1、在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达 150 台。汽车工业引入机器人已取得了下述明显效益：改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量：提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱。最初，点焊机器人只用于增强焊点作业 （ 往已拼接好的工件上增加焊点 ） 。后来，为了保样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有：安装面积小，工作空间大：快速完成小节距的多点定位 （ 例如每 0 3 0 .4s 移动 30 50mm 节距后定位 ） ：定位精度高 （ 0 25mm） ，以确保焊接质量：持重大 （300 1000N） ，以便携带内装变压器的焊
2、钳；示教简单，节省工时；安全可靠性好。工业机器人作为现代制造技术发展的重要标志之一和新兴技术产业， 已为世人所认同。并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要影响。从 1962 年美国推出世界上第一台 Unimate 型和 Versatra 型工业机器人以来，根据国际机器人协会截止到 1996 年底的统计，先后已有 84 万台，现有大约 68 万台工业机器人服役于世界各国的工业界。预计到 2000 年，工业机器人总数将超过 95 万台。我国工业机器人的发展起步较晚，但从 20 世纪 80 年代以来进展较快， 1985 年研制成功华字型弧焊机器人， 1987 年研制成功上海 1 号、 2
3、 号弧焊机器人， 1987 年又研制成功华字型点焊机器人，都已初步商品化，可小批量生产。 1989 年，我国以国产机器人为主的汽车焊接生产线的投入生产，标志着我国工业机器人实用阶段的开始。焊接机器人是应用最广泛的一类工业机器人，在各国机器人应用比例中大约占总数的 40 60 。我国目前大约有 600 台以上的点焊、弧焊机器人用于实际生产。采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化新方式。刚性自动化焊接设备一般都是专用的，通常用于中、大批量焊接产品的自动化生产，因而在中、小批量产品焊接生产中，焊条电弧焊仍是主要焊接方式，焊接机器人使小批量产品的
4、自动化焊接生产成为可能。就目前的示教再现型焊接机器人而言，焊接机器人完成一项焊接任务，只需人给它做一次示教，它即可精确地再现示教的每一步操作，如要机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若干种焊件。焊接机器人的主要优点如下：1） 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；2） 提高生产率，一天可 24h 连续生产；3） 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作：4） 降低对工人操作技术难度的要求；5） 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；6） 可实现小批量产品焊接自动化；7） 为焊接柔性生产线提供技术基础
5、。工业机器人定义和分代概念 关于工业机器人的定义尚未统一，目前联合国标准化组织采用的美国机器人协会的定义如下：工业机器人是一种可重复编程和多功能的、用来搬运物料、零件、工具的机械手，或能执行不同任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统，这个定义不能概括工业机器人的今后发展，但可说明目前工业机器人的主要特点。工业机器人的发展大致可分为三代。第一代机器人，即目前广泛使用的示教再现型工业机器人，这类机器人对环境的变化没有应变或适应能力。第二代机器人，即在示教再现机器人上加感觉系统，如视觉、力觉、触觉等。它具有对环境变化的适应能力， 目前已有部分传感机器人投入实际应用。第三代机器人，即智能机器人，它能
6、以一定方式理解人的命令，感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。目前尚处实验室研究阶段。工业机器人主要名词术语 1） 机械手 （Manipulator） 也可称为操作机。具有和人臂相似的功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。2） 驱动器 （Actuator） 将电能或流体能转换成机械能的动力装置旷3） 末端操作器 （End Effector） 位于机器人腕部末端、直接执行工作要求的装置。如夹持器、焊枪、焊钳等。4） 位姿 （Pose） 工业机器人末端操作器在指定坐标系中的位置和姿态。5） 工作空间 （Working Spa
7、ce） 工业机器人执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。6） 机械原点 （MechanicalOrigin） 工业机器人各自由度共用的，机械坐标系中的基准点。7） 工作原点 （Work Origin） 工业机器人工作空间的基准点。8） 速度 （Velocity） 机器人在额定条件下，匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。9） 额定负载 （Rated load） 工业机器人在限定的操作条件下，其机械接口处能承受的最大负载 （ 包括末端操作器 ） ，用质量或力矩表示。10） 重复位姿精度 （PoseRepeatability） 工业机器人在同一条件下，用
8、同一方法操作时，重复 t 次所测得的位姿一致程度。11） 轨迹重复精度 （PathRepeatability） 工业机器人机械接口中心沿同一轨迹跟随 x 次所测得的轨迹之间的一致程度。12） 点位控制 （PointToPointContr01） 控制机器人从一个位姿到另一个位姿，其路径不限。13） 连续轨迹控制 （Continuous PathContr01） 控制机器人的机械接口，按编程规定的位姿和速度，在指定的轨迹上运动。14） 存储容量 （Memory Capacity） 计算机存储装置中可存储的位置、顺序、速度等信息的容量，通常用时间或位置点数来表示。15） 外部检测功能 （Exter
9、nal MeasuringAbility） 机器人所具备对外界物体状态和环境状况等的检测能力。16） 内部检测功能 （Internal MeasuringAbility） 机器人对本身的位置、速度等状态的检测能力。17） 自诊断功能 （SelfDiagnosisAbility） 机器人判断本身全部或部分状态是否处于正常的能力。 工业机器人的基本构成 工业机器人的基本构成，可参见图 3 和图 4 。图 3 为一台电动机驱动的工业机器人，图 4 为一台液压驱动的工业机器人。焊接机器人基本上都属于这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在 10kg 以内。点焊机器人由
10、于焊钳重量都超过 35kg 。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒 4 个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：（1） 机械手 机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器 （ 如焊枪飞点焊钳 ） 实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结
