工业机器人技术及应用兰虎第7章.ppt
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1、章节目录 7.1 焊接机器人的分类及特点 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 7.2.2 弧焊机器人 7.2.3 激光焊接机器人 思考练习 学习目标 导入案例 扩展与提高 本章小结 课堂认知 7.3 焊接机器人的作业示教 7.3.1 点焊作业 7.3.2 熔焊作业 7.4 焊接机器人的周边设备.7.4.1 周边设备 7.4.2 工位布局 1/89 课前回顾 所 处 位 置 简述码垛机器人如何进行码垛作业？码垛机器人有哪些周边设备，并叙述其功用？【课 前 回 顾】返回 目录 2/89 学习目标 所 处 位 置 了解焊接机器人的分类及 能够识别常见焊接机器人 特点。【工作站基本构
2、成。学 掌握焊接机器人的系统基 能够进行焊接机器人的简 习 本组成。目 单弧焊和点焊作业示教。标 熟悉焊接机器人作业示教】的基本流程。熟悉焊接机器人典型周边 设备与布局。返回 目录 3/89 认知目知目标能力目能力目标导入案例 国内首条具有完全自主知识产权的智能化工业机器人焊接自动化 所 生产线成功投入运行 处 位 置 随着机器人和数字制造 技术的发展，以人工智能为【代表的智能技术和机器人为 导 入 代表的智能装备日益广泛应 案 例】用，以加工和制造为基础的 劳动密集型产业模式逐渐被 淘汰，使得全球技术要素与市场要素的配置方式发生革命性变化。2011 年，国家战略性新兴产业启动“基于工业机器人
3、的汽车焊接自动化生 产线”项目，重点支持安徽埃夫特智能装备有限公司、奇瑞汽车股份有限公司、哈尔滨工业大学、中国科学院自动化研究所、北京航空航天大学等单位联合研 制的项目，并首次在奇瑞汽车焊接生产线上示范应用，该生产线能够实现 4 平台、返回 目录 6 种以上车型的白车身柔性化生产，生产线节拍达到 100 秒/车。4/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 使用机器人完成一项焊接任务只需要操作者对它进行一次示教，随后机 所 处 器人即可精确地再现示教的每一步操作。如让机器人去做另一项工作，无须 位 改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。其主要优点有：置 1）稳定和提高焊接质量，保证其均匀性；【2
4、）提高劳动生产率，一天可 24 小时连续生产；课 堂 认 3）改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；知】4）降低对工人操作技术的要求；5）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；6）可实现小批量产品的焊接自动化；7）能在空间站建设、核电站维修、深水焊接等极限条件下 完成人工难以进行的焊接作业；8）为焊接柔性生产线提供技术基础。返回 目录 5/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节型机器人，绝大部分有 6 所 个轴，目前焊接机器人应用中比较普遍的主要有 3 种：点焊机器人、弧焊机 处 位 器人和激光焊接机器人。置 【课 堂 认 知】返回 c)激光焊
5、接机器人机器人 a)点焊机器人 b)弧焊机器人 目录 6/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 点焊机器人 点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人，其末端持握 处 的作业工具是焊钳。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车 位 置 装配生产线上的电阻点焊开始的。【课 堂 认 知】汽车车身的机器人点焊作业 返回 目录 7/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 点焊机器人 点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人，其末端持握 处 的作业工具是焊钳。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车 位 置 装配生产线上的电阻点焊开始的。最初，点焊机器人只用于增强焊作业，即往已拼接好的工
6、件上增加焊 点。后来，为保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。【课 堂 认 知】b)车门框架增强焊 a)车门框架定位焊 返回 汽车车门的机器人点焊作业 目录 8/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 点焊机器人 点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人，其末端持握 处 的作业工具是焊钳。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车 位 置 装配生产线上的电阻点焊开始的。点焊机器人逐渐被要求有更全的作业性能，点焊用机器人不仅要有足 够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位【要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。具体来说如下：课 堂 认 1)安装面积小，工作空间大
