焊接机器人及其操作应用.ppt
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1、 焊接机器人及其操作应用 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 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 课前回顾 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？学习目标学习目标 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。
2、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。认知目标认知目标能力目标能力目标导入案例 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生产线成功投入运行动化生产线成功投入运行 所 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国家战略性新兴产业启动“基于工业机器人的汽车焊接自动化生产
3、线”项目，重点支持安徽埃夫特智能装备有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、北工业大学、中国科学院自动化研究所、北京航空航天大学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、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。安徽埃夫特智能装备有限公司安徽埃夫特智能装备有限公司 安徽埃夫特智能装备有限公司成立于2007年8月，注册资本20000万元，是一家专门从事工业机器人、大型物流储运设备及非标生产设备设计和制造的高新技术企业。埃夫特公
4、司拥有各类技术和管理人才300余人，先后牵头承担工信部国家科技重大专项2项，科技部863计划项目4项，发改委智能制造装备发展专项2项，安徽省科技攻关项目3项，获得国家科技进步二等奖1项，参与制定机器人行业国家标准1项。相关视频1、保温杯的焊接2、丰田车身焊接3、弧焊机器人4、点焊机器人焊接焊接焊接：焊接：也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接通过下列三种途径达成接合的目的：1、加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助；2、单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连接工件（
5、如软钎焊、硬焊）；3、在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合（如锻焊、固态焊接）。依具体的焊接工艺，焊接可细分为气焊、电阻焊、电弧焊、感应焊接及激光焊接等其他特殊焊接。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。无论在何处，焊接都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。焊接给人体可能造成的伤害包括烧伤、触电、视力损害、吸入有毒气体、紫外线照射过度等。7.1 焊接机器人的分类及特点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
6、者对它进行一次示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，随后机教，随后机 器人即可精确地再现示教的每一步操作。如让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，无须机器人去做另一项工作，无须 改变任何硬件，只要对它再改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。其主要优点有：做一次示教即可。其主要优点有：1）稳定和提高焊接质量，保证其均匀性；2）提高劳动生产率，一天可 24 小时连续生产；3）改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；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
7、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。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节型机器人关节型机器人，绝大部分有 6 个轴，目前焊接机器人应用中比较普遍的主要有 3 种：点点焊机器人、弧焊机器人焊机器人、弧焊机器人和激光焊接机器人激光焊接机器人。c)激光焊接机器人机器人 a)点焊机器人 b)弧焊机器人 点焊点焊 通常分为双面点焊和单面点焊两大类。双双面点焊时，电极由工件的两侧向焊接处馈电面点焊时，电极由工件的两侧向焊接处馈电。典型的双面点焊方式是最常用的方式，这时工件的两侧均有电极压痕。大焊接面积的导电板做下电极，这样可以消除或减轻下面工件的压
8、痕。常用于装饰性面板的点焊。同时焊接两个或多个点焊的双面点焊，使用一个变压器而将各电极并联，这时，所有电流通路的阻抗必须基本相等，而且每一焊接部位的表面状态、材料厚度、电极压力都需相同，才能保证通过各个焊点的电流基本一致采用多个变压器的双面多点点焊，这样可以避免的不足。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 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装配生产线上的电阻点焊开始的。汽车车身的机器人点焊作业 所 处 位 置 最初，点焊机器人只用于增强焊作业增强焊作业，即往已拼接好的工件上增加焊点。后来，为保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。【课
9、堂 认 知】b)车门框架增强焊 a)车门框架定位焊 汽车车门的机器人点焊作业 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，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位动作要平稳，定位 要准确，以减少移位的要准确，以减少移位的时间，提高工作效率时间，提高工作效率。具体来说如下：所 处 位 置 【课 堂 认 1)安装面积小，工作空间大；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
10、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。知】弧焊弧焊 电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。电弧电弧 ：由焊接电源供给的，在工件与焊条两极间产生强烈而持久的气体放电现象叫电弧电弧电弧电弧焊电弧焊所 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 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。
11、处 位 置 【课 堂 认 知】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。熔化极气体保护焊机器人 熔化极气体保护焊机器人 弧焊机器人 所 处 位 置 【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 焊很快发展为汽车零部件及其装配过程中的电弧焊。认 知】a）座椅支架 b）消音器 汽车零部件的机器人弧焊作业 所 处 位 置 【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 械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。认 知】工程机械的机器人弧焊作业
12、所 处 位 置 【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。除在运动过程中速度的稳定性和轨迹精度轨迹精度是两项重要指标。其他性能如下 认 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。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一 中国的激光焊接处于世界先进水平，具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。2013年10月，中国焊接专家
