焊接机器人精.docx
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焊接机器人精
1概述
1．1新一代自动焊接的手段
工业机器人作为现代制造技术发展的重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同。
并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要影响。
从1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，根据国际机器人协会截止到1996年底的统计，先后已有84万台，现有大约68万台工业机器人服役于世界各国的工业界。
预计到2000年，工业机器人总数将超过95万台。
我国工业机器人的发展起步较晚，但从20世纪80年代以来进展较快，1985年研制成功华字型弧焊机器人，1987年研制成功上海1号、2号弧焊机器人，1987年又研制成功华字型点焊机器人，都已初步商品化，可小批量生产。
1989年，我国以国产机器人为主的汽车焊接生产线的投入生产，标志着我国工业机器人实用阶段的开始。
焊接机器人是应用最广泛的一类工业机器人，在各国机器人应用比例中大约占总数的40％～60％。
我国目前大约有600台以上的点焊、弧焊机器人用于实际生产。
采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化新方式。
刚性自动化焊接设备一般都是专用的，通常用于中、大批量焊接产品的自动化生产，因而在中、小批量产品焊接生产中，焊条电弧焊仍是主要焊接方式，焊接机器人使小批量产品的自动化焊接生产成为可能。
就目前的示教再现型焊接机器人而言，焊接机器人完成一项焊接任务，只需人给它做一次示教，它即可精确地再现示教的每一步操作，如要机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。
因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若干种焊件。
焊接机器人的主要优点如下：
1）易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；
2）提高生产率，一天可24h连续生产；
3）改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作：
4）降低对工人操作技术难度的要求；
5）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；
6）可实现小批量产品焊接自动化；
7）为焊接柔性生产线提供技术基础。
1．2工业机器人定义和分代概念
关于工业机器人的定义尚未统一，目前联合国标准化组织采用的美国机器人协会的定义如下：
工业机器人是一种可重复编程和多功能的、用来搬运物料、零件、工具的机械手，或能执行不同任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统，这个定义不能概括工业机器人的今后发展，但可说明目前工业机器人的主要特点。
工业机器人的发展大致可分为三代。
第一代机器人，即目前广泛使用的示教再现型工业机器人，这类机器人对环境的变化没有应变或适应能力。
第二代机器人，即在示教再现机器人上加感觉系统，如视觉、力觉、触觉等。
它具有对环境变化的适应能力，目前已有部分传感机器人投入实际应用。
第三代机器人，即智能机器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。
目前尚处实验室研究阶段。
1．3工业机器人主要名词术语
1）机械手（Manipulator）也可称为操作机。
具有和人臂相似的功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。
2）驱动器（Actuator）将电能或流体能转换成机械能的动力装置旷
3）末端操作器（EndEffector）位于机器人腕部末端、直接执行工作要求的装置。
如夹持器、焊枪、焊钳等。
4）位姿（Pose）工业机器人末端操作器在指定坐标系中的位置和姿态。
5）工作空间（WorkingSpace）工业机器人执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。
6）机械原点（MechanicalOrigin）工业机器人各自由度共用的，机械坐标系中的基准点。
7）工作原点（WorkOrigin）工业机器人工作空间的基准点。
8）速度（Velocity）机器人在额定条件下，匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。
9）额定负载（Ratedload）工业机器人在限定的操作条件下，其机械接口处能承受的最大负载（包括末端操作器），用质量或力矩表示。
10）重复位姿精度（PoseRepeatability）工业机器人在同一条件下，用同一方法操作时，重复／t次所测得的位姿一致程度。
11）轨迹重复精度（PathRepeatability）工业机器人机械接口中心沿同一轨迹跟随／x次所测得的轨迹之间的一致程度。
12）点位控制（PointToPointContr01）控制机器人从一个位姿到另一个位姿，其路径不限。
13）连续轨迹控制（ContinuousPathContr01）控制机器人的机械接口，按编程规定的位姿和速度，在指定的轨迹上运动。
14）存储容量（MemoryCapacity）计算机存储装置中可存储的位置、顺序、速度等信息的容量，通常用时间或位置点数来表示。
15）外部检测功能（ExternalMeasuringAbility）机器人所具备对外界物体状态和环境状况等的检测能力。
