工業(yè)機器人使用與維護

1、機電工程學(xué)院課 程 報告課程名稱：工業(yè)機器人使用與維護專 業(yè)： 機械工程及自動化年級：2012 級班級： 機械一班姓 名：任課老師：一、前言機器人技術(shù)是融合了電子技術(shù)、機械技術(shù)等多種新興技術(shù)的一種高新技術(shù)。工業(yè)機器人先后經(jīng)歷了從第一代示教再現(xiàn)機器人、第二代離線編程機器人， 到現(xiàn)在的第三代智能機器人三個過程。 焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的影響，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在， 焊接的工作環(huán)境又非常惡劣。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化與智能化已經(jīng)成為必然趨勢，采用機器人焊接已經(jīng)成為焊接技術(shù)自動化的主要標(biāo)

2、志。二、焊接機器人目前的使用情況我國焊接機器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、 工程機械、鐵路機車等主要行業(yè)。 汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早的用戶。早在20世紀(jì)70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研 究所合作研制了直角坐標(biāo)機械手，成功應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。一汽公司是我國最早引進(jìn)焊接機器人的企業(yè)，1984年起先后從KUKA公司引進(jìn)了 3臺點焊機器人，用于當(dāng)時“紅旗牌”轎車 的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功地將焊接 機器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機器人車身總焊線。20世紀(jì)80年代末和20世紀(jì)90年代初，德國大眾公司分 別與上海和一汽成立合資汽車廠

3、生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度和裝備水平讓我們認(rèn)識到了與國外的巨大差距。 隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進(jìn)了焊接機器人?？梢哉f20世紀(jì)90年代以來的技術(shù)引進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進(jìn)使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)?；a(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進(jìn)入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶歡迎下載動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引入焊接機器人的行業(yè)之一。近年來隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展， 能源的大量需求， 與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加以及列車提速的

4、需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。 據(jù)2001年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1 040 臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機 器人的76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與弧焊機器人的比例為 3 : 2,其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械(10%)、摩托車(6 %)、鐵路車輛(4 %)、鍋爐(1 %)等行業(yè)。 焊 接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠。 目前在我國應(yīng)用的機器 人主要分日系、 歐系和國產(chǎn)三類。日系中主要有安川、OTG 松下、FANUC不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。 歐系中主要有德國KUKA CLOOS瑞典ABB,意大利COMAlf口奧地利IGM公

5、司。 國產(chǎn)機器 人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。目前在我國雖然已經(jīng)具有自主知 識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)， 形成規(guī)模，究其原因有以下幾點：(1)國內(nèi)機器人價格沒有優(yōu)勢。近十年來， 進(jìn)口機器人的價格大幅度降低，從78萬美元/臺降低到2 3萬美元/臺，使我國自 行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機、減速機等需要進(jìn)口，使價格難以降低，所以機器人生產(chǎn)成本高；加歡迎下載 之我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距， 也間接影響了國內(nèi)機 器人的發(fā)展。 對于機器人的最大用戶一一 一一汽白車身生產(chǎn)廠來 說，幾乎所有的裝

6、備都是從國外引進(jìn)， 國產(chǎn)機器人找不到表演的舞 臺。（2）國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在 一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了 30多年的發(fā)展歷程， 而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高；而我國尚處于單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。（3）國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期還 需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)和使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。3、焊接機器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技 術(shù)、人工智能、 仿生學(xué)

7、等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、 專用弧焊電源技術(shù)、 焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù) 七個方面。四、組成結(jié)構(gòu)焊接機器人主要包括機器人和焊接設(shè)備兩部分。機器人由機器人 本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，歡迎下載 則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分 組成。對于智能機器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控 制裝置等。圖1a、b表示弧焊機器人和點焊機器人的基本組成。世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關(guān)節(jié)機

8、器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置， 而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器人本體的機械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)，如圖2a、b所示。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使焊接機器人示意圖機器人的工作作空間幾乎能達(dá)一個球體。 因此，這種機器人可倒掛在 機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側(cè)置 式機器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機器人的剛度，一般適用于載 較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂 是通過一根拉桿驅(qū)動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。

