研究生焊接机器人系统技术.ppt

一.机器人技术概述,1.1机器人的一般概念 机器人作为20世纪出现的新名词，是从英文“ROBOT”一词译过来的。国际上关于机器人仍然没有统一的定义。国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人下了一个定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机”,大多数机器人是用于生产活动，以提高产品质量或生产效率的，也可以说机器人是一个通用的自动化装置。,1.2焊接机器人的发展,1.2.概况 现代机器人学作为一门集机械、电子、计算机、光学、信息与自动控制以及人工智能等为一体的综合技术学科，它的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展、以及原子能的开发和利用。,最早的需求背景:原子能实验室的恶劣环境要求某种机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，用于搬运放射性材料,1948年又开发了机械式的主从机械手。,美国机器人技术的发展 1954年美国的DEVOC最早提出了工业机器人的思想，并申请了专利;1958年美国的CONSOLIDATED公司制作了第一台机器人;1962年，美国UNIMATION公司的第一台UNIMATE机器人在美国通用汽车厂投入使用;1968年,麦卡锡人工智能实验室报告了有手、眼和耳的机器人的开发情况;此时，其他国家也开始认识到工业机器人的潜力。,日本机器人技术的发展,1967年,日本于从美国引进第一台UNIMATE机器人,并成立了人手研究会;1968年,日本开始研制机器人;1973年,日本产业用机器人工业会（JIRA）创立;1980年，工业机器人真正在日本普及，称该年为“机器人元年”。据报道;到1984年底，日本已拥有工业机器人67300台;92年达349，458台，2000年约超过500,000,数量占世界首位。,欧洲及前苏联机器人技术的发展,前苏联从六、七十年代开始开发应用机器人。1963年研制成功第一台焊接机器人，1972年研制成功监控式具有传感器的机器人，并用于海洋考察。此外，英国、西德、瑞典、瑞士等都有活跃的研究机构，并进行了大量的研究，取得了很大的成果。,我国机器人技术的发展,我国也从70年代初开始注重机器人技术的研究。“七五”、“八五”、“九五”期间，机器人技术一直被列入国家重点科技攻关项目。沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、清华大学、南京理工大学等对机器人的相关技术展开了深入的研究，初步掌握了设计和制造机器人的核心技术。并相继研制出一批工业机械手投入生产应用。甚至在实验室研制出手眼机器人和仿人行走机器人等达国际先进水平的第二、第三代智能机器人。但在机器人产业化方面仍远远落后于工业发达国家。,1.3 焊接机器人的应用,1.3.1 概述 工业机器人的应用范围十分广泛，它首先适于在高温、有毒、高粉尘及存在放射性物质等恶劣的作业环境下或在一些人所不能到达的范围内使用，同时，也用于完成如装饰、搬运等重复性的枯燥、繁重的任务,目前主要应用于自动化工业部门，其中应用最多的行业是汽车制造业。国外许多学者都认为：一个国家不拥有一定数量的机器人，就不具备二十一世纪竞争的工业基础。因此，在一些产业部门，大力开发机器人技术、发展国内机器人产业有着重大的技术意义。,世界主要工业国家及地区焊接机器人数量对比表,上表说明，那些经济迅速发展的或发达的工业国家，都把机器人用于焊接作为一个主要的方向。自上世纪中期，一些欧美国家每年新增机器人数量以40%的速度增加，如美国、德国、法国、西班牙、韩国等等。台湾每年新增机器人数量达到800台。有专家在九十年代初预测中后期大陆将每年新增机器人数量100-150台，但由于经济大环境的原因，实际未达到该增量。当进入21世纪发展极为迅速，2007年增4000台/年；,1.3.2 机器人技术发展的动力概述,日本Hasegawa教授等认为机器人的发展与劳动力成本、机器人价格有关，见下图。,机器人数量与机器人价格和劳力成本的关系,工业自动化目标:,1.3.3 焊接机器人应用的领域,日本:汽车等车辆行业约占45%、造船约占11%、机器制造约占8%、金属制造约占7%、电机5%、桥梁2%、其它22%。