焊接机器人

点焊机器人一、点焊机器人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。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达150台。汽车工业引入机器人已取得了下述明显效益：（1）改善多品种混流生产的柔性；（2）提高焊接质量；（3）提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。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，为了保样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说点焊机器人优点：（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(300～1000N),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二、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、控制系统以及由阻焊变压器、焊钳、点焊控制器和水、电、气路等组成的焊接系统。点焊机器人本体主要指其机械部分。机械部分通常由机体、臂、手腕和焊钳（末端执行器）组成。关节式机器人的前三个自由度，即机体腰轴的回转，肩（大臂和机体连接处）轴的仰俯和肘（大臂和小臂连接处）轴的屈伸可把焊钳送到一定的空间位置；后三个自由度，即售完的三个关节运动使焊钳以一定的角度（姿态）对准焊点。点焊机器人的控制系统由本体控制部分及焊接控制部分组成。本体控制部分主要实现示教在线、焊点位置及精度控制。点焊作业一般可采用点位控制，又称点到点控制（pointtopoint简写为PTP），它仅考虑原始点和目标点的位置，而不考虑经由何途径到达目标点，即点焊时只要求点击到达焊点位置准确，重复定位精度为正负0.2—0.4mm,而对电极运动轨迹并无严格要求。焊接控制部分主要指的是焊接系统中的点焊控制器。它是一对相对独立的多功能点焊微机控制装置。1.点焊过程时序控制，即预压、加压、焊接、维持、休止，每一程序周波数设定范围0—99（误差为0）1）预压(F0,I=0)克服刚性，稳定接触电阻2）焊接(F=Fw,I=Iw)形成熔核，塑性环，压力3）保压(F0,I=0)克服应力，防止缩孔，裂纹4）停止(返回)(F=0,I=0)点焊机器人焊接循环T1-焊接控制器控制T2-机器人主控计算机控制T-焊接周期F-电级压力I-焊接电流2.焊接电流波形的调制及电流大小的控制。3.同时存储多套焊接参数。4.自动进行电极磨损后的阶梯电流补偿、记录焊点数并预报电机寿命。5.故障自检，对晶闸管超温和单管导通、变压器超温、电极粘结以及水压、气压等故障进行显示和报警，直至自动停机。6.与机器人控制器及示教盒的通信连接。7.断电后系统内存数据不丢失。为了统一管理，现在点焊机器人将点焊控制器作为一个模块安装在机器人控制其系统内，由主计算机统一管理和编程预置多种参数。三、点焊机器人系统基本工作原理附图所示为点焊机器人示意图，该机器人运动轴为六轴关节式，电动机M1驱动回转台旋转,实现第一轴的运动；电动机M2推动臂架2的摆动,实现第二轴的运动；电动机M3带动驱动臂架12的摆动,实现第三轴的运动；电动机组M4、M5、M6通过实轴或空心轴,实现驱动手腕的动作。为了保证结构在运动过程中保持尽可能无间隙和一定的刚性,避免大的惯性扭矩,并一直保持高速,直至传递到工作端才进行减速,第一轴采用了摆线针轮减速器,第二轴、第三轴使用了滚珠丝杠,手腕部件的各驱动轴均采用了谐波齿轮减速器。此外,为了抵消惯性力影响,在第二轴、第三轴上设置了平衡汽缸。在确定了点焊机器人机械结构的几何模型后,就可以进行其机构运动的仿真分析,既能比较真实地模拟机器人所完成的点焊操作的运动过程,又可进行点焊动作的运动分析和确定合理的运动范围。为使焊点轨迹不发生偏离,以实现正确焊接,在进行点焊操作作业时,机器人首先是进行平移的动作,完成焊枪和焊点间的位置修正，然后进行焊枪和焊点间的角度误差修正,实现点焊过程的规范操作。此类机器人回转机械臂类似于人的手臂,在水平方向具有顺应性,可吸收点焊操作中的平移误差和角度误差。而在垂直方向具有较大的刚性,便于点焊操作。如果在手部施加水平方向的作用力,会使机械臂作微小的转动,进行微调点焊操作,从而实现自动纠正并减小位置与角度误差,使点焊操作能顺利地完成。上述用于点焊操作的机器人主要技术指标是：①重复定位精度达+0.3mm;②自由度数为6个③各轴运动速度为80°--120°／s或1.25—1.45m/s④柔性手臂转角范围为士90°通过选用不同型号的控制器,可用于点焊和连续轨迹焊接作业；调配手腕部所夹持的相应工具,也可进行加工、装配等其他多种操作。四、点焊机器人焊接系统中存在的问题焊接系统中的阻焊变压器和焊钳的连接关系是点焊机器人的一个特殊问题，将变压器装置在机体上，臂的重量减轻但二次侧回路太长，引起电气性能差和电缆挠性产生的附加载荷；将变压器和焊钳制成一体安装在机器人手腕上可改善电气性能，但机器人手腕承受载荷大，使臂的动作速度和所能达到的位置精度都要下降。