機(jī)電一體化產(chǎn)品分析報(bào)告焊接機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)簡介

焊接機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)簡介一、焊接機(jī)器人的基本組成機(jī)器人要完成焊接作業(yè)，必須依賴于控制系統(tǒng)與輔助設(shè)備的支持和配合。完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由如下幾部分組成：機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)（專用焊接電源、焊槍或焊鉗等）、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè)備等。（如圖所示）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)是精確地保證末端操作器所要求的位置、姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。根據(jù)定義，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)從結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有三個(gè)以上的可自由編程的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可將其分為主要關(guān)節(jié)和次要關(guān)節(jié)兩個(gè)層次，不同數(shù)目和層次關(guān)節(jié)的組合決定了相應(yīng)的機(jī)器人工作空間。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。為了使機(jī)器人操作機(jī)充分發(fā)揮效能，焊接機(jī)器人系統(tǒng)通常采用兩臺(tái)變位機(jī)，當(dāng)在其中一臺(tái)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。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、軟件和一些專用電路構(gòu)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。典型的焊接機(jī)器人控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：在這里我們將重點(diǎn)介紹焊接機(jī)器人操作機(jī)。二、AW-600型焊接機(jī)器人操作機(jī)（1）操作機(jī)的性能參數(shù)：結(jié)構(gòu)形式：垂直多關(guān)節(jié)式軸數(shù)：6個(gè)外部軸數(shù)：2個(gè)最大負(fù)載：6kg位置重復(fù)性：±驅(qū)動(dòng)方式：交流伺服電機(jī)位置記憶：簡易絕對(duì)碼盤式絕對(duì)位置記憶控制方式：主從式兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制最大運(yùn)動(dòng)范圍及速度1(T)-150°~+150°100°/s2(W)-90°~+135°100°/s3(U)-105°~+150°100°/s4(C)-180°~+180°225°/s5(B)-135°~+135°225°/s6(S)-225°~+225°335°/s最大臂伸1585mm（2）結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式為垂直多關(guān)節(jié)式，2軸、3軸為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用了后置4連桿機(jī)構(gòu)，增大了結(jié)構(gòu)剛度；小臂電機(jī)、減速器下置，減小了機(jī)器人的動(dòng)載荷并改善了大小臂受力。大臂相對(duì)于大回轉(zhuǎn)中心線(T軸)前移200mm，可使機(jī)器人在大、小臂長度不變的情況下增大機(jī)器人工作范圍，即前伸的最大半徑增加200mm，后干涉半徑減小200mm，并有利于大回轉(zhuǎn)電機(jī)、減速器的裝配。4軸(C軸)為一長筒架在小臂體上，增大了小臂的結(jié)構(gòu)剛度，腕部隨4軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，消除了4軸運(yùn)動(dòng)時(shí)5、6軸的運(yùn)動(dòng)耦合。腕部5、6軸(B、A軸)電機(jī)、減速器后置，有利于小臂平衡。3個(gè)軸相交于一點(diǎn),用同心軸傳遞，使腕部結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，增加了機(jī)器人手腕的靈活性和焊接復(fù)雜工件的可達(dá)性。5、6軸電機(jī)的輸出先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)過齒輪、同心軸傳動(dòng)的方案，這樣可減小運(yùn)動(dòng)時(shí)的噪聲，并解決了機(jī)器人的潤滑問題。腰部的大交叉滾子軸承可承受很大的周向力、徑向力和彎矩，以確保機(jī)器人在大負(fù)載情況下平穩(wěn)運(yùn)行。