“其它”是指目前不便归类的诸多产品。其它22%也说明弧焊机器人应用的广泛性。,中国焊接机器人应用情况,02年前机器人行业分布 96年前弧焊机器人行业分布,02年以前,从中国机械工程学会和焊接协会在96年的调查表明，我国目前使用焊接机器人进行生产的工厂大约有70家左右，焊接机器人总数达到500台（包含高等院校及科研单位用的焊接机器人），已建成的机器人焊接机器人柔性生产线5条，机器人焊接工作站约300个，国内已具有生产点焊、弧焊机器人设计制造能力的厂家近10家。在工厂中用作弧焊的机器人稍比点焊的多，分别占53%和46%。这些机器人主要集中在汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里。到2000年，我国安装的焊接机器人总数为1600台，约占所有机器人总数的45%。从这个数目来看，我国的焊接机器人的装机数量并不多。至2007年，年增长4000台，预计在今后几年内，我国焊接机器人的装机数量还将会持续快速增长。,至2007年，年增长4000台，预计在今后几年内，我国焊接机器人的装机数量还将会持续快速增长；至2006年兵器系统新增机器人系统28套，24套在装甲车辆行业，4套在弹箭行业。,据IFR统计，截至2000年底，世界上工业机器人总的装机数量在100万台以上，从1997年起，世界上工业机器人每年的装机数量都超过8万台，2000年的装机数量比上一年增加了25%。同时机器人的价格却在逐年下降，2004年的单台机器人价格只有1990年时的约八分之一。,我国机器人研究情况,国家“863”计划智能机器人主题“九五”期间的指导思想是“把高科技成果向大中型企业转移，以加速机器人的推广与应用，创建我国的机器人产业阵地，形成自主知识产权体系。1996年7月，“一汽”与“863”智能机器人主题合作开发的HT100A型点焊机器人试制成功。以中科院沈阳自动化所与沈阳第一机床厂为基础组建的东北机器人集团公司辽宁省工业机器人生产基地。1995年研制成功S1348多关节6自由度可用于弧焊的机器人。计划于2000年形成年产量 1000台的生产能力。,我国机器人研究情况,湖北东风汽车装配公司与德国KUKA公司合作于1996年5月组装了第一台KUKA125KG点焊机器人。1996年9月，首钢莫托曼机器人有限公司成立。该公司由首钢总公司、日本安川电机公司、岩谷产业公司共同投资组建。该公司全面引进安川公司MOTOMAN系列产品技术，在国内组装并在国内外开展机器人生产线的承包工程。,安川机器人-摩托曼机器人公司法拉科机器人-法拉科器人公司KOKU机器人-KOKU机器人公司ABB机器人-ABB机器人公司Igm机器人-Igm机器人公司,应用焊接机器人系统后可获得如下好处：,(1)提高产品质量；(2)改善柔性能力；(3)缩短传递时间；(4)改善工作环境；(5)提高企业革新形象和劳动生产率以及降 低生产成本。,1.4 焊接机器人的分类,（1)弧焊机器人 由于弧焊工艺早己在诸多行业中得到普及，弧焊机器人在通用机械、造船等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人不只是一个简单的操作运动机构，是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，因而对其性能有着特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪尖端应沿着预定的的焊道轨迹运动，并不断填充金属形成焊缝。,因此运动过程中速度的平稳性和重复定位精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取30300cm/Min，轨迹重复定位精度约为(0205)mm。其它一些基本性能要求如下：1)与焊机通讯功能;2)设定焊接条件(焊接电流、焊接电压、焊接速度等)，引弧、熄弧焊接条件设置，断弧检测及搭接功能等；3)摆动功能及摆焊文件设置；4)坡口填充功能；5)焊接异常功能检测；6)焊接传感器(起始焊点检出及焊缝跟踪)的接口功能；7)与计算机及网络接口功能。