研究生---焊接机器人系统技术

一.机器人技术概述1.1机器人的一般概念机器人作为20世纪出现的新名词，是从英文“ROBOT”一词译过来的。国际上关于机器人仍然没有统一的定义。国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人下了一个定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机”,大多数机器人是用于生产活动，以提高产品质量或生产效率的，也可以说机器人是一个通用的自动化装置。1.2焊接机器人的发展1.2.概况现代机器人学作为一门集机械、电子、计算机、光学、信息与自动控制以及人工智能等为一体的综合技术学科，它的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展、以及原子能的开发和利用。最早的需求背景:原子能实验室的恶劣环境要求某种机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，用于搬运放射性材料,1948年又开发了机械式的主从机械手。美国机器人技术的发展1954年美国的DEVOC最早提出了工业机器人的思想，并申请了专利;1958年美国的CONSOLIDATED公司制作了第一台机器人;1962年，美国UNIMATION公司的第一台UNIMATE机器人在美国通用汽车厂投入使用;1968年,麦卡锡人工智能实验室报告了有手、眼和耳的机器人的开发情况;此时，其他国家也开始认识到工业机器人的潜力。日本机器人技术的发展1967年,日本于从美国引进第一台UNIMATE机器人,并成立了人手研究会;1968年,日本开始研制机器人;1973年,日本产业用机器人工业会（JIRA）创立;1980年，工业机器人真正在日本普及，称该年为“机器人元年”。据报道;到1984年底，日本已拥有工业机器人67300台;92年达349，458台，2000年约超过500,000,数量占世界首位。欧洲及前苏联机器人技术的发展前苏联从六、七十年代开始开发应用机器人。1963年研制成功第一台焊接机器人，1972年研制成功监控式具有传感器的机器人，并用于海洋考察。此外，英国、西德、瑞典、瑞士等都有活跃的研究机构，并进行了大量的研究，取得了很大的成果。我国机器人技术的发展•我国也从70年代初开始注重机器人技术的研究。“七五”、“八五”、“九五”期间，机器人技术一直被列入国家重点科技攻关项目。沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、清华大学、南京理工大学等对机器人的相关技术展开了深入的研究，初步掌握了设计和制造机器人的核心技术。并相继研制出一批工业机械手投入生产应用。甚至在实验室研制出手眼机器人和仿人行走机器人等达国际先进水平的第二、第三代智能机器人。•但在机器人产业化方面仍远远落后于工业发达国家。1.3焊接机器人的应用1.3.1概述工业机器人的应用范围十分广泛，它首先适于在高温、有毒、高粉尘及存在放射性物质等恶劣的作业环境下或在一些人所不能到达的范围内使用，同时，也用于完成如装饰、搬运等重复性的枯燥、繁重的任务,目前主要应用于自动化工业部门，其中应用最多的行业是汽车制造业。国外许多学者都认为：一个国家不拥有一定数量的机器人，就不具备二十一世纪竞争的工业基础。因此，在一些产业部门，大力开发机器人技术、发展国内机器人产业有着重大的技术意义。世界主要工业国家及地区焊接机器人数量对比表序国别焊接机器台工业机器人（台）焊接机器人比例%密度1日本第190,000500,0003868.02美国一66,000150,0004431.23德国梯队44,400120,0003737.84意大利第21,00060,0003535.05法国二25,800060,0004325.06英国梯20,00050,0004019.87瑞典队12,40031,0004040.08西班牙6,40011,0005840.09台湾4,0007,00057．0大陆3500.00,45%10芬兰3,8008,00048.024.011奥地利第3,6008,00045.012丹麦三1,2003.00040.013波兰梯6702,00033.014挪威队6702.00033.0•上表说明，那些经济迅速发展的或发达的工业国家，都把机器人用于焊接作为一个主要的方向。自上世纪中期，一些欧美国家每年新增机器人数量以40%的速度增加，如美国、德国、法国、西班牙、韩国等等。台湾每年新增机器人数量达到800台。有专家在九十年代初预测中后期大陆将每年新增机器人数量100-150台，但由于经济大环境的原因，实际未达到该增量。•当进入21世纪发展极为迅速，2007年增4000台/年；1.3.2机器人技术发展的动力概述日本Hasegawa教授等认为机器人的发展与劳动力成本、机器人价格有关，见下图。机器人数量机器人价格劳力成本机器人数量与机器人价格和劳力成本的关系•工业自动化目标:年代美国日本90综合（市场响应速度第一）劳力不足80质量（质量竞争第一）质量/可靠性70成本（价格竞争第一）60效率成本效率50效率（规模生产效益第一）经济恢复1.3.3焊接机器人应用的领域日本:汽车等车辆行业约占45%、造船约占11%、机器制造约占8%、金属制造约占7%、电机5%、桥梁2%、其它22%。“其它”是指目前不便归类的诸多产品。其它22%也说明弧焊机器人应用的广泛性。中国焊接机器人应用情况02年前机器人行业分布96年前弧焊机器人行业分布其它20%工程机械汽车制造14%43%摩托车8%汽车另部件1015%国产6%其它1%工程汽车另机械汽部件30%30%摩托车25%02年以前国产3%其它1%欧洲27%德国29%日本40%合资外资企业40%内资企业60%•从中国机械工程学会和焊接协会在96年的调查表明，我国目前使用焊接机器人进行生产的工厂大约有70家左右，焊接机器人总数达到500台（包含高等院校及科研单位用的焊接机器人），已建成的机器人焊接机器人柔性生产线5条，机器人焊接工作站约300个，国内已具有生产点焊、弧焊机器人设计制造能力的厂家近10家。在工厂中用作弧焊的机器人稍比点焊的多，分别占53%和46%。这些机器人主要集中在汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里。到2000年，我国安装的焊接机器人总数为1600台，约占所有机器人总数的45%。从这个数目来看，我国的焊接机器人的装机数量并不多。•至2007年，年增长4000台，预计在今后几年内，我国焊接机器人的装机数量还将会持续快速增长。