電機(jī)全部采用日本松下公司生產(chǎn)的全數(shù)字式交流伺服電機(jī)，重量輕、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，并帶有絕對(duì)碼盤和制動(dòng)器,使機(jī)器人維修方便、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、安全可靠。下圖為弧焊機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)范圍。（3）電機(jī)與減速器選擇·m，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，帶有簡易絕對(duì)碼盤和制動(dòng)器。選擇日本住友公司的RV減速器，輸入功率容量為1.34kW，輸出扭矩為600N·m,減速比為1/119,減速器回差為1′·m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，帶有簡易絕對(duì)碼盤和制動(dòng)器。選擇國產(chǎn)諧波減速器,輸入功率容量為0.26kW，輸出扭矩為50N·′。下圖為機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)簡圖：三、焊接機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在AW-600機(jī)器人操作機(jī)中我們采用的是交流伺服電動(dòng)機(jī)。其主要有以下特點(diǎn)：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大2、運(yùn)行范圍較廣3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。在焊接機(jī)器人中常用到的電機(jī)還有：直流伺服電動(dòng)機(jī)和無刷電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)右圖表示了直流伺服電動(dòng)機(jī)原理。直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)是由永久磁鐵構(gòu)成。為獲得更強(qiáng)磁場(chǎng)，大多采用稀土磁鋼。圖中電樞線圈僅有一繞組，在圖示位置上，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)正交，此時(shí)給出最大轉(zhuǎn)矩，為使轉(zhuǎn)矩連續(xù)、盡量減小波動(dòng)，顯然，電樞中應(yīng)有多組線圈，且彼此相隔相同角度。機(jī)械式換向器（由石墨制的電刷和銅片組成）確保每組線圈在最合適時(shí)刻通電，以產(chǎn)生正交磁場(chǎng)。無刷電動(dòng)機(jī)右圖給出了無刷電動(dòng)機(jī)原理圖。由圖可見，轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵組成，定子有繞組線圈，可以通過機(jī)殼把繞組熱量散發(fā)出去，因此，同功率的無刷電動(dòng)機(jī)體積質(zhì)量較直流伺服電動(dòng)機(jī)小得多，或者說同體積電動(dòng)機(jī)，無刷電動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)大于直流伺服電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方法（一）直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)于小功率直流伺服電動(dòng)機(jī)，可以采用線性功率放大器來驅(qū)動(dòng)，如圖5-14所示。功率放大器輸出電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，可以按要求線性改變，于是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也就線性地變化。這類放大器優(yōu)點(diǎn)是無死區(qū)，頻帶寬，反應(yīng)速度快，對(duì)電網(wǎng)的電子噪聲也很小。但它的功率管要產(chǎn)生許多熱能，需要散發(fā)熱量。一般其功率不超過幾十瓦。圖5-15是一個(gè)線性功率放大器的實(shí)例。圖中LM12集成電路為美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品。（二）無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)于無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，下圖給出了一個(gè)Y形聯(lián)結(jié)的無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理簡圖。它是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，即電流環(huán)和速度環(huán)。定子中電流通道取決于轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)向，電動(dòng)機(jī)的換向碼盤給出這個(gè)信息。