,（2)点焊机器人 汽车工业是点焊机器人系统一个主要的应用领域，在装配每台汽车车体、车身时，大约60的焊点是由机器人完成。最初，点焊机器人只用于往己拼接好的工件上增加焊点，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好的作业性能，主要有：1)与点焊机的接口通讯功能；2)工作空间大；3)点焊速度与生产线速度相匹配，快速完成小节距的多点定位(大约每0304s移动3050mm且准确定位)；4)持重大(50100kg)，以便携带内装变压器的焊钳；5)定位准确，精度约025mm，以确保焊接质量；6)内存容量大，示教简单；7)离线编程接口功能。,1.4 焊接机器人的分类,焊接机器人是一个典型的机电一体化产品，可以按动力源驱动方式、用途、运动轨迹方式等不同对其进行分类。按动力源驱动方式不同分，焊接机器人各分为以下几类：（1)气压驱动 使用压力在0410MPa。气压驱动的主要优点是气源方便，驱动系统采用具有缓冲作用的汽缸，气压驱动结构简单，成本低，易于保养；主要缺点是装置体积大，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合，一般用于专用机器人如搬运、防爆机器人。,（2)液压驱动 液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能通过流量阀在很大范围内实现无级调速；其主要缺点是需要油泵液压站，容易漏油，这不仅影响工作稳定性与定位精度，而且污染环境，液压系统需配备压力源及复杂的管路系统，因而故障多，维修复杂，成本也较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度要求不太高的场合，一般用于专用机器人。,（3)电气驱动 电气驱动是利用各种电动机产生的力或转距，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。驱动电机又可分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷直流电机驱动和交流伺服电机驱动等多种方式。交流伺服电机驱动有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性很高，寿命长，维护更换容易。电气驱动由于具有易于控制，运动精度高，使用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境的诸多优点，是最普遍、应用最多的驱动方式。目前生产的机器人大多采用交流伺服电机驱动。,按操作手机构的坐标系特点来分,（1)直角坐标型 这类机器人的结构和控制方案与机床类似，其到达空间位置的三个运动是由直线运动构成，运动方向互相垂直，其末端操作器的姿态调节由附加的旋转机构实现。这种形式的机器人优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作客积内任一点上均为恒定，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，工作空间小，操作灵活性较差。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。,（2)圆柱坐标型 这类机器人在基座水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱作上下运动并可在水平方向伸缩。这种结构方案的优点是末端操作器可获得较高速度，缺点是末端操作器外伸离开立柱轴心愈远，其线位移分辨精度愈低。,（2)圆柱坐标型 这类机器人在基座水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱作上下运动并可在水平方向伸缩。这种结构方案的优点是末端操作器可获得较高速度，缺点是末端操作器外伸离开立柱轴心愈远，其线位移分辨精度愈低。,（3)球坐标型 与圆柱坐标结构相比较，这种结构形式更为灵活。（4)全关节型 全关节型机器人的结构类似人的腰部、臂部和腕部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，其优点是机构紧凑，灵活性好，占地面积小，工作空间大，可获得较高的末端执行器线速度。