工業(yè)機器人使用與維護

1、機電工程學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： 學 號： 任課老師： 一、前言 機器人技術是融合了電子技術、 機械技術等多種新興技術的一種高新技術。 工業(yè)機器人先后經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)生產中非常重要的加工手段， 焊接質量的好壞對產品質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。 隨著先進制造技術的發(fā)展， 實現(xiàn)焊接產品制造的自動化、 柔性化與智能化已經成為必然

2、趨勢， 采用機器人焊接已經成為焊接技術自動化的主要標志。二、焊接機器人目前的使用情況 我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、 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 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機械手， 成功應用于上海牌轎車底盤的焊接。 一汽公司是我國最早引進焊接機器人的企業(yè)， 1984 年起先后從 KUKA 公司引進了 3 臺點焊機器人， 用于當時 “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用于前圍總成的焊接， 并于 1988 年開發(fā)了機器人

3、車身總焊線。20 世紀 80 年代末和 20 世紀 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生產轎車， 雖然是國外的二手設備， 但其焊接自動化程度和裝備水平讓我們認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了焊接機器人。 可以說 20 世紀 90 年代以來的技術引進和生產設備、 工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產提高到規(guī)?；a， 同時使國外焊接機器人大量進入中國。 由于我國基礎設施建設的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(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。 近年來隨著我國經濟的高速發(fā)展， 能源的大量需求， 與能源相關的制造行

4、業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術，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 32， 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。目前在我國應用的機器人主要分日系、 歐系和國產三類。 日系中主要有安川、 OT

5、C、 松下、 FANUC、 不二越、 川崎等公司的產品。 歐系中主要有德國 KUKA、CLOOS， 瑞典 ABB， 意大利 COMAU 和奧地利 IGM 公司。 國產機器人主要是沈陽新松機器人公司產品。目前在我國雖然已經具有自主知識產權的焊接機器人系列產品， 但卻不能批量生產， 形成規(guī)模，究其原因有以下幾點：(1)國內機器人價格沒有優(yōu)勢。 近十年來， 進口機器人的價格大幅度降低， 從 78 萬美元臺降低到 23 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)展相應的零部件產業(yè)， 如伺服電機、 減速機等需要進口， 使價格難以降低， 所

6、以機器人生產成本高； 加之我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距， 也間接影響了國內機器人的發(fā)展。 對于機器人的最大用戶 一汽白車身生產廠來說， 幾乎所有的裝備都是從國外引進， 國產機器人找不到表演的舞臺。(2)國產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)產品， 經歷了 30 多年的發(fā)展歷程， 而且在實際生產中不斷地完善和提高； 而我國尚處于單件小批量的生產狀態(tài)。(3)國內機器人生產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產品， 單靠企業(yè)的自身能力是不夠的， 需要政府對機器人生產企業(yè)和使用國產機器人系統(tǒng)

7、的企業(yè)給予一定的政策和資金支持， 加速我國國產機器人的發(fā)展。3 、焊接機器人技術的研究現(xiàn)狀 機器人技術是綜合了計算機、 控制論、 機構學、信息和傳感技術、 人工智能、 仿生學等多學科而形成的高新技術。 從國內外研究現(xiàn)狀來看， 焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、 離線編程與路徑規(guī)劃技術、 多機器人協(xié)調控制技術、 專用弧焊電源技術、 焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、 機器人用焊接工藝方法、 遙控焊接技術七個方面。四、組成結構 焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。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，則由焊接電源，(包括其控制系統(tǒng))、送絲機(弧焊)、焊槍(

8、鉗)等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(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。世界各國生產的焊接用機器人基本上都屬關節(jié)機器人，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構主要有兩種形式:一種為平行四邊形結構，一種為側置式(擺式)結構，如圖2a、b所示。側置式(擺式)結構的主要優(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。但是這種側置式機器人，2、3軸為懸

9、臂結構，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動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。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。這種結構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(負載100150kg)大多選用平行四邊形結構形式的機器人。上述兩種機器人各個軸都是作回轉運動，故采用伺服電機通過擺線針輪(RV)減速器(

10、13軸)及諧波減速器(16軸)驅動。在80年代中期以前，對于電驅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3m/s以上，定位準確，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格要求，這也是機器人最早只能用于點焊的

11、原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準確，以減少移位的時間，提機械手臂高工作效率。點焊機器人需要有多大的負載能力，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量在70kg左右?？紤]到機器人要有足夠的負載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進行焊接，一般都選用 100150kg負載的重型機器人。為了適應連