并由邏輯電路適當(dāng)選擇大功率晶體管的開或關(guān)。四、焊接機(jī)器人傳感器機(jī)器人用傳感器一部分已發(fā)展得很成熟，但更多的尚處于研究探索階段。這里僅介紹幾種焊接機(jī)器人常用的傳感器。（1）光學(xué)編碼器位置（包括線性位置和角度位置）傳感器是機(jī)器人中最基本、最重要的內(nèi)傳感器之一，有時(shí)還利用其單位采樣時(shí)間的位移量實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量。光學(xué)編碼器是非接觸型傳感器，分辨率高，是機(jī)器人中應(yīng)用最多的位置檢測(cè)元件。旋轉(zhuǎn)編碼器比線性編碼器成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，不僅機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用，線性關(guān)節(jié)也都采用。在工作原理上編碼器可分為絕對(duì)型和增量型兩種。絕對(duì)型編碼器在系統(tǒng)加電后就能給出實(shí)際的線性或旋轉(zhuǎn)位置，所以采用這種位置檢測(cè)元件的機(jī)器人工作時(shí)不需要關(guān)節(jié)校準(zhǔn)過程。增量型編碼器僅提供跟蹤基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)信息，因此相應(yīng)地機(jī)器人系統(tǒng)加電后需要經(jīng)過校準(zhǔn)過程才能正常工作。雖然絕對(duì)編碼器具有位置記憶性的優(yōu)點(diǎn)，但是其成本遠(yuǎn)高于增量編碼器，未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。1）絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器：這種傳感器的輸出是多位邏輯電平。如果位數(shù)是n，則需要n個(gè)光學(xué)通道，與轉(zhuǎn)軸固聯(lián)的盤片上就有n個(gè)分別刻有等份的通光與遮光相間的環(huán)形編碼帶，對(duì)應(yīng)地在盤的一側(cè)有n個(gè)發(fā)光元件，盤的對(duì)側(cè)有n個(gè)感光元件。感光元件的狀態(tài)隨著編碼帶的遮光或通光呈現(xiàn)0或1的值，這樣便對(duì)每一個(gè)角度為的扇形區(qū)域進(jìn)行了編碼。采用不同的編碼帶配置可以實(shí)現(xiàn)二至十進(jìn)制碼或格雷碼等編碼方案。2）增量型旋轉(zhuǎn)編碼器：增量型編碼器由具有徑向紋控制通光、遮光的主刻度盤，僅一段圓弧刻紋的指示度盤，發(fā)光器件和感光器件組成。采用莫爾光柵原理在兩個(gè)讀度盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生光電信號(hào)。其分辨率用主刻度盤的線數(shù)表示。這種編碼器的輸出一般有3個(gè)信號(hào)：每轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)一次的零位置信號(hào)Z，相位差90°的兩個(gè)脈沖信號(hào)A、B，通過判斷A、B的相序確定旋轉(zhuǎn)方向。這種編碼器還可以用電子學(xué)技術(shù)提高分辨率2倍、4倍或更多。（2）接近覺與距離傳感器有人把接近覺傳感器與距離傳感器歸為一類，均稱接近覺傳感器。但是從使用目的和檢測(cè)結(jié)果的表達(dá)來看，二者有明確的區(qū)別。接近覺傳感器可以在近距離范圍內(nèi)獲取執(zhí)行器與對(duì)象物體之間的空間相對(duì)關(guān)系信息。有些觸覺傳感器也可用作接近覺傳感器。該傳感器用于判斷可動(dòng)部位是否將與環(huán)境干涉，確保安全，防止接近或碰撞，也可用于確認(rèn)物體的存在或通過與否，還可檢測(cè)物體的位置、姿態(tài)、形狀，進(jìn)而為操作規(guī)劃、避障提供信息。接近覺傳感器以0、1代表判斷結(jié)果就可以滿足要求，一般工作在距離被檢測(cè)對(duì)象0~30mm的范圍內(nèi)，進(jìn)入該范圍便發(fā)出信號(hào)。接近覺傳感器一般比較追求體積小巧，便于大量使用，結(jié)構(gòu)一般比較簡單。在機(jī)器人焊接方面，目前還基本不采用避碰檢測(cè)技術(shù)。隨著焊接自動(dòng)化的發(fā)展，弧焊機(jī)器人避碰問題的重要性將顯現(xiàn)出來，特別是遙控焊接方面應(yīng)該采用接近覺傳感技術(shù)。距離傳感器用于測(cè)量目標(biāo)物體與參考點(diǎn)的距離，需要具體給出距離數(shù)值，其工作范圍可以很寬。其主要應(yīng)用目的是感知物體的位置，用于引導(dǎo)、避障。有多種弧焊跟蹤傳感器（如激光掃描傳感器、電磁傳感器、渦流傳感器）在原理上與距離傳感器相同。（3）觸覺傳感器觸覺傳感器是模仿人皮膚感覺功能的傳感器的總稱，包括接觸覺、壓覺、滑覺、熱覺等，其中接觸覺也可以認(rèn)為是接近覺的一種特殊情況。觸覺傳感器向著陣列式高分辨率的方向發(fā)展。在焊接領(lǐng)域目前涉及的僅是接觸覺方面，用于尋找焊縫或感知碰撞。（4）力覺傳感器力覺傳感包括力和力矩檢測(cè)兩個(gè)方面。在檢測(cè)原理上有應(yīng)變式、壓電式、位移計(jì)式等，應(yīng)變式為最廣泛的類型。