目前焊接机器人大多采用全关节型的结构形式。,根据受控运动方式，焊接机器人可分为以下几类：（1)点位控制(PTP)型 机器人受控运动方式为自一个点位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。要求机器人在目标点上有足够的定位精度。点位控制型机器人主要用于点焊、搬运、浇注作业。（2)连续轨迹控制(CP)型 机器人各关节间时作受控运动，使机器人末端按预期的轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要实时获取驱动机的角位移和角速度信号。连续控制主要用于弧焊、喷漆机器人。,1.5 焊接机器人的发展方向,随着焊接机器人的深入应用，焊接机器人已向多方向发展，目前焊接机器人的主要发展方向是：(1)机器人与柔性生产线相结合 主要是为适应现代生产中产品更新换代和小批量多品种的需要，将弧焊机器人和变位机、基架等等周边设备柔性化集成为迫切需要的技术。它可以减少辅助时间，提高生产效率。,(2)机器人控制的开放型体系结构,开放意味着互用性，目前工业机器人控制器最大的担心是它的功能专一、性能不完善。人们渴望有一种容易使用、易通讯、数据共享、容易二次开发的机器人。推广基于PC的平台，实际上是考虑用户对性能和成本的要求，使机器人从专用的控制器向基于PC机的开放、通用的控制器过沮。如美国puma机器人，具有PC机编程、通讯和监控功能。,(3)焊接机器人的智能化,要真正将技术人员和熟练工人从繁重的劳动中解脱出来，甚至能直接代替人在恶劣、危险的环境中进行自动焊接作业，必须开发具有一定智能的智能机器人，焊接机器人的智能化主要表现为传感器的智能化。(4)机器人按制从单机向集散式、网络化的方向发展。,从这个意义上，机器人的发展可分为三代：第一代是示教型机器人，目前在工厂广泛使用，它的功能是示教再现。即示教时操作者通过示教盒编程记录焊接路径关键点，并设置焊接引弧点、熄弧点以及焊接工艺参数。再现时机器人沿示教好的轨迹和焊接工艺参数精确执行。并可以周尔复始，全自动运行。这种工作方式重复件好，但没有视觉，缺少对环境变化的自适应能力，例如当实际行走轨迹与示数轨迹由于加工、安装、焊接变形等原因存在位置偏差时，导致焊接质量不好甚至失败。第二纪弧焊机器人是具有一定传感功能的示教机器人，如视觉、力觉、触觉等传感器，在示教的基础上可以适应环境的变化，目前在某些领域某些功能上已经到生产应用阶段，并产生显著经济效益。目前国内尚处于实验室研究阶段。第三代是智能机器人。能理解人的命令，预知或感知外部环境，自行规划操作顺序、自动制定运动轨迹、焊枪姿态和焊接参数，并实时修正，以完成特定的任务，目前这是国内外学者研究的热点和难点。融合CAX技术和视觉传感技术的智能机器人是焊接机器人的重要研究和发展方向。,1.6 弧焊机器人系统组成,弧焊机器人系统组成-机器人控制箱,控制箱面板,示教盒,二.焊接机器人系统的基本配置,2.1 机器人系统概述 焊接机器人工作站是一个操作系统，通常由机器人、焊接设备、机器人或工件的移动机械装置、工件变位装置、工件的定位和夹紧装置、焊枪喷嘴或焊钳电极的清理或修整装置、安全保护装置等组成。根据工件的具体结构情况、所要焊接的焊缝位置的可达性和对接头质量的要求，焊接机器人工作站的配置有所不同，但焊接机器人工作站不是配备有焊枪(钳)的机器人。,2.2 焊接机器人的选择,2.2.1 焊接机器人的选择:焊接用的工业机器人基本上都属于电驱动的6轴关节式机器人（也有气动式的），其中1、2、3轴协调运动是把焊枪(钳)送到制定的空间位置，而4、5、6轴的协调运动是解决焊枪(钳)的姿态问题。由于交流伺服电机没有碳刷，动特性好，负载能力强，机器人的故障率低，免维修时间长，各轴运动的加(减)速度快，固近代工业机器人各关节(轴)的运动基本上全由交流伺服电机来驱动。,关节式机器人本体结构一般由两种形式既平行四边形结构形式和侧置结构形式。从图可以看出，侧置结构机器人的上、下臂的活动范围较大，腰部轴不转动就可以将焊枪从前下部位置经顶部运动到机器人的后下部，配合腰部轴转动，最大工作空间将接近球面。该类型机器人适合于倒置安装，可增加工作范围，减少占地面积，方便地面的物流。