為實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確地焊接,需要組建焊接機(jī)器人系統(tǒng)滿足上述要求,典型焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成，主要由幾部分組成:機(jī)器人操作機(jī)(或稱本體、機(jī)械臂)、機(jī)器人固定或移動(dòng)裝置、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的安全設(shè)備等。
1、機(jī)器人操作機(jī)
機(jī)器人操作機(jī)是焊接機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它與一般的工業(yè)機(jī)器人組成相同,是由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器(編碼盤)等組成。它的任務(wù)是精 確地保證末端執(zhí)行器的位姿、速度等運(yùn)動(dòng)要求。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人完成工作任務(wù)的機(jī)械實(shí)體。一般為“機(jī)械臂+末端執(zhí)行器”。在焊接操作中,末端執(zhí)行器為焊槍或焊鉗,用于完成焊接作業(yè)。
機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器可以是電機(jī)(如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī))、氣缸、液壓缸和新型驅(qū)動(dòng)器。而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是諧波傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)、各種齒輪傳動(dòng)及液力傳動(dòng)等。
由于具有6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的鉸接開鏈?zhǔn)綑C(jī)器人操作機(jī)從運(yùn)動(dòng)學(xué)上已被證明能以最 小的結(jié)構(gòu)尺寸為代價(jià)獲取最 大的運(yùn)動(dòng)空間,并且能以較高的位置精度和最 優(yōu)的路徑到達(dá)指定位置,因而這種類型的機(jī)器人操作機(jī)在焊接領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。
21世紀(jì)初,陸續(xù)有一些機(jī)器人廠家針對(duì)焊接用途,對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了改進(jìn),使之更適應(yīng)焊接需求。比較有代表性的改進(jìn)包括焊槍電纜內(nèi)置、增加自由度數(shù)量等。
(1)焊槍電纜內(nèi)置:是將第四軸和第六軸設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu),將焊槍電纜布置于其中,送絲機(jī)安裝在第四軸的后方。電纜內(nèi)置后,消除了焊槍電纜與工件和周邊設(shè)備的干涉;焊槍能夠360旋轉(zhuǎn),更加容易實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部的焊接、連續(xù)焊接和圓周焊接等;同時(shí),送絲穩(wěn)定性提高,焊接質(zhì)量得到保障。
(2)7自由度焊接機(jī)器人：為了進(jìn)一步增加機(jī)器人的靈活性，出現(xiàn)了7自由度焊接機(jī)器人，使結(jié)構(gòu)更加緊湊、動(dòng)作干涉區(qū)間大幅度減小，可以在狹小空間內(nèi)自由靈活地動(dòng)作。機(jī)器人能夠進(jìn)行各種干涉的避障，在復(fù)雜工作環(huán)境下有效作業(yè)。
2、機(jī)器人固定或運(yùn)動(dòng)裝置
為更好地利用機(jī)器人的工作區(qū)間,合理放置機(jī)器人是非常有必要的?？梢岳玫鬃?、導(dǎo)軌、龍門架等方式安裝機(jī)器人。
(1) 底座是一個(gè)支架,把機(jī)器人安裝在一個(gè)合適的高度上,獲得更好的工作范圍,合理利用空間,提高工具操作的靈活性。
(2)也可以將機(jī)器人安裝在導(dǎo)軌上(導(dǎo)軌上也可以繼續(xù)安裝底座),導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí),機(jī)器人跟隨移動(dòng),可進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
(3)也可以將機(jī)器人進(jìn)行壁掛式安裝和懸掛式安裝,以進(jìn)一步提高機(jī)器人系統(tǒng)的空間利用率。懸掛式安裝可以安裝到支架或龍門架上。
3、變位機(jī)
變位機(jī)作為機(jī)器人焊接生產(chǎn)線及焊接柔性加工單元的重要組成部分,其作用是將被焊工件旋轉(zhuǎn)(平移)到最 佳的焊接位置。在焊接作業(yè)前和焊接過程中,變位機(jī)通過夾具來裝卡和定位被焊工件,對(duì)工件的不同要求決定了變位機(jī)的負(fù)載能力及其運(yùn)動(dòng)方式。
為使機(jī)器人操作機(jī)能充分發(fā)揮效能,焊接機(jī)器人系統(tǒng)通常使用兩臺(tái)變位機(jī)。當(dāng)在其中一臺(tái)變位機(jī)上進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí),另一臺(tái)則完成工件的上裝和卸載,從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得最 高的費(fèi)用效能比。
4、機(jī)器人控制器
機(jī)器人控制器是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中 樞,它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件及一些專用電路組成。其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷及自保護(hù)軟件等。控制器負(fù)責(zé)處理焊接機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。所有現(xiàn)代機(jī)器人的控制器都是基于多處理器,根據(jù)操作系統(tǒng)的指令,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組件的驅(qū)動(dòng)及協(xié)調(diào)控制。