16）内部检测功能（InternalMeasuringAbility）机器人对本身的位置、速度等状态的检测能力。
17）自诊断功能（SelfDiagnosisAbility）机器人判断本身全部或部分状态是否处于正常的能力。
2工业机器人工作原理及其基本构成
2．1工业机器人工作原理
现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。
示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数＼工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。
完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。
这就是示教与再现。
实现上述功能的主要工作原理，简述如下：
（1）机器人的系统结构一台通用的工业机器人，按其功能划分，一般由3个相互关连的部分组成：
机械手总成、控制器、示教系统，如图1所示。
机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成。
它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。
图1工业机器人的基本结构
控制器是机器人的神经中枢。
它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。
示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。
（2）机器人手臂运动学机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器（如焊枪），在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。
因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。
一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。
机器人手臂运动学中有两个基本问题。
1）对给定机械臂，己知各关节角矢量g（f）=[gl（t），g2（t），......gn（i）]'，其中n为自由度。
求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。
在机器人示教过程中。
机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。
2）对给定机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。
在机器人再现过程中，机器人控制器即逐点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。
运动学正问题的运算都采用D-H法，这种方法采用4X4齐次变换矩阵来描述两个相邻刚体杆件的空间关系，把正问题简化为寻求等价的4X4齐次变换矩阵。
逆问题的运算可用几种方法求解，最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法ob在此不作具体介绍，可参考文献[1]。
对于高速、高精度机器人，还必须建立动力学模型，由于目前通用的工业机器人（包括焊接机器人）最大的运动速度都在3m／s内，精度都不高于O.1mm，所以都只做简单的动力学控制，动力学的计算方法可参考文献正[1～3]。
（3）机器人轨迹规划机器人机械手端部从起点（包括，位置和姿态）到终点的运动轨迹空间曲线叫路径，轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动。
目前常用的轨迹规划方法有关节变量空间关节插值法和笛卡尔空间规划两种方法。
具体算法可参考文献[1，4]。
（4）机器人机械手的控制当一台机器人机械手的动态运动方程已给定。
它的控制目的就是按预定性能要求保持机械手的动态响应。
但是由于机器人机械手的惯性力、耦合反应力和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要对它进行高精度乙斗高速、高动态晶质的控制是相当复杂而困难的，现在正在为此研究和发展许多新的控制方法。
目前工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。
每个关节都有两个伺服环，机械手伺服控制系统见图2外环提供位置误差信号，内环由模拟器件和补尝器（具有衰减速度的微分反馈）组成，两个伺服环的增益是固定不变的。
因此基本上是一种比例积分微分控制方法（PID法）。
这种控制方法，只适用于目前速度、精度要求不高和负荷不大的机器人控制，对常规焊接机器人来说，已能满足要求[1]。
图2机械手伺服控制体系结构
（5）机器人编程语言机器人编程语言是机器人和用户的软件接口，编程语言的功能决定了机器人的适应性和给用户的方便性，至今还没有完全公认的机器人编程语言，每个机器人制造厂都有自己的语言。
实际上，机器人编程与传统的计算机编程不同，机器人操作的对象是各类三维物体，运动在一个复杂的空间环境，还要监视和处理传感器信息。
因此其编程语言主要有两类：
面向机器人的编程语言和面向任务的编程语言。
面向机器人的编程语言的主要特点是描述机器人的动作序列，每一条语句大约相当于机器人的一个动作，整个程序控制机器入完种：
1）专用的机器人语言，如PUMA机器人的VAL语言，是专用的机器人控制语言，它的最新版本是VAL-I和V+·······。
2）在现有计算机语言的基础上加机器人子程序库。
