性能要求2．2．1弧焊机器人的性能要求在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件焊道运动，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道精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度可取5～50mm/s，轨道精度可取0·2～0·5mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定的影响，因此希望在根踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大，还有其它一些性能要求，如摆动功能、焊接传感器（起始点检测、焊缝跟踪）的接口功能、焊枪防碰功能等。1．焊接规范的设定。起弧、收弧参数。2．摆动功能。摆动频率、摆幅、摆动类型的设定。3．焊接传感器。起始点检测、焊缝跟踪传感器的接口功能。4．焊枪防碰功能。当焊枪受到不正常的阻力时，机器人停机，避免操作者和工具受到损坏。5．多层焊功能。应用该功能可以在第一层焊接示教完成后，实现其余各层的自动编程。6．再引弧功能。引弧失败后，自动重试。因此消除了焊接异常（引弧失败）发生时引起的作业中断，最大限度避免了因此而引起的全线停车。7．焊枪校正功能。焊枪与工件发生碰撞时，可通过简单操作进行校正。8．粘丝自动解除功能。焊接终了时如果检测出焊丝粘丝，则自动再通电解除粘丝，因此不必手工剪断焊丝。9．断弧再启动功能。出现断弧时，机器人会按照指定的搭接量返回重新引弧焊接。因此无须补焊作业。2．2．2点焊机器人的性能要求对于点焊机器人运动速度是一个重要指标，要求能够快速完成小节距的多点定位（例如每0.3-0.4秒移动30-50mm节距后定位）;为确保焊接质量，定位精度要求较高（一般为0·25mm）;并具有较大的持重（50～100Kg），以便携带内装变压器的焊钳。2．3机器人选择方法1机器人的结构类型的确定机器人类型的选择主要取决于机器人的目标作业类型，如汽车底盘的点焊用四自由度的点焊机器人就够了，复杂工件的焊接一般需要六自由度机器人。2手腕的容许载荷选择机器人时首先要考虑机器人的最大承载能力，如对于OTC公司生产的DR-4000机器人其最大承载能力为6公斤，如下图表示。当安装标准焊枪时不会产生任何问题，但当用于搬运或其它类似的目的时，还应保证各腕部轴所承受的扭矩和转动惯量满足手册中规定的要求。3动作范围的确定机器人的种类确定后，还要检查其动作范围是否满足作业的要求。机器人的动作范围一般指腕部轴的回转中心（P点）的动作范围。如图所示DR-4000机器人的动作范围。在实际作业时由于装有焊接工具，其作业范围将发生变化，因而需要进一步对其作业范围进行确认。使用焊接机器人应注意的几个问题2．4如何导入焊接机器人焊接机器人的应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合。国内在引用焊接机器人应用工程方面走过了一段曲折的道路，机器人的运行情况不尽人意，分析其原因主要存在以下问题：1机器人及周边设备选型不合理，系统配置不全或不当。2对国内人员的培训没有跟上，没有完全掌握设备的性能和使用方法。3缺乏足够的售前、售中技术支持和良好的售后服务。4机器人操作、维护人员不能相对固定或人员流失。5国外系统不适合国内工艺现状。1．明确导入机器人的目的：1技术工人和熟练工人不足2使工人从危险作业环境中解脱出来（高温、搬送重物等）3提高和稳定产品质量4提高劳动生产率（省人、省力）5其他（生产管理的要求，提高企业形象等）。机器人导入目的的不同，机器人的选择、机器人化的实现范围以及经济的评价（投资额）亦不同。选择焊接工件：1机器人适于的工件：多品种、中等批量。2高质量的工件，工件的一致性误差控制在一定范围，因此首先应从技术上易于实现的对象进行，然后分步逐步解决。确定方案项目承揽方在对用户原有生产线充分考察的基础上，根据用户提出的要求及工件的特点，提出初步方案（一般两、三种），并与用户充分讨论，确定最终方案。讨论的内容包括：1工件的分析，包括：材料、结构、图纸、实物、技术要求分析。2前道工序的质量确认及分析3工艺条件及工艺参数初步分析4工艺路线划分确定5焊接节拍和生产节拍分析6机器人选型和系统配置7周边设备及夹具方案确定8设备布局与物流9经济评估10方案评价（是否符合综合性的省力、自动化的方向，是否符合规格化、标准化的方针，是否适应产品更新换代的要求，安全性可维护性等）工程设计项目承揽方对确定的方案进行进一步的设计，包括系统的配置选型，周边装置、夹具设计，控制系统的设计，焊接工艺的制定等，在该过程中双方互相勾通，发现问题及时解决。