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焊接机器人的选购应用
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一、机器人的发展历史

早在三千多年前的西周时代,我国就出现了能歌善舞的木偶,称为“倡者”,这可能是世界上最早的“机器人”。

在近代,随着第一次、第二次工业革命,各种机械装置的发明与应用,世界各地出现了许多“机器人”玩具和工艺品。这些装置大多由时钟机构驱动,用凸轮和杠杆传递运动。

1920年,捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT(汉语前译为“劳伯”)这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词。

1950年美国作家I.阿西莫夫提出了机器人学(Robotics)这一概念,并提出了所谓的“机器人三原则”,即: 1.机器人不可伤人;2.机器人必须服从人给与,但不和(1)矛盾的指令;3.在与(1)、(2)原则不相矛盾的前提下,机器人可维护自身不受伤害。

本世纪50、60年代,随着机构理论和伺服理论的发展,机器人进入了使用化阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利;1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人,可作点位和轨迹控制,这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。

70年代,随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展,机器人得到了迅速发展。1974年Cincinnati Milacron公司开发成功多关节机器人;1979年,Unimation公司又推出了PUMA机器人,它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制;采用VAL专用语言;可配视觉、触觉、力觉传感器,在当时是一种技术先进的工业机器人。现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。

这一时期的机器人属于“示教再现”(Teach-in / Playback)型机器人。只具有记忆、存储能力,按相应程序重复作业,但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。

进入80年代,随着传感技术,包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展,出现了第二代机器人—有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息,进行一定的实时处理,引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化,在工业生产中得到广泛应用。

第三代机器人是目前正在研究的“智能机器人”。它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力,而且还具有逻辑思维、判断和决策能力,可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。

二、机器人的定义和基本组成

由于研究的侧重点不同,对于机器人的定义,国际上目前尚未有明确的统一标准。综合各种定义,可将机器人理解为:机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器,根据所处的环境和作业需要,它具有至少一项或多项拟人功能,另外还可能程度不同地具有某些环境感知能力(如视觉、力觉、触觉、接近觉等),以及语言功能乃至逻辑思维、判断决策功能等,从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。

机器人一般由以下部分组成:

1. 机械本体

机器人的机械本体机构基本上分为两大类:一类是操作本体机构,它类似人的手臂和手腕,配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业,工业机器人主要采用这种结构。另一类为移动型本体结构,主要目的是实现移动功能,主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机构。壁面爬行、水下推动等机构也可归于这一类。

2.驱动伺服单元

机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动,而大多数机器人是基于闭环控制原理进行的。伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差的方向动作。已被广泛应用的驱动方式有,液压伺服驱动、电机伺服驱动,近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。

3.计算机控制系统

各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后,在各采样周期给出。主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度,通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。

通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制,有时为了实现智能控制,还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集、处理并进行模式识别、问题求解、任务规划、判断决策等,这时空间的示教点将由另一台计算机上级计算机根据传感信号产生,形成三级计算机系统。

4.传感系统

为了是机器人正常工作,必须与周围环境保持密切联系,除了关节伺服驱动系统的位置传感器(称作内部传感器)外,还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器(称作外部传感器)以及传感信号的采集处理系统

5. 输入/输出系统接口

为了与周边系统及相应操作进行联系与应答,还应有各种通讯接口和人机通信装置。工业机器人提供一内部PLC,它可以与外部设备相联,完成与外部设备间的逻辑与时实控制。一般还有一个以上的串行通讯接口,以完成磁盘数据存储、远程控制及离线编程、双机器人协调等工作。一些新型机器人还包括语音合成和识别技术以及多媒体系统,实现人机对话。

