六自由度焊接机器人

机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERING第**卷第**期2014年1月Vol.**No.****20**DOI：10.3901/JME.20**.**.***六自由度焊接机械手实验报告孔潜1,2（1.山东建筑大学机械103班山东济南历城区250101；2.山东建筑大学机器人研究所山东济南历城区250101）摘要：六自由度机器人是一种典型的工业机器人，可广泛应用于运动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中。松下焊接系统TA-1400六自由度机器人是成熟完备的运动控制技术与先进的设计和工业应用领域的结合，在教学领域开出的新的奇葩。既满足工业现场要求，也是教学实验、科研机构进行运动规划和编程系统设计的理想对象。该机器人采用六关节串联结构，各个关节以交流伺服电机+精密谐波减速器为传动。另外机器人采用手柄控制，开关设置人性化，不仅操作方便，而且可靠安全稳定，高速高精度，高安全性。关键词：六自由度焊接机械手松下焊接系统TA-1400教学实验中国分类号：TP241TheexperimentalreportofweldingmanipulatorofSixfreedomdegreesKONGQian1,2(Class103ofMechanical,ShandongJianZhuUniversity,Shandong250101;2.TheinstituteofRobotics,ShandongJianZhuUniversity,Shandong250101)Abstract:Sixdegreesoffreedomrobotisakindoftypicalindustrialrobots,canbewidelyusedinsportshandling,assembly,welding,paintingandsoonintheindustrialfield.PanasonicTA-1400sixdegreesoffreedomrobotweldingsystemismatureandcompletemotioncontroltechnologycombinedwithadvanceddesignandindustrialapplications,intheteachingofthenew.Bothmeettherequirementsofindustrialfield,aswellasteachingexperiment,scientificresearchinstitutionsformotionplanningandprogrammingsystemdesigntheidealobject.TherobotUSESthesixjointsseriesstructure,eachjointbyacservomotor+precisionharmonicreducerfortransmission.Anotherrobotusingthehandlecontrol,switchSettingshumanized,notonlyeasytooperate,stableandreliablesecurity,highspeedandhighprecision,highsecurity.Keywords:SixdegreesoffreedomWeldingmanipulatorWeldingsystemofSongxiaTA-1400Teachingexperiment0前言工业机器人对人们的日常生活和高新技术产业产生了重大的影响，因此工业机器人是现代制造技术和新兴技术产业发展的重要标志之一，且已为世人所认同。而焊接机器人作为工业机器人大家庭中最大的一族，在各国工业机器人中的应用比例高达总数的40~60%，由此可见，研究焊接机器人意义重大。在实际应用中焊接机器人最普遍的方式主要有两种:点焊和电弧焊。焊接机器人就是在焊接生产领域中代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，机器人可以根据程序要求和任务性质自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。我国的焊接机器人起步较晚，虽然现在焊接机器人的生产已经有了一定的水平，但与我国的焊接生产总体需求还相差甚远，目前我国机器人需求主2机械工程学报第**卷第**期要还依赖进口。究其主要原因，世界上几个国家(比如瑞士、日本、意大利和德国)，掌握了生产工业机器人的关键技术。因此从技术的角度看，关键技术(如定位精度、工作速度、负重等等)是制约焊接机器人国产化的主要因素。所以，提高中国机器人的技术水平迫在眉睫。