為實現(xiàn)高效、準確地焊接,需要組建焊接機器人系統(tǒng)滿足上述要求,典型焊接機器人系統(tǒng)的組成，主要由幾部分組成:機器人操作機(或稱本體、機械臂)、機器人固定或移動裝置、變位機、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計算機及相應(yīng)的安全設(shè)備等。
1、機器人操作機
機器人操作機是焊接機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。它與一般的工業(yè)機器人組成相同,是由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人臂、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、速度等運動要求。
執(zhí)行機構(gòu)是機器人完成工作任務(wù)的機械實體。一般為“機械臂+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)。
機器人的驅(qū)動器可以是電機(如步進電機、伺服電機)、氣缸、液壓缸和新型驅(qū)動器。而傳動機構(gòu)可以是諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動、繩傳動、各種齒輪傳動及液力傳動等。
由于具有6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的鉸接開鏈式機器人操作機從運動學(xué)上已被證明能以最 小的結(jié)構(gòu)尺寸為代價獲取最 大的運動空間,并且能以較高的位置精度和最 優(yōu)的路徑到達指定位置,因而這種類型的機器人操作機在焊接領(lǐng)域得到廣泛的運用。
21世紀初,陸續(xù)有一些機器人廠家針對焊接用途,對機器人本體進行了改進,使之更適應(yīng)焊接需求。比較有代表性的改進包括焊槍電纜內(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)計成空心結(jié)構(gòu),將焊槍電纜布置于其中,送絲機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),更加容易實現(xiàn)工件內(nèi)部的焊接、連續(xù)焊接和圓周焊接等;同時,送絲穩(wěn)定性提高,焊接質(zhì)量得到保障。
(2)7自由度焊接機器人：為了進一步增加機器人的靈活性，出現(xiàn)了7自由度焊接機器人，使結(jié)構(gòu)更加緊湊、動作干涉區(qū)間大幅度減小，可以在狹小空間內(nèi)自由靈活地動作。機器人能夠進行各種干涉的避障，在復(fù)雜工作環(huán)境下有效作業(yè)。
2、機器人固定或運動裝置
為更好地利用機器人的工作區(qū)間,合理放置機器人是非常有必要的。可以利用底座、導(dǎo)軌、龍門架等方式安裝機器人。
(1) 底座是一個支架,把機器人安裝在一個合適的高度上,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)軌移動時,機器人跟隨移動,可進一步擴大機器人的應(yīng)用范圍。
(3)也可以將機器人進行壁掛式安裝和懸掛式安裝,以進一步提高機器人系統(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
變位機作為機器人焊接生產(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,變位機通過夾具來裝卡和定位被焊工件,對工件的不同要求決定了變位機的負載能力及其運動方式。
為使機器人操作機能充分發(fā)揮效能,焊接機器人系統(tǒng)通常使用兩臺變位機。當在其中一臺變位機上進行焊接作業(yè)時,另一臺則完成工件的上裝和卸載,從而使整個系統(tǒng)獲得最 高的費用效能比。
4、機器人控制器
機器人控制器是整個機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中 樞,它由計算機硬件、軟件及一些專用電路組成。其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學(xué)及動力學(xué)軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷及自保護軟件等?？刂破髫撠?zé)處理焊接機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。所有現(xiàn)代機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)控制計算機通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)對不同組件的驅(qū)動及協(xié)調(diào)控制。
5、焊接系統(tǒng)
焊接系統(tǒng)是焊接機器人完成焊接作業(yè)的核心裝備。其主要由焊鉗(點焊機器人)或焊槍(弧焊機器人)、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,并實現(xiàn)與本地計算機及示教器的通信聯(lián)系。用于焊接機器人的焊接電源和送絲機必須由機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間上必須與自動過程相匹配。
6、焊接傳感器
在焊接過程中,盡管機器人操作機、變位機、裝卡設(shè)備和工具能達到很高的精度,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)不可缺少的設(shè)備。傳感器的任務(wù)是實現(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,在實際應(yīng)用時,可以采用相應(yīng)傳感器對焊接電流、電弧電壓測量并監(jiān)控。
7、中央控制計算機
中央控制計算機在工業(yè)機器人向系統(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)與機器人控制器相連接,中央控制計算機主要用于在同一層次或不同層次的計算機形成通信網(wǎng)絡(luò),同時與傳感系統(tǒng)相配合,實現(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)行與操作機器人系統(tǒng)有關(guān)的許多任務(wù),如手動移動機器人TCP點,編制、修改、運行機器人程序等。示教器可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下持續(xù)運作,目前很多示教器采用觸摸屏進行操作,其觸摸屏應(yīng)易于清潔,且防水、防油、防飛濺等。