7、；知】2)快速完成小节距的多点定位（如每 0.30.4 s 移动 3050 mm 节距后定位）；3)定位精度高（0.25 mm），以确保焊接质量；4)持重大（50150 kg），以便携带内装变压器的焊钳；5)内存容量大，示教简单，节省工时；6)点焊速度与生产线速度相匹配，同时安全可靠性好。返回 目录 9/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 弧焊机器人 弧焊机器人是用于弧焊（主要有熔化极气体保护焊和非熔化 处 极气体保护焊）自动作业的工业机器人，其末端持握的工具是焊枪。事实 位 置 上，弧焊过程比点焊过程要复杂得多，被焊工件由于局部加热熔化和冷却 产生变形，焊缝轨迹会发生变化。因此，焊接机
8、器人的应用并不是一开始 就用于电弧焊作业。而是伴随焊接传感器的开发及其在焊接机器人中的应【用，使机器人弧焊作业的焊缝跟踪与控制问题得到有效解决。课 堂 认 知】返回 熔化极气体保护焊机器人 熔化极气体保护焊机器人 目录 弧焊机器人 10/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 弧焊机器人 弧焊机器人是用于弧焊（主要有熔化极气体保护焊和非熔化 处 极气体保护焊）自动作业的工业机器人，其末端持握的工具是焊枪。事实 位 置 上，弧焊过程比点焊过程要复杂得多，被焊工件由于局部加热熔化和冷却 产生变形，焊缝轨迹会发生变化。因此，焊接机器人的应用并不是一开始 就用于电弧焊作业。而是伴随焊接传感器的开发及
9、其在焊接机器人中的应【用，使机器人弧焊作业的焊缝跟踪与控制问题得到有效解决。课 堂 焊接机器人在汽车制造中的应用也相继从原来比较单一的汽车装配点 认 焊很快发展为汽车零部件及其装配过程中的电弧焊。知】a）座椅支架 b）消音器 返回 目录 汽车零部件的机器人弧焊作业 11/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 弧焊机器人 弧焊机器人是用于弧焊（主要有熔化极气体保护焊和非熔化 处 极气体保护焊）自动作业的工业机器人，其末端持握的工具是焊枪。事实 位 置 上，弧焊过程比点焊过程要复杂得多，被焊工件由于局部加热熔化和冷却 产生变形，焊缝轨迹会发生变化。因此，焊接机器人的应用并不是一开始 就用于电弧
10、焊作业。而是伴随焊接传感器的开发及其在焊接机器人中的应【用，使机器人弧焊作业的焊缝跟踪与控制问题得到有效解决。课 堂 由于弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及，使得弧焊机器人在通用机 认 械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。知】返回 目录 工程机械的机器人弧焊作业 12/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 弧焊机器人 弧焊机器人是用于弧焊（主要有熔化极气体保护焊和非熔化 处 极气体保护焊）自动作业的工业机器人，其末端持握的工具是焊枪。事实 位 置 上，弧焊过程比点焊过程要复杂得多，被焊工件由于局部加热熔化和冷却 产生变形，焊缝轨迹会发生变化。因此，焊接机器人的应用并不是一开始 就用于电弧焊
11、作业。而是伴随焊接传感器的开发及其在焊接机器人中的应【用，使机器人弧焊作业的焊缝跟踪与控制问题得到有效解决。课 堂 为适应弧焊作业，对弧焊机器人的性能有着特殊的要求。除在运动过 认 程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。其他性能如下 知】1)能够通过示教器设定焊接条件（电流、电压、速度等）；2)摆动功能；3)坡口填充功能；4)焊接异常功能检测；5)焊接传感器（焊接起始点检测、焊缝跟踪）的接口功能。返回 目录 13/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 激光焊接机器人 激光焊接机器人是用于激光焊自动作业的工业机器人，处 通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业，其末端持握的工具 位
12、 置 是激光加工头。具有最小的热输入量，产生极小的热影响区，在显著提高 焊接产品品质的同时，降低了后续工作量的时间。【课 堂 认 知】a）激光焊接机器人 b）激光切割机器人 返回 激光加工机器人 目录 14/89 7.1 焊接机器人的分类及特点 所 激光焊接机器人 激光焊接机器人是用于激光焊自动作业的工业机器人，处 通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业，其末端持握的工具 位 置 是激光加工头。具有最小的热输入量，产生极小的热影响区，在显著提高 焊接产品品质的同时，降低了后续工作量的时间。【课 堂 认 知】汽车车身的激光焊接作业 返回 目录 15/89 7.1 焊接机器人的分类及特点