•至2007年，年增长4000台，预计在今后几年内，我国焊接机器人的装机数量还将会持续快速增长；•至2006年兵器系统新增机器人系统28套，24套在装甲车辆行业，4套在弹箭行业。•据IFR统计，截至2000年底，世界上工业机器人总的装机数量在100万台以上，从1997年起，世界上工业机器人每年的装机数量都超过8万台，2000年的装机数量比上一年增加了25%。同时机器人的价格却在逐年下降，2004年的单台机器人价格只有1990年时的约八分之一。我国机器人研究情况•国家“863”计划智能机器人主题“九五”期间的指导思想是“把高科技成果向大中型企业转移，以加速机器人的推广与应用，创建我国的机器人产业阵地，形成自主知识产权体系。1996年7月，“一汽”与“863”智能机器人主题合作开发的HT—100A型点焊机器人试制成功。•以中科院沈阳自动化所与沈阳第一机床厂为基础组建的东北机器人集团公司辽宁省工业机器人生产基地。1995年研制成功S1—348多关节6自由度可用于弧焊的机器人。计划于2000年形成年产量1000台的生产能力。我国机器人研究情况•湖北东风汽车装配公司与德国KUKA公司合作于1996年5月组装了第一台KUKA125KG点焊机器人。•1996年9月，首钢莫托曼机器人有限公司成立。该公司由首钢总公司、日本安川电机公司、岩谷产业公司共同投资组建。该公司全面引进安川公司MOTOMAN系列产品技术，在国内组装并在国内外开展机器人生产线的承包工程。•安川机器人-------摩托曼机器人公司•法拉科机器人----法拉科器人公司•KOKU机器人----KOKU机器人公司•ABB机器人-------ABB机器人公司•Igm机器人--------Igm机器人公司应用焊接机器人系统后可获得如下好处：•(1)提高产品质量；•(2)改善柔性能力；•(3)缩短传递时间；•(4)改善工作环境；•(5)提高企业革新形象和劳动生产率以及降低生产成本。1.4焊接机器人的分类•（1)弧焊机器人由于弧焊工艺早己在诸多行业中得到普及，弧焊机器人在通用机械、造船等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人不只是一个简单的操作运动机构，是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，因而对其性能有着特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪尖端应沿着预定的的焊道轨迹运动，并不断填充金属形成焊缝。•因此运动过程中速度的平稳性和重复定位精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取30—300cm/Min，轨迹重复定位精度约为±(0．2—0．5)mm。其它一些基本性能要求如下：•1)与焊机通讯功能;•2)设定焊接条件(焊接电流、焊接电压、焊接速度等)，引弧、熄弧焊接条件设置，断弧检测及搭接功能等；•3)摆动功能及摆焊文件设置；•4)坡口填充功能；•5)焊接异常功能检测；•6)焊接传感器(起始焊点检出及焊缝跟踪)的接口功能；•7)与计算机及网络接口功能。•（2)点焊机器人汽车工业是点焊机器人系统一个主要的应用领域，在装配每台汽车车体、车身时，大约60％的焊点是由机器人完成。最初，点焊机器人只用于往己拼接好的工件上增加焊点，后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。这样，点焊机器人逐渐被要求有更好的作业性能，主要有：•1)与点焊机的接口通讯功能；•2)工作空间大；•3)点焊速度与生产线速度相匹配，快速完成小节距的多点定位(大约每0．3—0．4s移动30—50mm且准确定位)；•4)持重大(50—100kg)，以便携带内装变压器的焊钳；•5)定位准确，精度约±0．25mm，以确保焊接质量；•6)内存容量大，示教简单；•7)离线编程接口功能。1.4焊接机器人的分类•焊接机器人是一个典型的机电一体化产品，可以按动力源驱动方式、用途、运动轨迹方式等不同对其进行分类。•按动力源驱动方式不同分，焊接机器人各分为以下几类：•（1)气压驱动使用压力在0．4—1．0MPa。气压驱动的主要优点是气源方便，驱动系统采用具有缓冲作用的汽缸，气压驱动结构简单，成本低，易于保养；主要缺点是装置体积大，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合，一般用于专用机器人如搬运、防爆机器人。•（2)液压驱动液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能通过流量阀在很大范围内实现无级调速；其主要缺点是需要油泵液压站，容易漏油，这不仅影响工作稳定性与定位精度，而且污染环境，液压系统需配备压力源及复杂的管路系统，因而故障多，维修复杂，成本也较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度要求不太高的场合，一般用于专用机器人。•（3)电气驱动电气驱动是利用各种电动机产生的力或转距，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。驱动电机又可分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷直流电机驱动和交流伺服电机驱动等多种方式。交流伺服电机驱动有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性很高，寿命长，维护更换容易。电气驱动由于具有易于控制，运动精度高，使用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境的诸多优点，是最普遍、应用最多的驱动方式。目前生产的机器人大多采用交流伺服电机驱动。按操作手机构的坐标系特点来分•（1)直角坐标型这类机器人的结构和控制方案与机床类似，其到达空间位置的三个运动是由直线运动构成，运动方向互相垂直，其末端操作器的姿态调节由附加的旋转机构实现。这种形式的机器人优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作客积内任一点上均为恒定，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，工作空间小，操作灵活性较差。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。•（2)圆柱坐标型这类机器人在基座水平转