焊接機(jī)器人的控制原理及應(yīng)用

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焊接機(jī)器人的控制原理及應(yīng)用 焊接機(jī)器人是一種高度自動(dòng)化的焊接設(shè)備，是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了焊接剛性自動(dòng)化傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動(dòng)化新方式。在大三上學(xué)期的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)過程中，已經(jīng)在長(zhǎng)力機(jī)械廠有所接觸。焊接機(jī)器人采用機(jī)器人代替手工焊接作業(yè)是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。機(jī)器人焊接作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志己被國(guó)內(nèi)許多工廠所接受，并且越來越多的企業(yè)首選焊接機(jī)器人作為技術(shù)改造的方案。 一、我國(guó)焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷史 焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展我國(guó)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國(guó)和日本，起于20世紀(jì)70年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國(guó)沒有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世。而在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，國(guó)家“七五”攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)列入了計(jì)劃，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機(jī)器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國(guó)機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。 與此同時(shí)于1986年將發(fā)展機(jī)器人列入國(guó)家"863"高科技計(jì)劃。在國(guó)家"863"計(jì)劃實(shí)施五周年之際，鄧小平同志提出了"發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化"的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展的推動(dòng)下，以及對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究的技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時(shí)對(duì)主攻方向進(jìn)行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國(guó)家"八五"和"九五"中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國(guó)家的組織和支持下，我國(guó)焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 二、焊接機(jī)器人的組成 常規(guī)的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)由以下5部分組成。 1、 機(jī)器人本體，一般是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 6 軸關(guān)節(jié)式操作機(jī)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證機(jī)械手末端（悍槍）所要求的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。 2、 機(jī)器人控制柜，它是機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路，負(fù)責(zé)處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。 3、 焊接電源系統(tǒng)，包括焊接電源、專用焊槍等。 4、 焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)施。 5、 焊接工裝夾具。 三、焊接機(jī)器人工作站的工作原理　　 焊接機(jī)器人工作站正常運(yùn)行的中樞是其控制柜中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。焊接機(jī)器人工作站通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)焊接環(huán)境、焊縫跟蹤及焊接動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行智能傳感，根據(jù)傳感信息對(duì)各種復(fù)雜的空間曲線焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制，從而控制焊槍能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)劃軌跡運(yùn)行，并對(duì)焊接動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制。由于焊接工藝、焊接環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，焊接機(jī)器人工作站在實(shí)施焊接前，應(yīng)配備其焊接路徑和焊接參數(shù)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。該軟件要對(duì)焊縫空間的連續(xù)軌跡、焊接運(yùn)動(dòng)的無碰路徑及焊槍姿態(tài)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并根據(jù)焊接工藝來優(yōu)化焊接參數(shù)。 四、焊接機(jī)器人使用過程中的安全要求 焊接機(jī)器人能夠代替人類在危險(xiǎn)、有害的惡劣環(huán)境中作業(yè)，同時(shí)又帶來了另一種潛在的危險(xiǎn)，即機(jī)器人傷人事故。為此，在焊接機(jī)器人在線運(yùn)行時(shí)，絕對(duì)不能有人進(jìn)入其運(yùn)動(dòng)安全范圍所在區(qū)域，并且其運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)應(yīng)該保證無干涉，這是焊接機(jī)器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意焊接機(jī)器人的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對(duì)策。