5、焊接系統(tǒng)
焊接系統(tǒng)是焊接機(jī)器人完成焊接作業(yè)的核心裝備。其主要由焊鉗(點(diǎn)焊機(jī)器人)或焊槍(弧焊機(jī)器人)、焊接電源及其控制器、水電氣等輔助部分組成。焊接控制器是由微處理器及部分外圍接口芯片組成的控制系統(tǒng),它可以根據(jù)預(yù)定的焊接監(jiān)控程序,完成焊接參數(shù)輸人、焊接程序控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷,并實(shí)現(xiàn)與本地計(jì)算機(jī)及示教器的通信聯(lián)系。用于焊接機(jī)器人的焊接電源和送絲機(jī)必須由機(jī)器人控制器直接控制,或通過PLC協(xié)調(diào)控制,電源在其功率和接通時(shí)間上必須與自動(dòng)過程相匹配。
6、焊接傳感器
在焊接過程中,盡管機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、裝卡設(shè)備和工具能達(dá)到很高的精度,但由于存在被焊工件幾何尺寸和位置誤差,以及焊接過程熱輸人引起的工件變形,傳感器仍是焊接過程中(尤其是焊接大厚工件時(shí))不可缺少的設(shè)備。傳感器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)工件坡口的 定位、焊縫跟蹤以及焊縫熔透信息的獲取。工件坡口的定位主要是采用接觸傳感器; 焊縫的定位采用焊縫跟蹤傳感器,主要有電弧傳感式和激光視覺傳感式;焊縫熔透控制目前還處于科研階段,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以采用相應(yīng)傳感器對(duì)焊接電流、電弧電壓測(cè)量并監(jiān)控。
7、中央控制計(jì)算機(jī)
中央控制計(jì)算機(jī)在工業(yè)機(jī)器人向系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。通過串行接口或其他網(wǎng)絡(luò)通信接口(如CAN口)與機(jī)器人控制器相連接,中央控制計(jì)算機(jī)主要用于在同一層次或不同層次的計(jì)算機(jī)形成通信網(wǎng)絡(luò),同時(shí)與傳感系統(tǒng)相配合,實(shí)現(xiàn)焊接路徑和參數(shù)的離線編程、焊接專家系統(tǒng)的應(yīng)用及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理。
8、示教器
示教器是一種手持式操作裝置,用于執(zhí)行與操作機(jī)器人系統(tǒng)有關(guān)的許多任務(wù),如手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人TCP點(diǎn),編制、修改、運(yùn)行機(jī)器人程序等。示教器可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下持續(xù)運(yùn)作,目前很多示教器采用觸摸屏進(jìn)行操作,其觸摸屏應(yīng)易于清潔,且防水、防油、防飛濺等。
1、機(jī)器人操作機(jī)
機(jī)器人操作機(jī)是焊接機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它與一般的工業(yè)機(jī)器人組成相同,是由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器(編碼盤)等組成。它的任務(wù)是精 確地保證末端執(zhí)行器的位姿、速度等運(yùn)動(dòng)要求。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人完成工作任務(wù)的機(jī)械實(shí)體。一般為“機(jī)械臂+末端執(zhí)行器”。在焊接操作中,末端執(zhí)行器為焊槍或焊鉗,用于完成焊接作業(yè)。
機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器可以是電機(jī)(如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī))、氣缸、液壓缸和新型驅(qū)動(dòng)器。而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是諧波傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)、各種齒輪傳動(dòng)及液力傳動(dòng)等。
由于具有6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的鉸接開鏈?zhǔn)綑C(jī)器人操作機(jī)從運(yùn)動(dòng)學(xué)上已被證明能以最 小的結(jié)構(gòu)尺寸為代價(jià)獲取最 大的運(yùn)動(dòng)空間,并且能以較高的位置精度和最 優(yōu)的路徑到達(dá)指定位置,因而這種類型的機(jī)器人操作機(jī)在焊接領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。
21世紀(jì)初,陸續(xù)有一些機(jī)器人廠家針對(duì)焊接用途,對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了改進(jìn),使之更適應(yīng)焊接需求。比較有代表性的改進(jìn)包括焊槍電纜內(nèi)置、增加自由度數(shù)量等。
(1)焊槍電纜內(nèi)置:是將第四軸和第六軸設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu),將焊槍電纜布置于其中,送絲機(jī)安裝在第四軸的后方。電纜內(nèi)置后,消除了焊槍電纜與工件和周邊設(shè)備的干涉;焊槍能夠360旋轉(zhuǎn),更加容易實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部的焊接、連續(xù)焊接和圓周焊接等;同時(shí),送絲穩(wěn)定性提高,焊接質(zhì)量得到保障。