1焊接机器人的组成与分类1.1焊接机器人的组成(1)机器人本体。焊接机器人本体又称焊接机器人的机械手或称操作机，是机器人的机械部分。(2)驱动器。由于焊接机器人大多采用伺服电动机驱动，故在本文中只介绍电机类驱动器。工业机器人目前采用的电动机主要有直流伺服电机、步进电机和交流伺服电机。(3)控制器。机器人控制器是机器人电路部分的核心部件，它实施了机器人的全部信息处理和对机械手运动的控制。(4)焊接设备。包括焊缝跟踪系统、焊枪等等。1.2焊接机器人分类焊接机器人可以分为点焊机器人和弧焊机器人两大类，由于焊枪的质量一般都在10kg左右，所以大部分弧焊机器人采用电动机驱动。由于点焊机器人焊钳重量都超过了35kg，而且液压驱动机器人的抓重能力都比较大，所以点焊机器人大都采用了液压驱动器或者大功率伺服电动机驱动。图1所示为电机驱动的焊接机器人，图1所示为液压驱动的焊接机器人。图1电机驱动焊图2液压驱动焊接机器人1．3国内外研究状况1.3.1国外研究现状1959年美国发明家联手研制出了世界上第一台工业机器人，他们也因此被称为“工业机器人之父”。随后又成立了世界上第一家制造机器人的工厂“UNIMATION“公司。1962年美国川心公司生产出的“vERST&悄(意思是万能搬运)机器人成为真正商业化的工业机器人，掀起了全世界工程技术人员对机器人的研究热潮。从20世纪60年代后期开始，搬运、喷漆、弧焊机器人相继在生产中得到应用。现在焊接机器人的研究主要集中在以下四个方面:(1)机器人的传感器技术。(2)多台焊接机器人和其余外围设备的协调控制技术。(3)优化机器人的本体结构。现代工业机器人更趋向于探索高强度轻质材料，进一步提高机器人的负载/自重比，发展高速、重载的工业机器人。现在国际上著名的工业机器人生产商有日本FAMUC、日本安川、德国KUKARoboterGmbn、瑞士ABB等等，这些品牌的工业机器人占据了中国80%以上的市场。以2004年为例，2004年我国工业机器人约50%进口于日本，约30%进口于欧洲。1.3.2国内研究现状我国工业机器人起步于70年代初期，经过40多年的发展，大致可以归纳为3个阶段:70年代的萌芽期，80、90年代的发展期以及21世纪的适用化期。四十年来，我国的工业机器人得到了空前绝后的发展，但与发达国家相比差距仍然比较大。尤其是国产工业机器人市场占有率来说还非常低。很难2014年1月孔潜等：六自由度焊接机械手实验报告3打入国外市场。国家尚未掌握工业机器人的许多关键技术，这是阻碍我国工业机器人产业发展的重要瓶颈之一。2六自由度焊接机器人结构2.1六自由度焊接机器人运动简图焊接机器人的本体通常是由六个关节构成的(俗称六自由度)，其中，一、二、三关节将焊枪送到目标位置，四、五、六关节调整焊枪的姿态，以便使焊接机器人准确完成工作。六自由度焊接机器人的运动学分析与响应速度提高研究当然，也有的的厂家将焊接机器人设计成七自由度、八自由度，这样是为了让焊接机器人更加灵活，绕过障碍物的能力更强，但同时结构也越复杂。所以，最常用焊接机器人还是六自由度焊接机器人。为了研究方便，通常把焊接机器人的实物图简化成运动简图（如图3）。图3六自由度焊接机器人运动简图2.2六自由度焊接机器人驱动装置在机器人的臂与臂之间的连接部分就包含了机器人的动力源机构的传动机构。由于在机器人工作时往往需要输出较大的扭矩和较平稳的运动，而电动机具有承受的扭矩小、输出速度大的特点。所以目前机器人的传动部分大都采用了电动机外加减速器的形式，如图4所示。图4焊接机器人传动部分3结论经过这两周的实习，我感了运用所学知识解决处理简单问题的方法与技巧，学悟颇深，深刻了解到了机器人的功能强大，我学会会了与大家相处沟通的有效方法途径，积累了处理问题的经验方法，另外也训练了自己的动手操作能力，会基本操作此六自由度焊接机械手，提升了自己的实践技能，增加了自己的实践经验，对焊接的工作原理有深刻的了解，为以后机械手的使用埋下了伏笔。参考文献[1]六自由度焊接机器人说明书。TheexperimentalreportofweldingmanipulatorofSixfreedomdegrees.[2]韩建海，工业机器人，2012.6.HanJianhai,Industrialrobot,2012.6.[3]刘延俊，王守城，杨前明，苏杭，液压与气压传动，2012.2.LiuYanjun,WangShoucheng,YangQianming,SuHang,TheTransmissionofHydraulicandPneumatic,2012.2.[4]濮良贵，纪名刚，机械设计，2012.2.PuLianggang,JiMinggang,Mechanicaldesign,2012.2.作者简介：孔潜，男，1992年出生，本科，学士学位。主要学习方向为机电方向。E-mail：371294731@qq。com。Tel：[phone].