由于近年来逆变式电阻焊电源的出现，使得变压器的体积和重量大为减轻，克服了一体式焊钳带来的不足，为点焊机器人安装电气性能好、体积重量小的一体式焊钳创造了条件。五、点焊机器人系统的选择原则机器人要完成焊接作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持与配合。完整的焊接机器人系统一般由如下几个部分组成：机器人本体、变位器、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。如图所示为点焊机器人系统基本组成焊接机器人系统按复杂程度，可出现三种组成形式：（1）焊接机器人工作站（单元）这种系统最简单的形式就是一台机器人和一个工作站，无需变位器，工件被夹具固定在工作台面上进行焊接。但实际生产中，工件被焊接处往往需要变位，以利于焊点或焊缝处于机器人可达位置。这时为了协调运动，变位机实际上也是一台机器人，其控制由焊接机器人控制器控制。（2）焊接机器人生产线这种系统实际上是将多个工作站连在一条生产线上进行作业。工件在生产线上流动，每个站只能在规定的时间内完成预定程序的焊接作业。（3）焊接柔性自动生产线为了适应现代产品更新换型快、生产的批量少、品种多的特点，可按准时制造（Just-in-timemanufactureJIT）或无库存的生产管理方式也可以说是按订单生产，这时采用机器人柔性自动生产线是比较合适的。所谓柔性自动生产线，即利用机器人可以储备多套程序，只要工件的夹具并调出相应的程序就可以焊接另一种工件，因此在生产线上设置识别传感器，一旦新的工件被识别，机器人的初始状态进入当前程序的执行。由上可知，点焊机器人系统最基本的就是机器人工作站，最简易的工作站甚至不需要变位机。采用哪种系统进行生产，每个生产单位都必须根据自己的产品特点、产品结构、生产批量，生产条件等决定。六、简易点焊机器人工作站简易点焊机器人工作站是一种能用于点焊生产的、最小组成的一套焊接机器人系统。凡是在焊接时工件可以不用变位、而机器人的活动范围又能达到所有焊点位置的情况下，都可以采用这种系统。因此，结构不复杂、批量大、质量要求高的产品选用这种工作站比较适合。它由点焊机器人（包括机器人本体、机器人控制柜、编程盒、一体式焊钳、定时器和接口及各设备间的连接电缆、压缩空气管和冷却水管等）、工作台、工件夹具、电极修整装置、围栏和安全保护设施等部分组成，其中一体式焊钳是机器人的末端执行器，也是焊接系统的组成部分，是机器人执行点焊的重要部件。下面就其结构种类和防撞措施做一介绍：1）一体式焊钳的种类和选择。一体式焊钳有C形和X形两种。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。焊接时，根据工件形状、材料、工艺参数及焊点的位置来选用焊钳的形式、电极直径、电极间的压紧力、两电极的最大开口度和焊钳的最大喉深。另外，一体式焊钳的重量也是选用多大负载能力的点焊机器人的依据。2）焊钳防撞措施。点焊机器人焊钳较重不能安装防撞传感器，因此要求点焊机器人的控制柜必须具有在机器人或焊钳与周边设备或工件发生碰撞，即在负载超过限定值时，能立即停止机器人运动的功能。有的机器人设计成不但在发生碰撞时能马上停止运动，还能自动向后退少许，以免焊钳与工件预紧而损坏工件或焊钳。简易点焊机器人工作站还可采用两台或多台点焊机器人分别布置在工作台两侧的方案，各台机器人同时工作，每台机器人负责各自一侧的焊点。不少工厂还将这种简易点焊机器人工作站安装在工件的流水线上，如汽车的顶、底板及前、后、侧围板的点焊生产线应用较多。图17一体式焊钳点焊机器人七、点焊机器人系统的要求与设计原则1)应采用具有浮动加压装置的专用焊钳，也可对普通焊钳进行改装。焊钳重量要轻，可具有长、短两种行程，以便于快速焊接及修整、更换电极、跨越障碍等。2)一体式焊钳的重心应设计在固定法兰盘的轴心线上。3)焊接控制系统应能对阻焊变压器过热、晶闸管过热飞晶闸管短路断路、气网失压、电网电压超限、粘电极等故障进行自诊断及自保护，除通知本体停机外，还应显示故障种类。设计原则：⑴在不增加机器人工作系统复杂度的情况下，最大限度地发挥机器人系统的作用；⑵在充分发挥焊接机器人独立的控制系统的能力的同时，能够适应自动化生产线上对工作站不同功能的需求；⑶工作站结构组成简单，容易扩展和重组以适应不同的功能；⑷系统的软件友好，操作界面友好，操作方便，易学易用易扩展；⑸点焊机器人的功能完善，维护性好等。特点：⑴可单独完成所需焊接任务，也可成为自动化生产线上焊接工艺的一个工序，即一个具有焊接功能的“站点”；⑵作为相对独立的控制系统，机器人的所有动作均由自身控制系统完成，作为生产线上一员，亦服从生产线控制系统的控制以满足生产流程协调性的需要；⑶点焊机器人系统采用先进的机器人作为系统的核心，配合控制器、安全防护系统、操作面板、变位机、夹具、焊接系统等必要设备，系统组成简单，设备选择灵活。既可保证系统的先进可靠，也可降低系统成本；⑷系统结构合理，操作方便，适合高效率、高质量、柔性化生产；⑸由于系统组成简单，所以可以方便地重组以适应不同的焊接需求，而关键的机器人系统（硬件和软件）几乎不需变动，由机器人的灵活性保证生产的多样性；⑹焊接的质量高，重复性好等。