如美国机器人公司开发的AR—Basic和Intelledex公司的Robot—Basic语言，都是建立在BASIC语言上的。
3）开发一种新的通用语言加上机器人子程序库。
如IBM公司开发的AML机器人语言。
面向任务的机器人编程语言允许用户发出直接命令，以控制机器人去完成一个具体的任务，而不需要说明机器人需要采取的每一个动作的细节。
如美国的RCCL机器人编程语言，就是用C语言和一组C函数来控制机器人运动的任务级机器人语言。
焊接机器人的编程语言，目前都属于面向机器人的语言，面向任务的机器人语言尚属开发阶段。
大都是针对装配作业的需要。
2．2工业机器人的基本构成
工业机器人的基本构成，可参见图3和图4。
图3为一台电动机驱动的工业机器人，图4为一台液压驱动的工业机器人。
焊接机器人基本上都属于这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg以内。
点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。
也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。
工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒4个基本部分构成。
对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：
（1）机械手机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器（如焊枪飞点焊钳）实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。
现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下3种：
1）机床式这种机械手结构类似机床。
其达到空间位置的3个运动（x\y＼z）是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，如图5所示，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。
简易和专用焊接机器人常采用这种形式。
图3电动机驱动工业机器人
图4液压机驱动工业机器人
2）全关节式这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，图6为正置式全关节机械手，图7为偏置式全关节机械手。
这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。
其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。
偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。
目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。
图5机床式机械手
3）平面关节式这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。
这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用，又称为SCARA型机械手，如图8所示。
机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。
现以美国PUMA机械手为例来简述其内部机构，见图9。
它是由机座、大臂、小臂、手腕4部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有3个旋转关节：
腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。
手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。
每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是4种方式：
齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。
传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。
其技术关键是要保证传动双向无间隙（即正反传动均无间隙），这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。
图6正置式全关节机械手 图7偏置式全关节机械手
图8平面关节机械手 图9PUMA机械手机构
（2）驱动器由于焊接机器人大多采用伺服电动机驱动，这里只介绍这类驱动器。
工业机器人目前采用的电动机驱动器可分为4类：
1）步进电动机驱动器它采用步进电动机，特别是细分步进电动机为驱动源，由于这类系统一般都是开环控制，因此大多用于焙席较低的经济型工业机9S人。
2）直流伺服电动机系统它采用直流伺服电动机系统，由于它能实现位置、速度、加速度3个闭环控制。
精度高、变速范围大、动态性能好。
因此，是目前工业机器人的主要驱动方式。
3）交流电动机伺服系统驱动器它采用交流伺服电动机系统，这种系统具有直流伺服系统的全部优点，而且取消了换相炭刷，不需要定期更换碳刷，大大延长了机器人的维修周期。
因此，正在机器人中推广采用。
4）直接驱动电动机驱动器这是最新发展的机器人驱动器，直接驱动电动机有大于1万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可直接驱动关节，取消了减速机构，简化了机构又提高了效率，是机器人驱动的发展方向，美国的Adapt机器人是直接驱动机器人。
