第7章--焊接机器人及其技术应用

第7章焊接机器人及其技术应用教学目标1.了解焊接机器人的分类及特点2.掌握焊接机器人系统的基本组成3.熟悉焊接机器人典型周边设备与布局4.能够识别常见焊接机器人工作站基本构成5.能够进行焊接机器人的简单弧焊和点焊作业示教《工业机器人技术与应用》（机械工业出版社“十三五”规划教材屈金星主编）目录页PAGEOFCONTENT7.1焊接机器人的分类及特点7.2焊接机器人的系统组成7.3焊接机器人的作业示教7.4焊接机器人典型作业任务7.5焊接机器人工作站布局焊接机器人的分类及特点7.1稳定和提高焊接质量，保证其均匀性提高劳动生产率，一天可24小时连续生产改善工人劳动条件，可在有害环境下工作降低对工人操作技术的要求缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资可实现小批量产品的焊接自动化能在空间站建设、核电站维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业为焊接柔性生产线提供技术基础焊接机器人主要优点有：焊接机器人的分类及特点7.1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。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节型机器人，绝大部分有6个轴，目前焊接机器人应用中比较普遍的主要有2种：点焊机器人和弧焊机器人。焊接机器人a）点焊机器人b）弧焊机器人焊接机器人的分类及特点7.11.点焊机器人点焊机器人用于点焊自动作业的工业机器人，末端握持的作业工具是焊钳。点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高机械臂工作效率。与变压器分离的焊钳，点焊机器人的负载要求30～45kg。一体式焊钳，点焊机器人的负载要求100～150kg。焊接机器人的分类及特点7.11.点焊机器人最初，点焊机器人只用于增强焊作业，后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。这样，点焊机器人逐渐被要求有更全的作业性能，具体来说：（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（50～150kg），以便携带内装变压器的焊钳。（5）内存容量达，示教简单，节省工时。（6）点焊速度与生产线速度相匹配，同时安全可靠性好。焊接机器人的分类及特点7.11.点焊机器人汽车车身的机器人点焊作业焊接机器人的分类及特点7.12.弧焊机器人弧焊机器人是用于弧焊自动作业的工业机器人，末端持握的工具是焊枪。一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。在弧焊作业中，焊枪应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指标。一般情况下，焊接速度约取5～50mm／s，轨迹精度约为±（0.2～0.5）mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有定影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。焊接机器人的分类及特点7.12.弧焊机器人弧焊机器人是用于弧焊自动作业的工业机器人，末端持握的工具是焊枪。为适应弧焊作业，对弧焊机器人的性能有着特殊的要求。除在运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。其他性能如下：（1）设定焊接条件（电流、电压、速度等）；（2）摆动功能；（3）坡口填充功能；（4）焊接异常功能检测；（5）焊接传感器（起始焊点检测、焊道跟踪）的接口功能。焊接机器人的分类及特点7.12.弧焊机器人工业机器人弧焊作业焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人点焊机器人主要由操作机、控制系统和点焊焊接系统等组成，操作者可通过示教器和操作面板进行点焊机器人运动位置和动作程序的示教，设定运动速度、焊接参数等。1—机器人示教器2—机器人控制柜3—机器人变压器4—点焊控制箱5—点焊指令电缆6—水冷机7—冷却水流量开关8—焊钳回水管9—焊钳水冷管10—焊钳供电电缆11—气/水管路组合体12—焊钳进气管13—手部集合电缆14—电极修磨机15—伺服/气动电焊钳16—机器人控制电缆1BC17—机器人供电电缆2BC18—机器人供电电缆3BC19—焊钳控制电缆20—机器人本体（操作机）MOTOMAN－ES系列点焊机器人系统组成图焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人点焊机器人系统具有管线繁多的特点，特别是机器人与点焊钳间的连接上，包括点焊钳控制电缆、点焊钳电源电缆、水气管等。为适应灵活的动作要求，点焊机器人本体通常选用关节型工业机器人，一般具有6个自由度。驱动方式主要有液压驱动和电气驱动两种。其中，电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人控制系统由本体控制和焊接控制两部分组成。本体控制部分主要是实现机器人本体的运动控制；焊接控制部分则负责对点焊控制器进行控制，发出焊接开始指令，自动控制和调整焊接参数（如电流、压力、时间），控制焊钳的大小行程及夹紧/松开动作。点焊焊接系统主要由点焊控制器（时控器）、焊钳（含阻焊变压器）及水、电、气等辅助部分组成。焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人机器人点焊用焊钳种类繁多，从外形结构上有C型和X型2种。点焊机器人焊钳（外形结构）a）C型焊钳b）X型焊钳焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人1.气动焊钳气动焊钳是“气动”是使用压缩空气驱动加压气缸活塞，然后由活塞的连杆驱动相应的传递机构带动两电极臂闭合或张开。目前点焊机器人比较常用的。它利用气缸来加压，一般具有2个行程，能够使电极完成大开、小开和闭合3个动作，电极压力一旦调定后是不能随意变化的。气动焊钳焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人2.伺服焊钳伺服焊钳是利用伺服电机替代压缩空气作为动力源的一种焊钳。