1、機器人操作機
機器人操作機是焊接機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。它與一般的工業(yè)機器人組成相同,是由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人臂、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、速度等運動要求。
執(zhí)行機構(gòu)是機器人完成工作任務(wù)的機械實體。一般為“機械臂+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)。
機器人的驅(qū)動器可以是電機(如步進電機、伺服電機)、氣缸、液壓缸和新型驅(qū)動器。而傳動機構(gòu)可以是諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動、繩傳動、各種齒輪傳動及液力傳動等。
由于具有6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的鉸接開鏈式機器人操作機從運動學(xué)上已被證明能以最 小的結(jié)構(gòu)尺寸為代價獲取最 大的運動空間,并且能以較高的位置精度和最 優(yōu)的路徑到達指定位置,因而這種類型的機器人操作機在焊接領(lǐng)域得到廣泛的運用。
21世紀初,陸續(xù)有一些機器人廠家針對焊接用途,對機器人本體進行了改進,使之更適應(yīng)焊接需求。比較有代表性的改進包括焊槍電纜內(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)計成空心結(jié)構(gòu),將焊槍電纜布置于其中,送絲機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),更加容易實現(xiàn)工件內(nèi)部的焊接、連續(xù)焊接和圓周焊接等;同時,送絲穩(wěn)定性提高,焊接質(zhì)量得到保障。
(2)7自由度焊接機器人：為了進一步增加機器人的靈活性，出現(xiàn)了7自由度焊接機器人，使結(jié)構(gòu)更加緊湊、動作干涉區(qū)間大幅度減小，可以在狹小空間內(nèi)自由靈活地動作。機器人能夠進行各種干涉的避障，在復(fù)雜工作環(huán)境下有效作業(yè)。
2、機器人固定或運動裝置
為更好地利用機器人的工作區(qū)間,合理放置機器人是非常有必要的。可以利用底座、導(dǎo)軌、龍門架等方式安裝機器人。
(1) 底座是一個支架,把機器人安裝在一個合適的高度上,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)軌移動時,機器人跟隨移動,可進一步擴大機器人的應(yīng)用范圍。
(3)也可以將機器人進行壁掛式安裝和懸掛式安裝,以進一步提高機器人系統(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
變位機作為機器人焊接生產(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,變位機通過夾具來裝卡和定位被焊工件,對工件的不同要求決定了變位機的負載能力及其運動方式。
為使機器人操作機能充分發(fā)揮效能,焊接機器人系統(tǒng)通常使用兩臺變位機。當在其中一臺變位機上進行焊接作業(yè)時,另一臺則完成工件的上裝和卸載,從而使整個系統(tǒng)獲得最 高的費用效能比。
4、機器人控制器
機器人控制器是整個機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中 樞,它由計算機硬件、軟件及一些專用電路組成。其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學(xué)及動力學(xué)軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷及自保護軟件等?？刂破髫撠?zé)處理焊接機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。所有現(xiàn)代機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)控制計算機通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)對不同組件的驅(qū)動及協(xié)調(diào)控制。
5、焊接系統(tǒng)
焊接系統(tǒng)是焊接機器人完成焊接作業(yè)的核心裝備。其主要由焊鉗(點焊機器人)或焊槍(弧焊機器人)、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,并實現(xiàn)與本地計算機及示教器的通信聯(lián)系。用于焊接機器人的焊接電源和送絲機必須由機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間上必須與自動過程相匹配。
6、焊接傳感器
在焊接過程中,盡管機器人操作機、變位機、裝卡設(shè)備和工具能達到很高的精度,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)不可缺少的設(shè)備。傳感器的任務(wù)是實現(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,在實際應(yīng)用時,可以采用相應(yīng)傳感器對焊接電流、電弧電壓測量并監(jiān)控。
7、中央控制計算機
中央控制計算機在工業(yè)機器人向系統(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)與機器人控制器相連接,中央控制計算機主要用于在同一層次或不同層次的計算機形成通信網(wǎng)絡(luò),同時與傳感系統(tǒng)相配合,實現(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)行與操作機器人系統(tǒng)有關(guān)的許多任務(wù),如手動移動機器人TCP點,編制、修改、運行機器人程序等。示教器可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下持續(xù)運作,目前很多示教器采用觸摸屏進行操作,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,其本身就是一臺計算機系統(tǒng)。ABB的示教器是控制柜的一個組成部分,通過集成電纜和連接器與控制器連接。
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