在檢測(cè)負(fù)載成分上可分為單分量傳感器和多分量傳感器。功能最強(qiáng)的是六維力、力矩傳感器（因?yàn)樗Ｓ迷跈C(jī)器人的腕部，又稱腕力傳感器），它是機(jī)器人力覺研究的關(guān)鍵元件。腕力傳感器已有產(chǎn)品可用，但仍存在價(jià)格高、動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力差、分辨率不高的問題。力覺傳感器多用作外傳感器，也可以用作內(nèi)傳感器進(jìn)行重力補(bǔ)償?shù)确矫妗Ｔ跈C(jī)器人焊接領(lǐng)域以往沒有力覺傳感技術(shù)的應(yīng)用，其原因是①弧焊是非接觸操作；②電弧力微弱；③力覺應(yīng)用沒有達(dá)到普及的程度。但是可以預(yù)見，力覺可以為焊接自動(dòng)化所用，如在極限環(huán)境中進(jìn)行力覺示教，力覺輔助避碰引導(dǎo)焊槍等應(yīng)用。（5）視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)采用的光電轉(zhuǎn)換器件中最簡單的是單元感光器件，如光電二極管，其次是一維的感光單元線陣，如線陣CCD（電荷耦合器件）、PSD（位置敏感器件）；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如面陣CCD、PSD，是二維圖像的常規(guī)傳感器件。采用CCD面陣及附加電路制成的工業(yè)攝像機(jī)有多種規(guī)格出售，選用十分方便。這種攝像機(jī)的鏡頭可更換，光圈可以自動(dòng)調(diào)整，有的帶有外部同步驅(qū)動(dòng)功能，有的可以改變曝光時(shí)間。CCD攝像機(jī)體積小，價(jià)格低，可靠性高，是一般機(jī)器人視覺的首選傳感器件。視覺分為二維視覺和三維視覺。二維視覺是對(duì)景物在平面上投影的傳感，三維視覺則可以獲取景物的空間信息。三維視覺的主要傳感方法是：1）單眼觀察法：利用圖像中物體表面的紋理、輪廓、反光特點(diǎn)、影子等信息，分析景物的前后凸凹關(guān)系。2）摩爾條紋法：利用條紋狀的光照射到物體上，從另一個(gè)位置透過同樣的遮光條紋攝像。物體上的條紋像和遮光像產(chǎn)生偏移，形成等高線圖形，即摩爾條紋。根據(jù)摩爾條紋的形狀可得到物體表面凹凸信息。3）主動(dòng)視覺法：用向物體投射已知特點(diǎn)的光束、光面或編碼圖形的方法得到物體的三維信息。4）被動(dòng)視覺法：分析同一物體的兩幅或多幅圖像，找到匹配點(diǎn)（物體上的同一點(diǎn)），然后利用三角測(cè)量原理得到該點(diǎn)的三維信息。其難點(diǎn)是對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配，處理過程耗時(shí)間多。有時(shí)采用平行光軸法等措施減少圖像處理的工作量。5）激光雷達(dá)法：利用雷達(dá)的測(cè)距原理，通過測(cè)量發(fā)射的激光束遇到物體返回所經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算探測(cè)點(diǎn)的空間位置。通過激光束的掃描獲得物體的三維圖像。（6）聽覺系統(tǒng)邏輯上聽覺傳感器應(yīng)包括超聲波傳感器。從傳感的角度看，傳聲器、話筒就是很好的聽覺傳感器，已有十分成熟的技術(shù)可用。目前聽覺研究的重點(diǎn)是提取聲音信號(hào)所傳達(dá)的有用信息。聲音信息的利用可以分為語音識(shí)別和聲音感覺兩方面。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展語音識(shí)別技術(shù)已取得很大發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)的識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部有基本的語言模板，如果人的口音不能被識(shí)別，則可以進(jìn)行自學(xué)習(xí)，從而產(chǎn)生這個(gè)人特定的語音模板，提高識(shí)別率?？梢灶A(yù)見未來將采用該技術(shù)使機(jī)器人按照人的自然語言執(zhí)行任務(wù)。在非語音識(shí)別方面有超聲測(cè)距、超聲結(jié)構(gòu)探測(cè)，聲發(fā)射等應(yīng)用。焊接領(lǐng)域也有采用探測(cè)聲發(fā)射的方法監(jiān)控弧焊焊接過程的研究報(bào)導(dǎo)。弧焊接機(jī)器人傳感器技術(shù)應(yīng)用于弧焊機(jī)器人中的傳感器主要有電弧傳感器和光學(xué)傳感器兩種，其中電弧傳感器用得更多。電弧傳感器利用焊接電極與被焊工件之間的距離變化能夠引起電弧電流或電壓變化這一物理現(xiàn)象來檢測(cè)接頭坡口的中心，因而不占用額外的空間，使機(jī)器人可達(dá)性好，直接在焊絲端部檢測(cè)信號(hào)，因而易于進(jìn)行反饋控制，信號(hào)處理也比較簡單，特別是由于它的可靠性高、價(jià)格低而得到了廣泛應(yīng)用，而且還在不斷發(fā)展之中。但其應(yīng)用范圍有很大局限，必須在電弧點(diǎn)燃下才能工作，電弧在跟蹤過程中要進(jìn)行擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，適用的接頭類型有限，不能應(yīng)用于薄板工件的對(duì)接、搭接