9、故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較小 （局限于機 器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四歡迎下載 邊形機器人（平行機器人），已能把工作空間擴大到機器人的頂部、 背 部及底部，又沒有測置式機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人 （負(fù)載100150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機器人。上述兩種 機器人各個軸都是作回轉(zhuǎn)運動，故采用伺服電機通過擺線針輪（RV）減速器（13軸）及諧波減速器（16軸）驅(qū)動。在80年代中期以前，對 于電驅(qū)動的機器人都是用直流伺服電機，而 80年代后期以來，各國 先后改用交流

10、伺服電機。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型 機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加 （減）速度也快。 一些負(fù)載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心點（TCP）的最高速 度可達(dá)3m/s以上，定位準(zhǔn)確，振動小。同時，機器人的控制柜也改 用32位的微機和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運行軌 跡更加貼近示教的軌跡。五、焊接機器人的特點點焊對焊接機器人的要求不是很高。 因為點焊只需點位控制，至 于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴(yán)格要求， 這也是機器人最早只 能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負(fù)載能力， 而且在 點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準(zhǔn)確，以減少移

11、 位的時間，提歡迎下載W-j機械手臂高工作效率。點焊機器人需要有多大的負(fù)載能力， 取決于所用的焊鉗 形式。對于用與變壓器分離的焊鉗，3045kg負(fù)載的機器人就足夠了。 但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機 器人將焊鉗伸入工件內(nèi)部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停 擺動，電纜的損壞較快。因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種 焊鉗連同變壓器質(zhì)量在70kg左右?？紤]到機器人要有足夠的負(fù)載能 力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進(jìn)行焊接，一般都選用 100150kg負(fù)載的重型機器人。為了適應(yīng)連續(xù)點焊時焊鉗短距離快速 移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內(nèi)完成50

12、mmi移的功 能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。歡迎下載六、焊接機器人系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：機械本體系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。機器人系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。機械本體系統(tǒng)是輪式移動機器人及其附屬部件，該機器人采 用兩輪差速驅(qū)動，在前面增加一萬向輪實現(xiàn)機器人本體的移動。焊炬固定在十字滑塊上，通過控制十字滑塊的上下和左右運動， 控制焊 炬的升降和伸縮。焊接系統(tǒng)包含焊接電源、送絲機、保護氣，用于實 現(xiàn)機器人的焊接作業(yè)。 傳感系工 控 機3 3 43滑塊位置ART 1020界動器1垂直滑塊水平滑塊保護氣Akr293：UA *防跌落電機轉(zhuǎn)速LV353-送空機雷爾傳感器-轉(zhuǎn)速脈

13、沖工件單片機調(diào)速系統(tǒng) 口焊接電流統(tǒng)是采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器作為焊槍，結(jié)構(gòu)緊湊，實時性、可達(dá)性都很 好；霍爾傳感器采集焊接電流信號；超聲波傳感器置于機體前端，采 集障礙物的信號；在機體底盤四角有4個光電傳感器，用于檢測機 器人是否移動到邊角，防止跌落?？刂葡到y(tǒng)用于機器人的控制，主要 是實現(xiàn)機器人的移動跟蹤、焊接的起弧與停弧等控制。本次控制系歡迎下載統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個控制箱， 能夠達(dá)到機器人的控制要求，并且 小型化，以簡化機器人的尺寸和重量。6.1 機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)實行模塊化設(shè)計，分為：電源模塊、中央控制模塊、驅(qū)動模塊、信號采集與處理模塊、旋轉(zhuǎn)電弧電機調(diào)速模塊、防跌落模塊?？刂葡到y(tǒng)原

14、理圖如圖2所示。步進(jìn)電機 步進(jìn)電機 步進(jìn)電機 步進(jìn)電機nr T架動器I |驅(qū)動器I |驅(qū)動器|嬴5器;ART 1020PCM-3343ART2932超聲 波爾感 霍傳器LM353 T旋轉(zhuǎn) 電弧 M I調(diào)速系統(tǒng)74LS2I4?光電傳感器*4電源模塊用于對輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以提供各個模塊的供電。 中央控制模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制功能。信號采集與處理模塊是采集機器人的位置及焊接電流等信號，作為控制模塊的輸入信號。驅(qū)動模塊 根據(jù)控制信號做出相應(yīng)動作， 完成機器人的焊縫跟蹤。 旋轉(zhuǎn)電弧調(diào) 速模塊用于穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)電弧電機的轉(zhuǎn)速， 減小轉(zhuǎn)速偏差造成的干擾。防 跌落模塊是防止機器人到達(dá)邊角落時跌落而造成損失。歡迎下載