但是，侧置式机器人的大、小臂轴为悬臂结构，刚度稍低些，负载能力相对较小，适用于弧焊、切割或激光焊割等。,平行四边形结构形式,侧置式机器人操作机,点焊和搬运机器人(负载20150kg)一般都采用平行四边形结构。弧焊用的机器人负载能力都在316Kg范围，两种形式的机器人都可以选用。目前，更多工厂采用弧焊机器人倒挂安装方式，应而选用侧置式机器人逐渐增多。为了适应市场需求的这种变化趋势，一些原来只生产平行四边形机器人的公司，现在也开始生产侧置式机器人了。,2.2.2 机器人的底座和安装,机器人的底座和机架是最简单的外围设备，它们的作用都是把机器人安装在一个合适的高度上，如图 所示。图的底座是机器人直立安装时采用的，而图的机架是机器人倒挂安装时采用的。前面已经介绍了平行四边形机器人和侧置机器人的工作空间。若用离地面不同高度的平面去截取机器人的工作空间，就会发现不同高度的工作空间的最大宽度是不同的。如果被焊工件的宽度较大，就必须把机器人安装在一个合适的高度上，使机器人的焊钳或焊枪,2.3-2a 机器人的底座 2.3-2b 机架,能达到所有需要焊接的部位，同时还要照顾到操作和维护的方便与安全。厂商所提供的机器人最大工作范围是以腕关节的中心点画出的，并没有考虑焊枪的大小。因此，用户在分析机器人工作范围时应把焊枪(钳)的尺寸和焊接时的姿态考虑进去。考虑了焊枪(钳)的尺寸并不意味装了焊枪(钳)后机器人的工作范围一定加大，有时在某些姿态下，它甚至会比机器人厂商提供的机器人最大工作范围还小。,2.3 弧焊机器人系统焊接装置的选择,焊接系统是弧焊机器人工作站重要部分，由焊接电源、焊枪(焊炬)和送丝机构、气路等部分组成，对TIG焊或等离子弧焊则无须送丝机构。如机器人和焊接装备分别采购，若工厂又希望机器人控制柜能够对焊接参数进行编程和控制，则须解决焊接装备和机器人控制柜之间的接口问题，一般还是由机器人供应商成套供货为好。典型MAG（CO2）焊机器人的基本组成如图2.3-1所示。,2.3-1 弧焊机器人的基本组成1一弧焊机器人2一工作台 3一焊枪4一防撞传感器 5一送丝机6一焊丝盘 7一气瓶 8一焊接电源 9一三相电源 10一机器人控制柜 11一编程器,弧焊机器人系统焊接装置的选择,焊接系统是弧焊机器人工作站重要部分，由焊接电源、焊枪(焊炬)和送丝机构、气路等部分组成，对TIG焊或等离子弧焊则无须送丝机构。如机器人和焊接装备分别采购，若工厂又希望机器人控制柜能够对焊接参数进行编程和控制，则须解决焊接装备和机器人控制柜之间的接口问题，一般还是由机器人供应商成套供货为好。典型MAG（CO2）焊机器人的基本组成如图。,熔化极气体保护焊焊接电源的种类和选择,由于机器人焊接的燃弧率比手工焊高得多,与机器人配套的焊接电源必须注意暂载率，即使实际焊接采用的焊接规范和半自动焊相同，机器人用焊接电源的容量也应选用更大的。如:用直径16mm焊丝、380A电流进行半自动焊，可以选用暂载率60、额定电流500A的焊接电源，若选用弧焊机器人同规范操作，其配套的焊接电源须选用100暂载率的500A电源或暂载率60的600A或更大容量的电源。,它们之间容量的换算公式：I100(I J600.6)1/2 其中，J6。表示负载持续率60电源的额定电流值，而I100为对应负载持续率100的额定电流值。如采用大电流长时间焊接，电源容量最好要有一定保险系数，否则会使电源因升温过高而不能正常工作。目前，可以和机器人配套的熔化极气体保护焊的电源非常多，但机器人供应商往往推荐与其协作的电源供应商,企业也可根据自身使用需求,提出对配套电源类型或品牌的要求,常用于弧焊机器人的焊接电源大体上有如下几类：(1)普通焊接电源 目前机器人配备的比较廉价的普通焊接电源是晶闸管电源，负载持续率一般为60。这种电源已普遍用在手工半自动焊，若用于焊接机器人工作站系统,须注意容量问题。另外，晶闸管电源一般没有更有效的抑制飞溅的功能，当采用短路过渡形式的MAG(C02)气体保护焊时，飞溅一般较大,目前已较少用该类电源配套机器人使用。,(2)具有减少短路过渡飞溅功能的逆变电源,一般该类电源采用IGBT逆变电路,焊接电源动特性好,反应速度快,能较好的适应于弧焊机器人工作站系统的需求。其具有的减少短路过渡飞溅功能,主要用于焊接较薄的工件，并且在采用短路过渡形式的焊接规范焊接时才有实际意义。