例如現(xiàn)在我們正在使用的安全措施： 1、 為焊接機(jī)器人及其周邊設(shè)備安裝安全防護(hù)欄，以防止有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域造成意外傷害； 2、 在安全護(hù)欄入口的安全門上設(shè)置插拔式電接點(diǎn)開關(guān)，該開關(guān)與焊接機(jī)器人的安全回電路相連接，一旦安全門打開，機(jī)器人控制器將切斷機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源，機(jī)器人立即停止運(yùn)動(dòng)； 3、 在距焊接機(jī)器人所在工位最近的地方，安裝多個(gè)緊急停止開關(guān)，一旦發(fā)生緊急或危險(xiǎn)情況，工作人員可以就近按下急停，讓機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)； 4、 示教作業(yè)時(shí)降低焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，并由經(jīng)過專業(yè)技術(shù)操作培訓(xùn)的人員進(jìn)行示教； 5、 焊接機(jī)器人安全電路與生產(chǎn)線安全電路聯(lián)為一體，當(dāng)生產(chǎn)線遇到緊急情況時(shí)，生產(chǎn)工人可以按下該線上任何工位的緊急停止開關(guān)，讓機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)； 五、焊接機(jī)器人的應(yīng)用 我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等行業(yè)。汽車是焊接機(jī)器人的最大用戶，也是最早的用戶，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%。在汽車行業(yè)中，點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人的比例為3：2，而其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主。20世紀(jì)90年代以來，先進(jìn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備及工藝裝備的引進(jìn)使我國(guó)的汽車制造水平訊速提高到規(guī)?；a(chǎn)，國(guó)外焊接機(jī)器人大量進(jìn)入中國(guó)。我國(guó)的焊接裝備水平、前后道工序設(shè)備的制造水平及系統(tǒng)集成能力與國(guó)外仍然存在很大差距，這直接制約了機(jī)器人在國(guó)內(nèi)其它行業(yè)的發(fā)展。 六、焊接機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)分析 1.機(jī)器人與焊接設(shè)備共同發(fā)展 焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)、焊接技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的融合，焊接機(jī)器人能否在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)越性，取決于這幾方面技術(shù)的共同提高，而系統(tǒng)工程技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)和焊接技術(shù)的粘合劑。以安川電機(jī)的MOTOMAN機(jī)器人為例，過去幾代機(jī)器人的發(fā)展都是圍繞焊接設(shè)備完成多項(xiàng)焊接專用功能的開發(fā)，如焊接參數(shù)的漸變調(diào)節(jié)功能、TIG焊接時(shí)利用擺焊同步技術(shù)進(jìn)行的斷續(xù)填絲焊接功能、弧焊?jìng)鞲衅鳎娀「櫍┕δ芗昂附訉?shí)時(shí)監(jiān)控功能等，都是焊接工藝的需求促使下的開發(fā)。 同樣地，焊接設(shè)備制造商為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接，在焊接電源的設(shè)計(jì)上也做了許多改進(jìn)，如、機(jī)器人可檢出焊縫位置使用的高電壓，焊接電源做到了內(nèi)置；與機(jī)器人的通信接口方面，現(xiàn)在許多焊機(jī)制造商都采用了方便快捷的通信接口。 2. 焊接機(jī)器人提高精度 企業(yè)在生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)器人意味著追求高效率、高焊接質(zhì)量，因此各機(jī)器人廠家都在焊接速度上尋求突破，而機(jī)器人在軌跡控制上的高精度是高速焊接的可靠保證。 MOTOMAN機(jī)器人在新一代控制器NX100中，應(yīng)用ARM（Advanced Robot Motion）控制技術(shù)將各軸的慣性矩、重力矩、機(jī)器人安裝位置等因素納入運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算，大大提高了運(yùn)動(dòng)軌跡的精度。如，在焊接工作站中，我們會(huì)遇到各種機(jī)器人安裝形式（如圖1a），在每種安裝方式中，機(jī)器人各軸所受的重力矩各不相同，我們只要在ARM控制中正確地設(shè)置機(jī)器人對(duì)地面的角度，就會(huì)克服各種安裝方式對(duì)軌跡精度造成的不利影響。 3.雙機(jī)協(xié)調(diào)焊接功能 有時(shí)我們會(huì)遇到長(zhǎng)形工件，焊縫分布在工件的兩端，若采用1臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行焊接，會(huì)出現(xiàn)因兩端不同時(shí)焊接而造成焊接變形不一致，從而使工件在長(zhǎng)度方向上扭轉(zhuǎn)變形，焊接后的工件難以符合尺寸要求。針對(duì)這種類型的工件，我們常采用2臺(tái)機(jī)器人同時(shí)協(xié)調(diào)焊接的方式，這就促生了兩臺(tái)機(jī)器人雙機(jī)協(xié)調(diào)焊接技術(shù)。在汽車后橋和消聲器的焊接中，經(jīng)常會(huì)使用到該項(xiàng)技術(shù)。 此外，焊接機(jī)器人的實(shí)用功能還有很多，并已經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，為提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量帶來了明顯的效果。同時(shí)，每個(gè)機(jī)器人廠家對(duì)各種功能的開發(fā)也各有特點(diǎn)，可以說，在這個(gè)舞臺(tái)上，各種各樣的先進(jìn)技術(shù)始終在不斷涌現(xiàn)，異彩紛呈。 七、焊接機(jī)器人的發(fā)展展望 在新的歷史時(shí)期，面對(duì)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊機(jī)機(jī)器人設(shè)備；另一方面，仍然通過引進(jìn)和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)上的地位。