15、6.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與選型6.2.1 電源模塊機器人輸入為+24V直流穩(wěn)壓電源，需要設(shè)計一塊電源轉(zhuǎn)換板， 將+24V電壓轉(zhuǎn)換為+5V、+12V、-12V ,滿足各個模塊不同電壓 的要求。PCM-3343采用+5V 供電，步進(jìn)電機是 +12V供電，霍爾 傳感器需要 +12V、-12V 電壓。3.2中央控制模塊采用研華 PCM-3343 ,這是一款嵌入式工控主機，單 +5V供電，功耗較低。 PCM-3343基于PC104總線，兼容能力強，尺寸小，可以顯著減小設(shè) 計尺寸。PC104總線模塊之間是堆棧式連接，即上下層是通過針和孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性、抗沖擊性能好、可靠性高，這對

16、于采用旋轉(zhuǎn)電弧的本型機器人（電機偏置旋轉(zhuǎn)有一定的振動），無疑也是很重要的性能。擁有基本工控機的資源， 能夠滿足焊接機器人的控制要求。6.2.2 信號采集與處理模塊采用ART2932數(shù)據(jù)采集卡。電弧旋轉(zhuǎn)時，光耦得到信號，經(jīng)過LM353進(jìn)行電壓比較，將采集的信號輸入ART2932 ,信號處理后即 可得出焊炬的位置。水平和垂直滑塊上各安裝有左、中、右三個限位光耦。這三個光耦用來限制電機防止堵轉(zhuǎn)， 并且測得滑塊的大概位 置。機器人的頭部裝有超聲波傳感器，用于測量機器人與前面的障礙 物的距離，超聲傳感器信號輸入ART2932 ,經(jīng)過信號處理得出機器 人位置?；魻杺鞲衅鳈z測焊接電流信號，根據(jù)焊炬位置的高度

17、變化與 焊接電流信號間的變換關(guān)系，可推導(dǎo)出焊炬相對焊縫位置，實現(xiàn)焊10歡迎下載 縫的跟蹤。6.2.3 驅(qū)動模塊本系統(tǒng)采用 ART1020運動控制卡，這是PC104總線四軸伺服/ 步進(jìn)電機運動控制卡， 它以高頻率脈沖串形式輸出，可以控制伺服/ 步進(jìn)電機的運動。這款控制卡能夠精確控制所發(fā)出的的脈沖頻率（即電機速度）、脈沖個數(shù)（電機轉(zhuǎn)角）以及脈沖頻率變化率（電機加速 度），能夠滿足步進(jìn)電機的各種復(fù)雜的控制要求。此控制卡可以獨立 控制4軸驅(qū)動，而本系統(tǒng)有左右兩輪，水平、垂直兩滑塊，左右兩 輪控制機器人的移動和轉(zhuǎn)彎， 水平滑塊控制焊炬的伸縮以跟蹤焊縫， 垂直滑塊控制焊炬的高度以適應(yīng)焊縫的高度變化。綜上，

18、共需要驅(qū)動4個步進(jìn)電機，ART1020能夠滿足控制要求。運動控制卡連接 驅(qū)動器，驅(qū)動器直接驅(qū)動 4個步進(jìn)電機。3.5旋轉(zhuǎn)電弧電機調(diào)速模 塊焊接作業(yè)時，是由電機帶動偏心裝置旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電弧的圓柱式掃描 運動。由于焊炬焊接時受到的阻力不均，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，影響 信號的采集以及偏差的識別精度， 進(jìn)而影響焊縫的跟蹤和成型。因此 設(shè)計出電機轉(zhuǎn)速控制模塊很有必要。在此，選用AT89C2051單片機作為控制核心，因為該單片機引腳較少，為 20引腳，并且足以滿足 控制需求，有利于系統(tǒng)的小型化。光耦測速經(jīng)LM353整形后得到的 電機轉(zhuǎn)速信號，輸入單片機。由單片機對轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制，穩(wěn)定在 40Hz左右。6.2.