选用时要注意电源所要求的输入电压，因为有些供应商产品的输入电压与国内不同，如日本产的这类电源，输入电压为三相200V，必须同时配备一台大容量的380V到200V的三相降压变压器，该类变压器的价格约为几千元。,(3)颗粒过渡或射流过渡用大电流电源,这种焊接电源容量都比较大(600A以上)，负载持续率为100适用于采用混合气体保护射流过渡焊、粗丝大电流C02气体保护潜弧焊或双丝焊等方法，常用来焊接重、大、厚的工件，该类电源有逆变电源也有晶闸管式电源，,(4)有特殊功能的焊接电源,有特殊功能的焊接电源种类很多，如适合铝和铝合金的TIG焊的方波交流电源，变极性等离子电源，双丝焊电源，高速焊电源，带有专家系统的协调控制(或单旋钮)MIGPMIG焊接电源等。有的电源能自动根据焊丝伸出长度的变化相应地调节焊接规范，使焊出的焊缝保持相同的熔宽或熔深。机器人配套的焊接电源最好是根据工件特征、材质和焊接工艺参数来选择所需的功能。,熔化极气体保护焊送丝系统的选择,2.4焊接机器人变位装置的设计与选择,要使焊接机器人能够用于焊接工件，还需要有相应的外围设备。外围设备大致可分为机器人的底座，工件的固定工作台，工件的变位、翻转、移位装置，机器人的龙门机架、固定机架和移动装置等。工件的固定还需要有胎具和夹具，还可能需要配备清枪装置，剪丝装置和焊钳电极的修整、更换装置等辅助设备。大部分机器人的生产厂家都有自己的标准外围设备可供选用，但如果将它们与其他公司的机器人组合有的可能会出现不能协调现象困难。工件的变位机可使焊缝处于水平或船型位置，易于获得质量高、外观好的焊接接头。变位机在弧焊机器人工作站系统中占有重要的地位，种类也比较多，应根据实际情况选择,以下介绍几种典型的变位与运动装置产品:,2.4.1 焊接工作台,若被焊工件的焊缝少，或处在水平位置，或对焊接质量要求不很高，焊接时不需工件变位，可以将工件固定在工作台上。工作台上面可以固定一个或多个夹具，机器人在各工位间来回焊接，虽然操作工人需要翻转工件和装卸工件才能完成一个工件的焊接，但可节省一套工件变位(翻转)机等的投资，且生产节拍一般也能保证。,2.4.2 旋(回)转工作台,旋转工作台只有一个使工件旋转的台面,即只有1个外部轴，没有倾斜功能。工作台上的转盘是由电机驱动的，可以无级变速。该工作台多用于焊接环形焊缝，即转盘带动工件旋转,机器人将焊枪定位在工件上方进行焊接。该类旋转工作台还可以设计为一种两工位的回转工作台，每次转1800，把工件轮流送到焊接区和下料区。通常采用圆形工作台面，驱动电机可通过分度机构驱动台面作分度转动，每次只转动30、45、60或90,此种工作台可以将固定在转盘周边的工件依次送入、送出焊接区。如把工件固定在转盘中心，则可将工件的不同侧面分别转向机器人以便焊接。,轴的回转工作台,2.4.3 二轴的旋转十倾翻变位机,旋转十倾翻变位机是在上述的旋(回)转工作台的基础上增加一个使转盘能倾斜的轴。该类变位机的旋转轴大多由伺服电机通过变速箱驱动，码盘反馈，闭环控制，可无级调速,可与机器人实现协调联动。倾斜轴有气缸驱动的也有电机驱动的，但气缸只能倾斜有限的几个选定角度，并用定位销锁定位置，而电机驱动的可实现无级定位。转盘可由电机驱动连续转动或通过分度机驱动作分度转动。该类2轴变位机可以使工件焊缝处于水平或船形位置。但一般最大倾斜的角度有限，一般只能向下倾斜90-120。这种变位机多用于重心较低、较短小的工件。,二轴的旋转+倾斜变位机,L型变位机,L型变位机克服了上述旋转十倾翻变位机的不足，L型变位机的倾斜轴布置在转盘的上方，倾斜时工件的重心以及处于倾斜轴附近的接缝的空间位置都不会有大的变动。因此，夹具、电机、变速箱都不需加大。工件还能作360(公转)的倾斜和360(自转)的旋转运动，故又称回转型2轴变位机。该类变位机使得机器人(通常布置在L型变位机的前方)焊枪的可达性良好,因而L型变位机的应用越来越多，该类变位机结构也出现了一些变种。,二轴的L型变位机,L型变位机的应用越来越多，该类变位机结构也出现了一些变种。如将两个旋转/倾斜变位机或两个L型变位机背靠背组合起来,并在其中间加一个公共的回转轴，这样形成了可5轴联动的变位机,该结构可使两个变位机能正反180回转，形成两个工位，轮流处在焊接位置和下料位置。后图为两个旋转倾斜变位机组成的5轴变位机。