12、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內完成50mm位移的功能。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。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)。 傳感系統(tǒng)是采用旋轉電弧傳感器作為焊槍，結構緊湊，實時性、可達性都很好；霍爾傳感器采集焊

13、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。 本次控制系統(tǒng)的設計目標是設計一個控制箱，能夠達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)總體設計 控制系統(tǒng)實行模塊化設計，分為：電源模塊、中央控制模塊、驅動模塊、信號采集與處理模塊、旋轉電弧電機調速模塊、 防跌落模塊。 控制系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。電源模塊用于對輸入電壓進行轉換， 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

14、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。驅動模塊根據(jù)控制信號做出相應動作， 完成機器人的焊縫跟蹤。 旋轉電弧調速模塊用于穩(wěn)定旋轉電弧電機的轉速，減小轉速偏差造成的干擾。防跌落模塊是防止機器人到達邊角落時跌落而造成損失。6.2 控制系統(tǒng)硬件設計與選型6.2.1 電源模塊 機器人輸入為 +24V 直流穩(wěn)壓電源， 需要設計一塊電源轉換板，將 +24V 電壓轉換為 +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

15、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，這對于采用旋轉電弧的本型機器人 （電機偏置旋轉有一定的振動），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。 電弧旋轉時，光耦得到信號，經過 LM353 進行電壓比較，將采集的信號輸入 ART2932 ， 信號處理后即可得

16、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，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 ，經過信號處理得出機器人位置。霍爾傳感器檢測焊接電流信號，根據(jù)焊炬位置的高度變化與焊接電流信號間的變換關系， 可推導出焊炬相對焊縫位置，實現(xiàn)焊縫的跟蹤。6.2.3 驅動模塊 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

17、電機速度）、脈沖個數(shù)（電機轉角）以及脈沖頻率變化率（電機加速度），能夠滿足步進電機的各種復雜的控制要求。此控制卡可以獨立控制 4 軸驅動，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焊縫的高度變化。 綜上，共需要驅動 4 個步進電機， ART1020能夠滿足控制要求。運動控制卡連接驅動器，驅動器直接驅動 4 個步進電機。3.5 旋轉電弧電機調速模塊焊接作業(yè)時，是由電機帶動偏心裝置旋轉，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，會導致轉速不穩(wěn)定，影響信號的采集以及偏差的識別精度，進而影響焊

18、縫的跟蹤和成型。因此設計出電機轉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 LM353 整形后得到的電機轉速信號，輸入單片機。由單片機對轉速進行反饋控制，穩(wěn)定在 40Hz 左右。6.2.4 防跌落模塊 根據(jù)在實踐中的經驗， 機器人進行焊接作業(yè)時可能到達邊角落， 這時候機器人可能會跌落下去造成損失。 因此，需要設計一個防跌落模塊，在檢測到機器人到達邊角落時，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)。在機器人到達邊角落時，

19、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 控制箱體設計控制箱體內置有研華 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、自主設計的電源板（用于轉換電壓）和信號控制板。 為節(jié)約空間，控制箱的布局采用凹槽型，凹槽與十字滑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 113mm×154mm×186mm ，因為凹槽型的設計，凹槽與垂直滑塊嵌合，實際占用空間為 66mm×154mm×186mm 。 箱體正面布置有 PCM-3343 、 ART1020 、

20、 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。箱體兩側分別布置了電源板和信號控制板，電源板用于轉換電壓，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。七、OTC焊接機器人使用總結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動工業(yè)機器人的各關節(jié)軸，按作業(yè)所需的順序單軸運動或多關節(jié)協(xié)調運動，從而完成位置和功能的示

21、教編程。 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，內部ROM中固化有鍵盤掃描和分析程序，起功能鍵一般具有回零、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。八、OTC焊接機器人使用總結 8.1 機器人示教操作流程 1.當機器人狀態(tài)處于待機狀態(tài)下再進行示教 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

22、按鈕。 3.先后按下機器人觸摸屏下方的異常復位和 運轉準備 按鈕，并將 觸摸屏下方的手自動旋鈕開關旋至手動狀態(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、操作者必須經過專業(yè)培訓，熟知最基本的設備安全知識。2、操作者必須對設備點檢，確認設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、打開氣閥開關時，要保證氣壓在規(guī)定范圍之間。 5、禁止無關人員進入機器人工作場所。 6、設備自動運轉時，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，嚴禁不再原點位置啟動機器人。 2、機器人示教與運行過程中，請確認機器人動作范圍內沒有閑雜人員。 3、機器人運行中，需停下來時，可按外部急停