13、所 激光焊接机器人 激光焊接机器人是用于激光焊自动作业的工业机器人，处 通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业，其末端持握的工具 位 置 是激光加工头。具有最小的热输入量，产生极小的热影响区，在显著提高 焊接产品品质的同时，降低了后续工作量的时间。激光焊接成为一种成熟的无接触的焊接方式已经多年，极高的能量密【课 度使得高速加工和低热输入量成为可能。与机器人电弧焊相比，机器人激 堂 光焊的焊缝跟踪精度要求更高。基本性能要求如下：认 知】1）高精度轨迹（0.1 mm）；2）持重大（3050 kg），以便携带激光加工头；3）可与激光器进行高速通信；4）机械臂刚性好，工作范围大；5）具备良好的
14、振动抑制和控制修正功能。返回 目录 16/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 所 处 点焊机器人主要由操作机、控制系统和点焊焊接系统等组成。位 置 【课 堂 认 知】返回 目录 17/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 所 处 点焊机器人本体多为关节型 6 自由度。驱动方式主要为 液压驱动 和 电气 位 驱动。置 控制系统由 本体控制 和 焊接控制 两部分组成，点焊焊接系统主要由点焊 控制器（时控器）、焊钳（含阻焊变压器）及水、电、气等辅助部分组成。【机器人点焊用焊钳从外形结构上有 C 型和 X 型 2 种。C 型焊钳用于点焊垂直 课 堂 及近于
15、垂直倾斜位置的焊点；X 型焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜 认 知 位置的焊点。】b）X 型焊钳 返回 a）C 型焊钳 目录 点焊机器人焊钳（外形结构）18/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 所 处 从电极臂加压驱动方式，点焊机器人焊钳分为气动焊钳和伺服焊钳 2 种。位 置 气动焊钳 利用汽缸来加压，可具有 2-3 个行程，能够使电极完成大开、小 开和闭合 3 个动作，电极压力一旦调顶不能随意变化，目前比较常用。伺服焊钳 采用伺服电机驱动完成焊钳的张开和闭合，焊钳张开度可任意【选定并预置，且电极间的压紧力可无级调节。课 堂 认 知】伺服焊钳 气动焊钳 伺服焊钳与气
16、动焊钳相比，具有 提高工件的表面质量、提高生产效率、返回 改善工作环境 等优点。目录 19/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 所 依据阻焊变压器与焊钳的结构关系上，点焊机器人焊钳可分为分离式、内 处 位 藏式和一体式 3 种。置 分离式焊钳 阻焊变压器与钳体相分离，两者之间用二次电缆相连。【课 堂 认 知】缺点：需要大容量的 阻焊变压器，电力损 优点：减小了机 耗较大，能源利用率 器人的负载，运 低。二次电缆存在限 动速度高，价格 制了点焊工作区间与 便宜。焊接位置的选择。分离式焊钳 返回 目录 20/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 所 依
17、据阻焊变压器与焊钳的结构关系上，点焊机器人焊钳可分为分离式、内 处 位 藏式和一体式 3 种。置 内藏式焊钳 是将阻焊变压器安放到机器人机械臂内，变压器的二次电缆可 在内部移动。【优点：二 课 缺点：机器人 次电缆较 堂 本体的设计变 认 短，变压 知 得复杂。器的容量】减小。内藏式焊钳 一体式焊钳 是将阻焊变压器和钳体安装在一起，共同固定在机器人机械臂末 端法兰盘上。缺点：焊钳重 优点：省 量显著增大，掉二次电 体积变大，焊 缆及悬挂 钳重量在机器 变压器的 人活动手腕上 工作架，返回 产生惯性力易 目录 节省能量。一体式焊钳 引起过载 21/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1
18、点焊机器人 所 处 按照焊钳的变压器形式，又可分为中频焊钳和工频焊钳。中频焊钳相对于工 位 置 频焊钳有以下优点：1）直流焊接；【课 2）焊接变压器小型化；堂 认 3）提高电流控制的响应速度，实现工频电阻焊机无法实现的焊接工艺焊 知】接工艺；4）三相平衡负载，降低了电网成本；功率因数高，节能效果好。综上，点焊机器人焊钳主要以驱动和控制相互组合，可以采用工频气动 式、工频伺服式、中频气动式、中频伺服式。这几种形式各有特点，从技术 优势和发展趋势来看，中频伺服机器人焊钳应是未来的主流，它集中了中频 直流点焊和伺服驱动的优势，是其他形式无法比拟的。返回 目录 22/89 7.2 焊接机器人的系统组成
19、 7.2.2 弧焊机器人 所 处 弧焊机器人的组成与点焊机器人基本相同，主要由是由操作机、控制系 位 统、弧焊系统和安全设备等组成。置 【课 堂 认 知】1 气瓶；2 焊丝桶；3 送丝机；4 操作机；5 焊枪；6 工作台；7 供电及控制电缆；8 弧焊电源；9 示教器；10 机器人控制柜 返回 弧焊机器人系统组成 目录 23/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.2 弧焊机器人 所 处 弧焊机器人操作机的结构与点焊机器人基本相似，主要区别在于 末端执行器-焊枪。位 置 【课 堂 认 知】a)电缆外置式机器人气保焊枪 b)电缆内藏式机器人气保焊枪 c)机器人氩弧焊焊枪 弧焊机器人用焊枪 返回
