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焊接机器人概述

2005/3/18    来源:中国机械网        
关键字:机器人  焊接  

    焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。根据国际标准化组织(ISO)工业机器人术语标准的定义,工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator),具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。为了适应不同的用途,机器人最后一个轴的机械接口,通常是一个连接法兰,可接装不同工具或称末端执行器。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。
   
    1. 焊接机器人的组成 

    焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备,以弧焊及点焊为例,则由焊接电源,(包括其控制系统)、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统,如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。
   
    2.焊接用机器人的主要结构形式及性能     

    世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节式机器人,绝大部分有6个轴。其中,1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置,而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式:一种为平行四边形结构,一种为侧置式(摆式)结构,如图2a、b所示。侧置式(摆式)结构的主要优点是上、下臂的活动范围大,使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此,这种机器人可倒挂在机架上工作,以节省占地面积,方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人,2、3轴为悬臂结构,降低机器人的刚度,一般适用于负载较小的机器人,用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小(局限于机器人的前部),难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人,已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部,又没有测置式机器人的刚度问题,从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人(负载100~150kg)大多选用平行四边形结构形式的机器人。
   
    上述两种机器人各个轴都是作回转运动,故采用伺取电机通过摆线针轮(RV)减速器(1~3轴)及谐波减速器(1~6轴)驱动。在80年代中期以前,对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机,而80年代后期以来,各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷,动特性好,使新型机器人不仅事故率低,而且免维修时间大为增长,加(减)速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点(TCP)的最高运动速度可达3m/s以上,定位准确,振动小。同时,机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法,使之具有自行优化路径的功能,运行轨迹更加贴近示教的轨迹,如图3所示。 

    3、点焊机器人的特点
   
    (1)点焊机器人的基本功能   点焊对所用的机器人的要求是不很高的。因为点焊只需点位控制,至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。这也是机器人最早只能用于点焊的原因。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,提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力,取决于所用的焊钳形式。对于用与变压器分离的焊钳,30~45kg负载的机器人就足够了。但是,这种焊钳一方面由于二次电缆线长,电能损耗大,也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接;另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动,电缆的损坏较快。因此,目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力,能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接,一般都选用100~150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能,微机的运算速度和算法都提出更高的要求。 

    (2)点焊机器人的焊接装备   点焊机器人的焊接装备,由于采用了一体化焊钳,焊接变压器装在焊钳后面,所以变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器可以用50Hz工频交流,而对于容量较大的变压器,已经开始采用逆变技术把50Hz工频交流变为600~700Hz交流,使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600~700Hz交流电焊接,也可以再进行二次整流,用直流电焊接。焊接参数由定时器调节,参见图1b。新型定时器已经微机化,因此机器人控制柜可以直接控制定时器,无需另配接口。点焊机器人的焊钳,通常用气动的焊钳,气动焊钳两个电极之间的开口度一般只有两级冲程。而且电极压力一旦调定后是不能随意变化的。近年来出现一种新的电伺服点焊钳,如图4所示。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动,码盘反馈,使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。这种新的电伺服点焊钳具有如下优点:
      1)每个焊点的焊接周期可大幅度降低,因为焊钳的张开程度是由机器人精确控制的,机器人在点与点之间的移动过程、焊钳就可以开始闭合;而焊完一点后,焊钳一边张开,机器人就可以一边位移,不必等机器人到位后焊钳才闭会或焊钳完全张开后机器人再移动;
      2)焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整,只要不发生碰撞或干涉尽可能减少张开度,以节省焊钳开度,以节省焊钳开合所占的时间。
      3)焊钳闭合加压时,不仅压力大小可以调节,而且在闭合时两电极是轻轻闭合,减少撞击变形和噪声。
   
    4、弧焊机器人的特点
   
    (1)弧焊用机器人的基本功能   弧焊过程比点焊过程要复杂得多,工具中心点(TCP),也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。所以,弧焊用机器人除了前面所述的一般功能外,还必须具备一些适合弧焊要求的功能。
    虽然从理论上讲,有5个轴的机器人就可以用于电弧焊,但是对复杂形状的焊缝,用5个轴的机器人会有困难。因此,除非焊缝比较简单,否则应尽量选用6轴机器人。
    弧焊机器人除前面图2提及的在作“之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接时,其轨迹应能贴近示教的轨迹之外,还应具备不同摆动样式的软件功能,供编程时选用,以便作摆动焊,而且摆动在每一周期中的停顿点处,机器人也应自动停止向前运动,以满足工艺要求。此外,还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。
   
    (2)弧焊机器人用的焊接设备   弧焊机器人多采用气体保护焊方法(MAG、MIG、TIG),通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等的焊接电源都可以装到机器人上作电弧焊。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。近年来,国外机器人生产厂都有自己特定的配套焊接设备,这些焊接设备内已经播人相应的接口板、所以在图1a中的弧焊机器人系统中并没有附加接口箱。应该指出,在弧焊机器人工作周期中电弧时间所占的比例较大,因此在选择焊接电源时,一般应按持续率100%来确定电源的容量。
    送丝机构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,而后者软管校长,当机器人把焊枪送到某些位置,使软管处于多弯曲状态,会严重影响送丝的质量。所以送丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的问题。

责任编辑:林卿
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