19、4 防跌落模塊11歡迎下載根據(jù)在實踐中的經(jīng)驗， 機器人進(jìn)行焊接作業(yè)時可能到達(dá)邊角落， 這時候機器人可能會跌落下去造成損失。因此，需要設(shè)計一個防跌落模塊，在檢測到機器人到達(dá)邊角落時，控制機器人停止移動和焊接， 防止跌落。這可以通過在機器人的底盤四角分別安裝 4個光電傳感 器實現(xiàn)。在機器人到達(dá)邊角落時，任一個傳感器檢測到信號，將信號 輸入控制系統(tǒng)，控制機器人停止移動和焊接。6.3 控制箱體設(shè)計控制箱體內(nèi)置有研華 PCM-3343工控機、阿爾泰ART1020運 動控制卡、 阿爾泰ART2932數(shù)據(jù)采集卡、自主設(shè)計的電源板（用 于轉(zhuǎn)換電壓）和信號控制板。為節(jié)約空間，控制箱的布局采用凹梢型，凹梢與十字滑

20、塊的垂直滑塊相嵌合，這樣箱體實際占用空間大大減小。 箱體尺寸為113mmx 154mmx 186mm ,因為凹梢型的設(shè) 計，凹梢與垂直滑塊嵌合，實際占用空間為66mm x 154mmX186mm 。箱體正面布置有 PCM-3343、ART1020、ART2932 , 這些板卡都是基于 PC104總線，尺寸小，功耗低，可靠性高，十分 適合工業(yè)現(xiàn)場控制。箱體兩側(cè)分別布置了電源板和信號控制板，電源板用于轉(zhuǎn)換電壓，提供各個板卡的適用電壓；信號控制板用于接收、 整合、傳輸各控制信號，并實現(xiàn)一些控制功能。圖3為控制箱安裝圖。12歡迎下載圖3控制箱安裝圖Fig.3 Assembly diagram of c

21、ontrol box圖4直線焊縫與小彎曲焊縫l ig.4 Straight seam and small curve seam七、OTC旱接機器人使用總結(jié)7.1 、OTC焊接機器人的編程方式機器人的示教編程方式有兩種，一是手把手示教編程，另外一個是示教盒示教編程。在本次實訓(xùn)中主要是使用示教盒示教的方式。示教盒示教編程方式是人工利用示教盒上所具有的各種功能的按鈕來 驅(qū)動工業(yè)機器人的各關(guān)節(jié)軸，按作業(yè)所需的順序單軸運動或多關(guān)節(jié)協(xié) 調(diào)運動，從而完成位置和功能的示教編程。13歡迎下載7.2 示教盒：示教盒通常是一個帶有微處理器的、 可隨意移動的小鍵盤，內(nèi)部 ROW固化有鍵盤掃描和分析程序，起功能鍵一般具

22、有回零、示教方 式、自動方式和參數(shù)方式等。示教編程控制由于其編程方便、裝置簡單等優(yōu)點，在工業(yè)機器 人的初期得到較多的應(yīng)用。同時，有由于其編程精度不高、編程修改 困難、示教人員要非常熟練等缺點的限制， 促使人們又開發(fā)了許多新 的控制方法和裝置，以使工業(yè)機器人更好更快的完成作業(yè)任務(wù)。八、OTC旱接機器人使用總結(jié)8.1 機器人示教操作流程1 .當(dāng)機器人狀態(tài)處于待機狀態(tài)下再進(jìn)行示教2 .拔掉安全插銷把插銷插到機器人里邊的門插銷處并且按亮插銷處 的按鈕。3 .先后按下機器人觸摸屏下方的異常復(fù)位和運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備 按鈕，并將觸摸屏下方的手自動旋鈕開關(guān)旋至手動狀態(tài)。4 .拿出機器人示教盒并將左上角的手自動旋鈕開關(guān)旋至手動狀態(tài) （如 若示教盒屏幕未顯示任何畫面，按下任意鍵即可喚醒屏幕）8.2 、安全規(guī)則：1、操作者必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，熟知最基本的設(shè)備安全知識。2、操作者必須對設(shè)備點檢，確認(rèn)設(shè)備完好才能開機工作。3、操作者必須穿戴指定的防護用具。4、打開氣閥開關(guān)時，要保證氣壓在規(guī)定范圍之間。14歡迎下載5、禁止無關(guān)人員進(jìn)入機器人工作場所。6、設(shè)備自動運轉(zhuǎn)時，禁止靠近機器人活動范圍。8.3 開機：1、打開總電源。2、在控制柜將焊機，機器人電源打開。3、機器人通電后無報警，方可操作作業(yè)。8.4 注意事項：1、操作者必須檢查機器人在不在原點位置，嚴(yán)禁不再原點位置 啟動機器人。2、機器人示教