工程实施机器人、周边设备及其配套设施的安装、调试运行，以及组织管理和人员培训。后期维护是致关重要的一个环节，也是用户最关心的，如果后期维护跟不上，将影响整个生产线的运行。目前国内机器人工程使用效果不好，这也是一个主要原因。主要在于：1国外直接供货的设备服务跟不上，不论是售后服务的及时性，服务的质量，解决问题的彻底性都比较差。2国内代理的短期行为，只管自己挣钱，不考虑用户使用的好坏。3培训人员由于语言的障碍，技术难度的障碍，没有真正掌握设备的特性。4培训人员的流失或责任心不强。沈阳自动化研究所做为机器人技术国家研究中心，做为日本OTC公司、安川电机和德国reis公司的技术服务中心，在承担机器人应用工程时，采取如下措施：1建立专门的生产服务负责人，负责到底，直到用户满意。2国外进口设备建立备品、备件库以保证系统维护的及时性。3国内任何地区承诺48小时到现场。4用户人员无限期培训，直到会用为止。5实行有效期保修服务6长期服务在质量第一，用户至上，精心设计制造，保持一流水平的我所质量方针的指导下，沈阳自动化研究所机器人工程部将竭诚为广大用户服务，与广大用户一起推动我国机器人技术产业化进程。各种焊接机器人的系统构成及周边装置焊接机器人的周边装置主要包括焊接变位机、移动滑台、回转工作台、焊枪清理装置等。焊接变位机焊接变位机是通过倾斜和回转动作，将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。焊接变位机与机器人连用可缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。焊接变位机在机器人焊接作业中是不可缺少的周边设备，根据实际生产的需要焊接变位机可以有多种形式。从驱动方式来看，有普通直流电机驱动、普通交流电机驱动及可以与机器人同步协调运动的交流伺服驱动。移动滑台移动滑台也是焊接机器人的一个重要的周边装置，其主要用途是安置机器人或焊丝支架，特别是在焊接大型工件时，移动滑台加大了机器人的工作范围，移动滑台的形式主要有以下几种。焊枪清理装置焊枪清理装置主要包括剪丝、沾油、清渣以及喷嘴外表面的打磨装置。剪丝装置主要用于用焊丝进行起始点检出的场合，以保证焊丝的干伸长度一定，提高检出的精度；沾油是为了使喷嘴表面的飞溅易于清理；清渣是清除喷嘴内表面的飞溅，以保证保护气体的通畅；喷嘴外表面的打磨装置主要是清除外表面的飞溅。自动换枪装置用于不同填充材料的自动焊接。3．4焊接机器人的主要性能指标焊接机器人的主要性能指标以日本安川电机公司生产的Motoman-L10为例表示如下：⑴名称与型号Motoman-L10⑵主要用途弧焊⑶类别示教再现型⑷坐标型式多关节式⑸自由度数5个⑹抓重最大10㎏（包括夹钳）⑺动作范围与速度运动参数列表如下：表3-1Motoman-L10运动参数运动自由度动作范围速度整机摆动240°90°/s上臂俯仰+20°~-40°1100mm/s上臂前后±40°800mm/s手腕弯曲180°100°/s手腕旋转360°150°/s⑻定位方式选用增量编码器作为位置检测元件⑼控制方式重复式数字位置控制方式，可精确控制运动轨迹⑽重复定位精度±0.2mm;⑾驱动方式电伺服采用交流测速发电机作为伺服电动机的速度检测元件，实现速度反馈，并引进力矩反馈；⑿驱动源DC伺服电动机⒀程序控制和存储方式采用8位微处理Intel8080用半导体存储器作为主存（盒式磁带补充主存容量之不足）程序步数：1000步指令条数：600条⒁轮廓尺寸如图所示图3-3Motoman-L10外形尺寸与动作范围⒂重量本体400㎏控制部分350㎏⒃外部同步信号输入22点输出21点⒄电源AC220/220V（+10%，-15%），50/60HZ±1HZ，三相5KVA2.4焊接机器人的系统构成机器人要完成作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般有如下几部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪和焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等，如图所示。根据用途，将工业机器人配置不同的焊接系统，将组成不同的焊接机器人系统，各种不同