工业机器人的驱动器布置都采用一个关节一个驱动器。
一个驱动器的基本组成为：
电源、功率放大板、伺服控制板、电机、测角器、测速器和制动器。
它的功能不仅能提供足够的功率驱动机械手各关节，而且要实现快速而频繁起停，精确地到位和运动。
因此必须采用位置闭环、速度闭环、加速度闭环。
为了保护电动机和电路，还要有电流闭环。
为适应机器人的频繁起停和高的动态品质要求，一般都采用低惯量电动机，因此，机器人的驱动器是一个要求很高的驱动系统。
为了实现上述3个运动闭环，在机械手驱动器中都装有高精度测角、测速传感器。
测速传感器一般都采用测速发电机，测角传感器一般都采用精密电位计或光电码盘，尤其是光电码盘。
图10是它的原理图。
光电码盘与电动机同轴安装，在电动机旋转时，带有细分刻槽的码盘同速旋转，固定光源射向光电管的光束则时通时断，因而输出电脉冲。
实际的码盘是输出两路脉冲，由于在码盘内布置了两对光电管，它们之间有一定角度差，因此两路脉冲也有固定的相位差，电动机正反转时，其输出脉冲的相位差不同，从而可判断电动机的旋转方向。
机器个以上脉冲。
（3）控制器机器人控制器是机器人的核心部件，它实施机器人的全部信息处理和对机械手的运动控制。
图11是控制器的工作原理图。
工业机器人控制器大多采用二级计算机结构，虚线框内为第一级计算机，它的任务是规划和管理。
机器人在示教状态时，接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教（关节）坐标值转换成直角坐标值，存入计算机内存。
图10光电码盘原理图
图11控制器工作原理图
机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的时间节拍（又称采样周期）对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。
然后逐点的把各插补点的位置和姿态坐标值转换成关节坐标值，分送至各个关节。
这就是第一级计算机的规划全过程。
第二级计算机是执行计算机，它的任务是进行伺服电动机闭环控制。
它接收了第一级计算机送来的各关节下一步预期达到的位置和姿态后，又做一次均匀细分，以求运动轨迹更为平滑。
然后将各关节的下一细步期望值逐点送给驱动电动机，同时检测光电码盘信号，直到其准确到位。
以上均为实时过程，上述大量运算都必须在控制过程中完成。
以PUMA机器人控制器为例，第一级计算机的采样周期为28ms，即每28ms向第二级计算机送一次各关节的下一步位置和姿态的关节坐标，第二级计算机又将各关节值等分30细步，每0.875ms向各关节送一次关节坐标值。
（4）示教盒示教盒是人对机器人示教的人机交互接口，目前人对机器人示教有3种方式：
1）手把手示教又称全程示教，即由人握住机器人机械臂末端，带动机器人按实际任务操作一遍。
在此过程中，机器人控制器的计算机逐点记下各关节的位置和姿态值，而不作坐标转换，再现时，再逐点取出，这种示教方式需要很大的计算机内存、而且由于机构的阻力，示教精度不可能很高。
目前只用在喷漆、喷涂机器人上。
2）示教盒示教即由人通过示教盒操纵机器人进行示教，这是最常用的机器人示教方式，目前焊接机器人都采用这种方式。
3）离线编程示教即无需人操作机器人进行现场示教，而可根据图样，在计算机上进行编程，然后输给机器人控制器。
它具有不占机器人工时，便于优化和更为安全的优点，所以是今后发展的方向。
图12为ESAB焊接机器人的示教盒，它通过电缆与控制箱连接，人可以手持示教盒在工件附近最直观的位置进行示教。
示教盒本身是一台专用计算机，它不断扫描盒上的功能和数字键、操纵杆，并把信息和命令送给控制器。
各厂家的机器人示教盒都不相同，但其追求的目标都是为方便操作者。
图12焊接机器人的示教盒
示教盒上的按键主要有3类：
1）示教功能键如示教／再现、存入删除修改、检查、回零、直线插补、圆弧插补等，为示教编程用。
2）运动功能键如刀向动、y向动、z向动、正／反向动、1～6关节转动等，为操纵机器人示教用。
3）参数设定键如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等。
3点焊机器人
3．1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：
改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量：
提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。
今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱。
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。
具体来说有：
安装面积小，工作空间大：
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）：
定位精度高（±0．25mm），以确保焊接质量：
持重大（300～1000N），以便携带内装变压器的焊钳；示教简单，节省工时；安全可靠性好。
表1列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。
在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电动机驱动方向过渡，随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面日新月异；在机型方面，尽管主流仍是多用途的大型6轴垂直多关节机器人，但是，出于机器人加工单元的需要，一
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