20、 目录 24/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.2 弧焊机器人 所 处 弧焊机器人控制系统在控制原理、功能及组成上和通用工业机器人基本 位 相同。目前最流行的是采用分级控制的系统结构，一般分为两级：上级具有存 置 储单元，可实现重复编程、存储多种操作程序，负责管理、坐标变换、轨迹生 成等；下级由若干处理器组成，每一处理器负责一个关节的动作控制及状态检 测，具有实时性好，易于实现高速、高精度控制。【课 堂 弧焊系统是完成弧焊作业的核心装备，主要由弧焊电源、送丝机、焊枪和 认 气瓶等组成。弧焊机器人多采用气体保护焊方法（CO2、MIG、MAG 和 TIG），知】通常的晶闸管式、逆变式、波
21、形控制式、脉冲或非脉冲式等焊接电源都可以装 到机器人上作电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟 控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口,如如 FANUC 弧焊机器人 采用美国 LINCOLN 电源。安全设备是弧焊机器人系统安全运行的重要保障，其主要包括驱动系统 过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工 作空间干涉自断电保护和人工急停断电保护等，它们起到防止机器人伤人或 保护周边设备的作用。在机器人的末端焊枪上还装有各类触觉或接近传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。当发生碰撞时，一 定要检验焊枪是否被碰歪，防止工具中心点发生
22、变化。返回 目录 25/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.2 弧焊机器人 所 处 位 置 【课 美国林肯 焊接电源 堂 认 知】FANUC 弧焊机器人工作站采用美国 LINCOLN 焊接电源 返回 目录 26/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.3 激光焊接机器人 所 机器人是高度柔性的加工系统，这就要求激光器必须具有高度的柔性，处 位 目前激光焊接机器人都选用可光纤传输的激光器（如固体激光器、半导体激 置 光器、光纤激光器等）。在机器人手臂的夹持下，其运动由机器人的运动决 定，因此能匹配完全的自由轨迹加工，完成平面曲线、空间的多组直线、异 形曲线等特殊轨迹的激光焊接。【课
23、智能化激光加工机器人主要由以下几部分组成：堂 1)大功率可光纤传输激光器；认 知 2)光纤耦合和传输系统；】3)激光光束变换光学系统；4)六自由度机器人本体；5)机器人数字控制系统（控制器、示教器）；6)激光加工头；7)材料进给系统（高压气体、送丝机、送粉器）；8)焊缝跟踪系统（包括视觉传感器、图像处理单元、伺服控制单元、运 动执行机构及专用电缆等）；9)焊接质量检测系统（包括视觉传感器、图像处理单元、缺陷识别系统 及专用电缆等）；返回 10)激光加工工作台。目录 27/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.3 激光焊接机器人 所 处 位 置 【课 堂 认 知】1 激光器；2 光导系统；
24、3 遥控盒；4 送丝机；5 激光加工头；6 操作机；7 机器人控制柜；8 焊接电源 激光焊接机器人系统组成 返回 目录 28/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.3 激光焊接机器人 所 处 激光加工头装于六自由度机器人本体手臂末端，其运动轨迹和激光加工参 位 数是由机器人数字控制系统提供指令进行。根据用途不同（切割、焊接、熔覆）置 选择不同的激光加工头。【课 堂 认 知】c)激光熔覆 a)激光切割 b)激光焊接 返回 激光加工头 目录 29/89 7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.3 激光焊接机器人 所 处 位 置 【课 堂 认 知】激光焊接机器人控制系统架构 综上，焊接机器人主要
25、包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机 器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为 返回 例，则由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（焊钳）目录 等部分组成。30/89 7.3 焊接机器人的作业示教 7.3.1 点焊作业 所 处 点焊是最广为人知的电阻焊接工艺，通常用于板材焊接。焊接限于一个 位 或几个点上，将工件互相重叠。置 TCP 点确定：对点焊机器人而言，其一般设在焊钳开口的中点处，且要求焊钳两电极【垂直于被焊工件表面。课 堂 认 知】返回 目录 焊接作业姿态 工具中心点设定 31/89 7.3 焊接机器人的作业示教 7.3.1 点焊作业 所 处 以下图
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