(2)7自由度焊接機(jī)器人：為了進(jìn)一步增加機(jī)器人的靈活性，出現(xiàn)了7自由度焊接機(jī)器人，使結(jié)構(gòu)更加緊湊、動(dòng)作干涉區(qū)間大幅度減小，可以在狹小空間內(nèi)自由靈活地動(dòng)作。機(jī)器人能夠進(jìn)行各種干涉的避障，在復(fù)雜工作環(huán)境下有效作業(yè)。
2、機(jī)器人固定或運(yùn)動(dòng)裝置
為更好地利用機(jī)器人的工作區(qū)間,合理放置機(jī)器人是非常有必要的?？梢岳玫鬃?、導(dǎo)軌、龍門架等方式安裝機(jī)器人。
(1) 底座是一個(gè)支架,把機(jī)器人安裝在一個(gè)合適的高度上,獲得更好的工作范圍,合理利用空間,提高工具操作的靈活性。
(2)也可以將機(jī)器人安裝在導(dǎo)軌上(導(dǎo)軌上也可以繼續(xù)安裝底座),導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí),機(jī)器人跟隨移動(dòng),可進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
(3)也可以將機(jī)器人進(jìn)行壁掛式安裝和懸掛式安裝,以進(jìn)一步提高機(jī)器人系統(tǒng)的空間利用率。懸掛式安裝可以安裝到支架或龍門架上。
3、變位機(jī)
變位機(jī)作為機(jī)器人焊接生產(chǎn)線及焊接柔性加工單元的重要組成部分,其作用是將被焊工件旋轉(zhuǎn)(平移)到最 佳的焊接位置。在焊接作業(yè)前和焊接過程中,變位機(jī)通過夾具來裝卡和定位被焊工件,對(duì)工件的不同要求決定了變位機(jī)的負(fù)載能力及其運(yùn)動(dòng)方式。
為使機(jī)器人操作機(jī)能充分發(fā)揮效能,焊接機(jī)器人系統(tǒng)通常使用兩臺(tái)變位機(jī)。當(dāng)在其中一臺(tái)變位機(jī)上進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí),另一臺(tái)則完成工件的上裝和卸載,從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得最 高的費(fèi)用效能比。
4、機(jī)器人控制器
機(jī)器人控制器是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中 樞,它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件及一些專用電路組成。其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷及自保護(hù)軟件等。控制器負(fù)責(zé)處理焊接機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。所有現(xiàn)代機(jī)器人的控制器都是基于多處理器,根據(jù)操作系統(tǒng)的指令,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組件的驅(qū)動(dòng)及協(xié)調(diào)控制。
5、焊接系統(tǒng)
焊接系統(tǒng)是焊接機(jī)器人完成焊接作業(yè)的核心裝備。其主要由焊鉗(點(diǎn)焊機(jī)器人)或焊槍(弧焊機(jī)器人)、焊接電源及其控制器、水電氣等輔助部分組成。焊接控制器是由微處理器及部分外圍接口芯片組成的控制系統(tǒng),它可以根據(jù)預(yù)定的焊接監(jiān)控程序,完成焊接參數(shù)輸人、焊接程序控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷,并實(shí)現(xiàn)與本地計(jì)算機(jī)及示教器的通信聯(lián)系。用于焊接機(jī)器人的焊接電源和送絲機(jī)必須由機(jī)器人控制器直接控制,或通過PLC協(xié)調(diào)控制,電源在其功率和接通時(shí)間上必須與自動(dòng)過程相匹配。
6、焊接傳感器
在焊接過程中,盡管機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、裝卡設(shè)備和工具能達(dá)到很高的精度,但由于存在被焊工件幾何尺寸和位置誤差,以及焊接過程熱輸人引起的工件變形,傳感器仍是焊接過程中(尤其是焊接大厚工件時(shí))不可缺少的設(shè)備。傳感器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)工件坡口的 定位、焊縫跟蹤以及焊縫熔透信息的獲取。工件坡口的定位主要是采用接觸傳感器; 焊縫的定位采用焊縫跟蹤傳感器,主要有電弧傳感式和激光視覺傳感式;焊縫熔透控制目前還處于科研階段,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以采用相應(yīng)傳感器對(duì)焊接電流、電弧電壓測(cè)量并監(jiān)控。
7、中央控制計(jì)算機(jī)
中央控制計(jì)算機(jī)在工業(yè)機(jī)器人向系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。通過串行接口或其他網(wǎng)絡(luò)通信接口(如CAN口)與機(jī)器人控制器相連接,中央控制計(jì)算機(jī)主要用于在同一層次或不同層次的計(jì)算機(jī)形成通信網(wǎng)絡(luò),同時(shí)與傳感系統(tǒng)相配合,實(shí)現(xiàn)焊接路徑和參數(shù)的離線編程、焊接專家系統(tǒng)的應(yīng)用及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理。
8、示教器
示教器是一種手持式操作裝置,用于執(zhí)行與操作機(jī)器人系統(tǒng)有關(guān)的許多任務(wù),如手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人TCP點(diǎn),編制、修改、運(yùn)行機(jī)器人程序等。示教器可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下持續(xù)運(yùn)作,目前很多示教器采用觸摸屏進(jìn)行操作,其觸摸屏應(yīng)易于清潔,且防水、防油、防飛濺等。
示教器由硬件和軟件組成,其本身就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。ABB的示教器是控制柜的一個(gè)組成部分,通過集成電纜和連接器與控制器連接。
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