三、弧焊机器人的选购应用

首先,为了满足机器人工作空间内任一位姿可达,要有5个自由度,但为了避障,一般应有6个自由度。对于焊接机器人,焊枪送丝机的重量一般都不大,为5Kg至6Kg。由于机器人的空间机构构形不同,即使同样负载,连杆尺寸相近的机器人其空间运动范围也是相差很大的,一般说,平行四边形结构的机器人空间运动范围小于关节型机器人。所以,吊装或壁装机器人一般用关节型机器人。点到点的运动精度一般为+/-0.1mm或+/-0.05mm,最大运动速度为1m/s至1.5m/s;在价格相近的情况下,尽量选择精度高,运动速度大的产品,因为以上指标反映了机器人的全面素质,同时也与机器人性能衰减有关。

关于I/O功能,一般机器人的I/O接口除了可被主程序(JOB)寻址操作外,还可以进行内部PLC式编程;对于内部PLC的要求,主要是性能可靠,因为受应用限制,它比一般的通用PLC功能要差一些,一般只具备最基本的逻辑和时序功能,故对性能要求不能太高。运动插补功能一般要求具有关节,直线,圆弧等功能就可以了。现在的机器人一般都有比较完善的自诊断和安全防护功能;一般机器人的平均无故障时 间大约为20000小时以上——即按一天两班工作制(16小时/天),五年内不会发生故障。对于弧焊机器人,为了完成模仿人焊接的动作而得到高质量的焊缝,还要求有摆动功能,有了这种功能,机器人也就具备了以电弧作传感器进行焊缝跟踪的条件。对于第二代弧焊机器人,除了有示教再现功能外,还应具有一定的对周围环境的适应能力,比如焊接开始点检测和焊缝跟踪功能。对于焊缝跟踪功能,目前已经发展了如机械接触式、电磁感应式、电弧感应式、光电感应式和视觉传感器等。关于弧焊机器人的辅助设备如焊机,送丝机,焊枪及焊枪清理装置,水冷装置等要求有比较高的可靠性。机器人焊枪是一个非常重要的部件,应当特制。对于工程机械或大型设备制造和汽车工业的焊接,有条件的厂家应尽量选择好一些的焊枪和焊枪清理设备,一定会从中受益的。

四、点焊机器人的选购应用

点焊机器人对于运动的要求一般不象弧焊机器人那么严格(理论上甚至只要求点到点的运动功能),点到点重复定位精度为+/-0.5mm以下就可以了,对轨迹的重复定位精度要求也不太严格,只要运动范围满足生产要求就可以了;对机器人的要求是力量大,结构刚性好,结实可靠,点焊机器人的主要选择指标在点焊设备。焊钳和电源是点焊机器人附助设备中最重要的设备,电源的效率直接决定机器人负载的大小和水流量的多少,并且由于点焊设备耗能极大,所以提高电源效率对节能具有重大点意义,一体化焊钳主要就看它的电源变压器质量。当车间里点焊机很多时,耗电量极大,如果光靠提高车间供电变压器的容量,势必造成资源和金钱的浪费,而且当多台焊机同时工作时,容易造成电网负载陡增,电网电压陡降的情况,因此,应设置焊接群控系统,对多台焊机进行群控,实现焊接电流的分时交错,稳定电网电压,保证焊点的质量。焊钳的选择主要看形状是否能适应工作要求,再有就是要看水、气路和接头是否设计合理,是否易发生漏气、漏水事故。电缆的选择也很重要,要求选用无感电缆。对于一体化焊钳,由于将电网动力电直接接到焊接变压器上,如果将电源线随意放置,那么由于机器人的不断运动,会与电源线发生磨擦,如果导线裸露,后果不堪设想,因此,一要选择耐磨电缆,二要把电缆随机器人固定好或干脆用耐磨软管套在电缆外边。有的机器人生产厂家的产品设计时考虑的很周到,可以将水、电、气等管线穿过机器人本体内部或能很方便地固定于机器人本体上,这样就避免了出现以上后果的可能。压缩空气和水的供应质量也很重要,必须先经过过滤,去除水中的杂质和空气中的尘埃颗粒,否则时间久了会发生堵塞或腐蚀,造成水压、气压不足,影响产品的质量和焊钳的寿命。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/15/2007)
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