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，脉冲码盘反馈，这种焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置，而且电极间的压紧力也可以无级调节，是一种可提高焊点质量、性能较高的机器人用焊钳。伺服焊钳焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人与气动焊钳相比，伺服焊钳具有如下优点：（1）提高工件的表面质量可以形成电极对工件的软接触，减轻电极冲击所造成的压痕，从而也减轻了后续工件表面修磨处理量，提高了工件的表面质量。利用伺服控制技术可以对焊接参数进行数字化控制管理，可以保证提供最合适的焊接参数数据，确保焊接质量。（2）提高生产效率与气动焊钳相比，伺服焊钳的动作路径可以控制到最短化，缩短生产节拍，在最短的焊接循环时间里建立一致性的电极间压力。由于在焊接循环中省去了预压时间，该焊钳比气动加压快5倍，提高了生产率。（3）改善工作环境电极对工件是软连接，对工件无冲击，减少了撞击变形，平稳接触工件无噪声，更不会在使用气动加压焊钳时出现排气噪声。因此，该焊钳清洁、安静，改善了操作环境。焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人依据阻焊变压器与焊钳的结构关系，点焊机器人焊钳可分为分离式、内藏式和一体式。优点是减小了机器人的负载，运动速度高，价格便宜。1.分离式焊钳分离式焊钳的主要缺点是需要大容量的阻焊变压器，电力损耗较大，能源利用率低。此外，粗大的二次电缆在焊钳上引起的拉伸力和扭转力作用于机器人机械臂上，限制了点焊工作区间与焊接位置的选择。焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人依据阻焊变压器与焊钳的结构关系，点焊机器人焊钳可分为分离式、内藏式和一体式。2.内藏式焊钳当采用这种形式的焊钳时，必须同机器人本体统一设计，如Cartesian机器人就采用这种结构形式。另外，极（球）坐标的点焊机器人也可以采取这种结构。其优点是二次电缆较短，变压器的容量可以减小，但是会使机器人本体的设计变得复杂。焊接机器人的系统组成7.2一、点焊机器人依据阻焊变压器与焊钳的结构关系，点焊机器人焊钳可分为分离式、内藏式和一体式。3.一体式焊钳主要优点是省掉了粗大的二次电缆及悬挂变压器的工作架，直接将焊接变压器的输出端连到焊钳的上下电极臂上，另一个优点是节省能量。缺点是焊钳重量显著增大，体积也变大。此外，焊钳重量在机器人活动手腕上产生惯性力易引起过载，这就要求在设计时，尽量减小焊钳重心与机器人机械臂轴心线间的距离。焊接机器人的系统组成7.2二、弧焊机器人弧焊机器人的组成与点焊机器人基本相同，主要由是由操作机、控制系统、弧焊系统和安全设备几部分组成。弧焊机器人系统组成1—气瓶2—焊丝桶3—送丝机4—操作机5—焊枪6—工作台7—供电及控制电缆8—弧焊电源9—示教器10—机器人控制柜焊接机器人的系统组成7.2二、弧焊机器人弧焊机器人操作机的结构与点焊机器人基本相似，主要区别在于末端执行器——焊枪。焊接机器人的系统组成7.2二、弧焊机器人弧焊系统是完成弧焊作业的核心装备，主要由弧焊电源、送丝机、焊枪和气瓶等组成。弧焊机器人多采用气体保护焊，通常使用的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等焊接电源都可以装到机器人上进行电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。送丝机可以装在机器人的上臂上，也可以放在机器人之外，前者焊枪到送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝的稳定性；而后者软管较长，当机器人把焊枪送到某些位置，使软管处于多弯曲状态时会严重影响送丝的质量。因此，送丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的问题。在机器人的末端焊枪上还装有各类触觉或接近传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。当发生碰撞时，一定要检验焊枪是否被碰歪，否则由于工具中心点的变化，焊接的路径将会发生较大的变化，从而出现废品。焊接机器人的作业示教7.3一、点焊机器人作业示教点焊是最广为人知的电阻焊接工艺，通常用于板材焊接。焊接限于一个或几个点上，将工件互相重叠。1.TCP确定运动轨迹——工业机器人作业示教的一项重要内容，即确定各程序点处工具中心点（TCP)的位姿。对点焊机器人而言，TCP一般设在焊钳开口的中点处，且要求焊钳两电极垂直于被焊工件表面。焊接机器人的作业示教7.3一、点焊机器人作业示教2.点焊作业示教采用示教再现方式为机器人输入两块薄板（板厚2mm）的点焊作业程序。此程序由编号1~5的5个程序点组成，为提高工作效率，程序点1和5设在同一位置。本例中使用的焊为气动焊钳，通过气缸来实现焊钳的大开、小开和闭合三种动作。点焊机器人运动轨迹焊接机器人的作业示教7.3一、点焊机器人作业示教2.点焊作业示教程序点说明手爪动作程序点1机器人原点程序点2作业临近点大开→小开程序点3点焊作业点小开→闭合程序点4作业临近点闭合→小开程序点5机器人原点小开→大开焊接机器人作业示教流程程序点说明（点焊作业）焊接机器人的作业示教7.3一、点焊机器人作业示教2.点焊作业示教（1）明确工作任务焊接两块薄板（板厚2mm）（2）示教前的准备（3）新建作业程序点（4）程序点的输入在示教模式下，手动操作移动机器人设定程序点1至程序点5（程序点1和程序点5设置在同一点可提高作业效率），此外程序点1至程序点5需处于与工件、夹具互不干涉的位置按示教器的相关菜单或按钮，新建一个作业程序1）工件清理，表面无铁锈、油污等杂质。2）确认自己和机器人之间保持安全距离。3）确认机器人运动区域无干涉。4）机器人原点确认。5）安全确认。程序点示教方法程序点1（机器人原点）①按第5章手动操作机器人要领移动机器人到原点。②将程序点设置为“空走点”，插补方式选择“PTP”。③确认并保存程序点1为机器人原点。程序点2（作业临近点）①手动操作机器人到作业临近点，并调整焊钳姿态。②将程序点设置为“空走点”，插补方式选择“PTP”。③确认并保存程序点2为机器人作业临近点。程序点3（点焊作业点）①手动操作机器人移动到