,双“旋转倾斜”(5轴)变位机,U型变位机,2.4.4 翻转变位机,翻转变位机是由头座和尾架组成，适用于长工件的翻转变位。一般由伺服电机驱动头座转盘，采用码盘反馈实现闭环控制，可以任意调速和定位。但也可通过分度机构驱动，翻转几个固定的位置。尾架的转盘轴一般是被动轴。通常头座、尾架之间用一个长方形框架连接起来，框架上装有固定工件的夹具。有时也可利用长工件本身来连接头尾座，但注意装配定位焊后工件要有足够的刚性和强度来传递扭矩,以便能正常运动。,翻转变位机,与L、U型(见图图7.3-9)变位机相比，翻转变位机可使机器人既能对工件的正面也能对工件的背面进行焊接。若将尾架可以安在一个滑轨上，则头、尾座的距离能随意调节，则该变位机允许焊件的长度有较大变化,若将一台旋转十倾斜变位机的转盘倾斜成垂直状态，作为头座，再配一个尾架，如后图所示,这种组合的翻转变位机更为灵活，组合起来可做翻转机，单独使用可做2轴变位机，只是投资稍高一些。,旋转+倾斜变位机和尾座组合的翻转变位机,2.4.5 复合型变位机,复合型变位机是上述几种变位形式的组合有各种各样的组织形式。2.4.5-1“H型”回转变位机 下图是一种H型回转变位机，它将两个较小的翻转变位机组合在一个H型架的两端，并在H型机架的中间加一个能回转正反1800的立轴,形成了3轴变位,这种H型回转变位机可适用于长工件，有两个工位，一个在焊接，一个在下料。,2.4.5.2“H型”翻转变位机,H型变位机的另一个变种是把回转轴由垂直改为倾斜，使H型机架由水平变为一头高一头低。低的一头方便操作人员装卸工件，机器人在高处进行焊接，更为安全，而且较宽的工件在高处也能有较大的空间翻转,见下图。,“H型”翻转变位机,可偏摆（5轴）“H型”回转变位机,另一种变形结构，即在H型机架的中间增加两个水平轴作偏摆运动(共5个轴)，使H型机架两端的翻转架能分别作上下偏摆，以便一些角焊缝能处于船形位置下焊接，如下图所示。,可偏摆（5轴）“H型”回转变位机,可偏摆（5轴）“H型”回转变位机,这种5轴可偏摆的H型翻转变位机也可以将H型机架安装成倾斜的，如图所示，使工件在高处进行焊接时，机架可以作更大角度的偏摆。,倾斜.可偏摆（5轴）“H型”回转变位机,3轴翻转的“H型”变位机,上述的H型回转变位机都有一个共同的问题，即机架回转时要划过一个很大的面积，不仅占地面积大，且容易出人身事故。为了克服这一缺点，开发了一种3轴翻转的H型翻转机(共)，如图所示。这种H型翻转机比较适合于焊接长度、宽度和重量都不很大的工件。,3轴翻转的“H型”变位机,2.4.5 搬运机器人变位机,进入90年代以来，由于机器人控制技术的发展和价格的降低，已经有将搬运机器人作为焊接变位机来使用的趋势。用搬运机器人作变位机使用，具有极好的灵活性、柔性和精度，比上述任何一种变位机都要好，价格也不太高。搬运机器人的负载能力大，可以将夹具和工件一同提起、运送和放下，而焊接机器人可选用比较小型的以降低设备成本。用搬运机器人作变位机容易实现双机器人的协调运动，可以更好地焊接复杂曲线的焊缝，使焊缝处于水平（船型）位置。采用搬运机器人变位机，若改焊另一种工件时，只需更换夹具(硬件)和机器人的程序(软件)，工作量小，耗时少，换型快。搬运机器人作变位机所用的夹具大多是比较简单的通用抓手，制造成本低。还可以充分发挥其搬运能力的作用，即可以从一处取来工件给机器人焊接，焊后把工件送到另一个位置，加快工件的输送和搬运的速度，也可节省工件输送设备的投资。,2.5 弧焊机器人运动装置的设计与选择,机器人或工件的运动装置可使机器人有更多的自由度和更好的可达性，加大了机器人的有效工作范围，方便了编程。以下介绍几种典型的弧焊机器人运动装置,滑轨,如图,滑轨是一种由电机驱动的滑座在轨道上直线移动的机械装置，用码盘反馈的闭环控制方法可使滑座能在轨道的任意位置精确定位。滑轨也可以用气缸驱动，但移动的距离比较短，只能有级定位在少数几个位置上，精度也较差。滑轨多用于机器人的移位，特别是工件较长或较宽，机器人的工作范围达不到的情况，滑轨是一种很好的解决方案。对较宽的工件，可以将两个滑轨相交组成十字交叉的形状，以扩大机器人在XY两个方向的工作空间。滑轨有时也用来移动工件，但这种应用情况比较少。,2.5-1 机器人滑轨,2.5.2 龙门机架,龙门机架是用来把机器人倒挂安装在其机架上的，并增加机器人在x轴(左右)、y轴(前后)、z轴(上下)方向的移动裕度。