13、获得了焊接领域最高学术奖-布鲁克奖，中国激光焊接水平得到了世界的肯定。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，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业，其末端持握的工具是激光加激光加工头工头。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。所 处 位 置 【课 堂 认 知】a）激光焊接机器人 b）激光切割机器人 激光加工机器人激光加工机器人 所 处 位 置 【课 堂 认 知】汽车车身的激光焊接作业 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 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
14、器人激 光焊的焊缝跟踪精度要求更高。基本性能要求如下：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）具备良好的振动抑制和控制修正功能。7.2 焊接机器人的系统组成 7.2.1 点焊机器人 点焊机器人主要由操作机操作机、控制系统控制系统和点焊焊接系统等组成。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 驱动。控制系统由 本体控制本体控制 和 焊接控制焊接控制 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。焊钳 能安全
15、、快速地装上焊条和取下剩余的焊条残段；在任一规定的部位夹持焊条，均可使其焊到只剩下50mm长；在操作者不施加任何外力的情况下，夹紧制造厂所规定的各种规格直径的焊条；焊条与工件粘接在一起时，能将焊条脱离工件。水冷机:水冷机是冷水机的俗称，田枫冷水机是一种水冷却设备，冷水机是一种能提供恒温、恒流、恒压的冷却水设备。点焊机器人焊钳（外形结构）a）C 型焊钳 b）X 型焊钳 7.2.1 点焊机器人点焊机器人 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。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
16、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。气动焊钳 伺服焊钳 伺服焊钳与气动焊钳相比，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。7.2.1 点焊机器人 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、内藏式和一体式 3 种。所 处 位 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
17、择。分离式焊钳 所 处 位 置 内藏式焊钳内藏式焊钳 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。一体式焊钳 优点：省 掉二次电 缆及悬挂 变压器的 工作架，节省能量。缺点：焊钳重 量显著增大，体积变大，焊钳重量在机器人活动手腕上 产生惯性力易 引起过载 7.2.1 点焊机器人点焊机器人 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。中频焊钳相对于工频焊钳有以下优点：位
18、 置 【课 堂 认 1）直流焊接；2）焊接变压器小型化；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 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。知】中频点焊机中频点焊机:新型电阻焊机。最新型中频点焊机，由触摸屏实现一屏操控，显示器能够显示每次焊接的焊接电流，并且能及时的显示故障及错误警告。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。7.2.2 弧焊机器人弧
19、焊机器人 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、控制系统、弧焊系统和安全设备等组成。所 处 位 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 弧焊机器人系统组成 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 焊枪焊枪 是指焊接过程中，执行焊接操作的部分，它使用灵活，方便快捷，工艺简单。弧焊机器人控制系统在控
20、制原理、功控制原理、功能及组成上能及组成上和通用工业机器人基本 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。所 处 位 置 【课 堂 弧焊系统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 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）通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、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
21、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。认，知】MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）英文：焊（熔化极惰性气体保护焊）英文：metal inert-gas welding使用熔化电极，以外加气体作为电弧介质，并保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的电弧焊方法，称为熔化极气体保护电弧焊。用实芯焊丝的惰性气体（Ar或He）保护电弧焊法称为熔化极惰性气体保护焊，简称MIG焊。MAG(Metal Active Gas Arc Welding)焊是熔化极活性气体保护电弧焊的英文简称。它是在氩气中加入少量的氧
22、化性气体（氧气，二氧化碳或其混合气体）混合而成的一种混合气体保护焊。我国常用的是80%Ar+20%二氧化碳的混合气体，由于混合气体中氩气占的比例较大，故常称为富氩混合气体保护焊。TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding），又称为非熔化极惰性气体钨极保护焊。无论是人工焊接还是自动焊接0.54.0mm厚的不锈钢时，TIG焊比常用的。用TIG焊加填丝的方式常用于压力容器的打底焊接，原因是TIG焊接的气密性较好能降低压力容器焊焊接时焊缝的气孔。TIG焊的热源为直流电弧，工作电压为1095伏，但电流可达600安。焊机的正确连结方式是工件连结电源的正极，焊炬中的钨极作为负极。惰性气体
23、一般为氩气。安全设备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各类触觉或接近传感器接近传感器，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变化。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
24、 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 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
25、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）；10)激光加工工作台。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；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 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）选择不同的激光加工头。位 置 【课 堂 认 知】c)激光熔
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- 关 键 词：
- 焊接 机器人 及其 操作 应用
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