图7.3-16a、b分别为具有1个轴和3个轴的龙门机架。实际应用时应根据需要选择1个、2个或3个轴的龙门机架。龙门机架上3个轴都是由电机通过减速机和齿轮齿条驱动的，龙门机架具有和机器人基本一致的重复定位精度(0.10.2mm)。龙门机架的轴可以由它自己的控制柜单独控制，也可以由机器人的控制柜统一控制实现与机器人的协调运动。近来在国外的造船厂安装的大型焊接机器人工作站，其龙门机架还能沿轨道移动并精确定位(共4个轴)以扩大焊接机器人的工作范围，用于焊接船体的平面分段部件的纵横桁板。,2.5-2龙门机架,1轴龙门机架 b 3轴龙门机架,2.6 弧焊机器人工作站其他辅助装置,2.6.1 焊枪喷嘴的清理装置 一般CO2（MAG）焊有教大的飞溅，飞溅将逐部粘在焊枪的喷嘴和导电嘴上，即影响气体保护效果，也影响送丝的稳定性。因此，可根据飞溅的大小情况，每焊若干个工件后就得对喷嘴和导电嘴进行一次清理。弧焊机器人系统最好都要配备自动喷嘴清理装置。图7.3-17是一种喷嘴自动清理装置的工作过程示意图。,焊枪喷嘴清理装置及清理过程示意图,当机器人运行焊枪喷嘴清理子程序时，机器人将焊枪送到清理装置的上方(图中a，清理装置中的接近开关接到焊枪到位或接收到机器人控制柜发出的开始清理信号后，自动清理装置的气动夹钳将喷嘴夹紧（见b），清理飞溅的弹簧刀片开始升起并旋转（见c），一边高速旋转，一边慢慢伸入喷嘴内，将喷嘴和导电嘴表面粘附的飞溅颗粒刮下来。有的焊枪制造商还专门为弧焊机器人生产一种专用焊枪。这种焊枪增加一根通向喷嘴的高压气管。在弹簧刀片清理飞溅时及清理完毕后，从高压管向喷嘴里喷出一股高速气流，将喷嘴内的残留飞溅颗粒彻底清除（见d），喷嘴清理后，弹簧刀片下降（见e），气动夹钳松开（见f）。并发信号给控制柜，机器人将焊枪移到喷防飞溅油的喷嘴上方，用压缩空气把防飞溅油喷入喷嘴内。防飞溅油能减轻飞溅颗粒在喷嘴和导电嘴上的粘附牢度。,剪焊丝装置,配备剪焊丝装置是为了去掉焊丝端头上的小球保证引弧的一次成功率。目前大多数弧焊机器人所选用的焊接电源都具有熄弧时自动去除焊丝端头小球的功能。多数情况下，焊丝端头的小球在熄弧时已经没有大的小球，没有必要一定要配备剪丝装置。但如果机器人要利用焊丝的端头来进行接触寻位的话，焊丝的伸出长度必须保持一致，配备剪丝装置就很有必要的了(对于用焊枪喷嘴的外表面进行寻位的，可不必要求剪丝)。,上图是一种常用的剪丝装置。机器人运行剪丝子程序时，机器人将焊枪送到制定位置,焊枪和刀片相对位置固定,送丝机自动点送一段焊丝后，剪丝机自动将焊丝剪断，使每次剪后的焊丝伸出长度(干伸长)保持一致,均为预定长度(1525mm)。,夹具设计中应注意的问题,变位机一般都有几种固定的类型，当产品变化时，变位机一般变化不大，而夹具是根据具体的产品来设计的，一个产品一套夹具，更换产品则需更换夹具，夹具对整套焊接机器人工作站能否正常工作起重要的作用，但有时它的重要性又会被忽视，应引起足够的重视。,胎、夹具除了固定被焊工件使它在焊接后能满足尺寸公差和行位公差的要求外，还应满足自动化焊接的要求。机器人自动化焊接系统中所用的胎、夹具有其特殊性，在设计上和手工焊用夹具有较大的差别。设计者必须非常了解机器人运动的规律、具体产品焊接工艺的要求和整个工作站结构的特点，才能准确知道如何布置和设计夹具，保证焊枪以要求的姿态到达焊接区，保证焊枪、机器人手臂、夹具或工件等不会发生碰撞或干涉。焊接机器人工作站的生产节拍比手工操作要短得多，胎、夹具出现磨损或变形也自然加快，尤其是承受冲击载荷的部位损坏更为严重，因此，那些可能发生磨损或变形的部位应设计成能调整或更换的环节。设计人员有时会会忽视胎、夹具承受动载荷的问题，例如装卸工件时的锤击、工件放入胎、夹具时的冲击、工件被卡在胎具里橇拔取出等，这些未被考虑的动载荷有时可能超出胎、夹具甚至变位机本身的承受能力，使其受到损伤。此外双工位工作时，一般一工位焊接，另一工位上下料，则应考虑上下料的振动对焊接过程和夹具的影响。,1 技术内涵及项目研究总体设计,在筒体和固定套之间安装钨环、钨柱、钨珠或刻槽等工艺方式，在发射爆破后稳定形成数百颗以上飞片（弹珠等）形成大面积杀伤。,1.1 基本情况,1 技术内涵及项目研究总体设计,1.1 基本情况,