11、构形式有如下 3 种：1） 机床式 这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的 3 个运动 （x y z） 是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，如图 5 所示，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。图 3 电动机驱动工业机器人 图 4 液压机驱动工业机器人 2） 全关节式 这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，图 6 为正置式全关节机械手，图 7 为偏置式全关节机械手。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大
12、，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。图 5 机床式机械手3） 平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用，又称为 SCARA 型机械手，如图 8 所示。机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国 PUMA 机械手为例来简述其内部机构，见图 9 。它是由机座、大臂、小臂、手腕 4 部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、
13、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆， 以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰， 以连接末端操作器。每个关节都由一台伺服电动机驱动， PUMA 机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是 4 种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。其技术关键是要保证传动双向无间隙 （ 即正反传动均无间隙 ） ，这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。 图 6 正置式全关节机械手图 7 偏置式全关节机械手图 8 平面关节机械手 图 9 PU
14、MA 机械手机构（2） 驱动器 由于焊接机器人大多采用伺服电动机驱动，这里只介绍这类驱动器。工业机器人目前采用的电动机驱动器可分为 4 类：1） 步进电动机驱动器 它采用步进电动机，特别是细分步进电动机为驱动源，由于这类系统一般都是开环控制，因此大多用于焙席较低的经济型工业机 9S 人。2） 直流伺服电动机系统 它采用直流伺服电动机系统，由于它能实现位置、速度、加速度 3 个闭环控制。精度高、变速范围大、动态性能好。因此，是目前工业机器人的主要驱动方式。3） 交流电动机伺服系统驱动器 它采用交流伺服电动机系统，这种系统具有直流伺服系统的全部优点，而且取消了换相炭刷，不需要定期更换碳刷，大大延长
15、了机器人的维修周期。因此，正在机器人中推广采用。4） 直接驱动电动机驱动器 这是最新发展的机器人驱动器，直接驱动电动机有大于 1 万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可直接驱动关节，取消了减速机构，简化了机构又提高了效率，是机器人驱动的发展方向，美国的 Adapt 机器人是直接驱动机器人。工业机器人的驱动器布置都采用一个关节一个驱动器。一个驱动器的基本组成为：电源、功率放大板、伺服控制板、电机、测角器、测速器和制动器。它的功能不仅能提供足够的功率驱动机械手各关节，而且要实现快速而频繁起停，精确地到位和运动。因此必须采用位置闭环、速度闭环、加速度闭环。为了保护电动机和
16、电路，还要有电流闭环。为适应机器人的频繁起停和高的动态品质要求，一般都采用低惯量电动机，因此，机器人的驱动器是一个要求很高的驱动系统。为了实现上述 3 个运动闭环，在机械手驱动器中都装有高精度测角、测速传感器。测速传感器一般都采用测速发电机，测角传感器一般都采用精密电位计或光电码盘，尤其是光电码盘。图 10 是它的原理图。光电码盘与电动机同轴安装，在电动机旋转时，带有细分刻槽的码盘同速旋转，固定光源射向光电管的光束则时通时断，因而输出电脉冲。实际的码盘是输出两路脉冲，由于在码盘内布置了两对光电管，它们之间有一定角度差，因此两路脉冲也有固定的相位差，电动机正反转时，其输出脉冲的相位差不同，从而可
17、判断电动机的旋转方向。机器个以上脉冲。（3） 控制器 机器人控制器是机器人的核心部件，它实施机器人的全部信息处理和对机械手的运动控制。图 11 是控制器的工作原理图。工业机器人控制器大多采用二级计算机结构，虚线框内为第一级计算机，它的任务是规划和管理。机器人在示教状态时，接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教 （ 关节 ） 坐标值转换成直角坐标值，存入计算机内存。图 10 光电码盘原理图图 11 控制器工作原理图机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的时间节拍 （ 又称采样周期 ） 对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的
18、位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。然后逐点的把各插补点的位置和姿态坐标值转换成关节坐标值，分送至各个关节。这就是第一级计算机的规划全过程。第二级计算机是执行计算机，它的任务是进行伺服电动机闭环控制。它接收了第一级计算机送来的各关节下一步预期达到的位置和姿态后，又做一次均匀细分，以求运动轨迹更为平滑。然后将各关节的下一细步期望值逐点送给驱动电动机，同时检测光电码盘信号，直到其准确到位。以上均为实时过程，上述大量运算都必须在控制过程中完成。以 PUMA 机器人控制器为例，第一级计算机的采样周期为 28ms ，即每 28ms 向第二级计算机送一次各关节的下一步位置和姿态的关节坐标，第二级计算机又
19、将各关节值等分 30 细步，每 0.875ms 向各关节送一次关节坐标值。（4） 示教盒 示教盒是人对机器人示教的人机交互接口，目前人对机器人示教有 3 种方式：1） 手把手示教 又称全程示教，即由人握住机器人机械臂末端，带动机器人按实际任务操作一遍。在此过程中，机器人控制器的计算机逐点记下各关节的位置和姿态值，而不作坐标转换，再现时，再逐点取出，这种示教方式需要很大的计算机内存、而且由于机构的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在喷漆、喷涂机器人上。2） 示教盒示教 即由人通过示教盒操纵机器人进行示教，这是最常用的机器人示教方式，目前焊接机器人都采用这种方式。3） 离线编程示教 即无需人操作机
20、器人进行现场示教，而可根据图样，在计算机上进行编程，然后输给机器人控制器。它具有不占机器人工时，便于优化和更为安全的优点，所以是今后发展的方向。图 12 为 ESAB 焊接机器人的示教盒，它通过电缆与控制箱连接，人可以手持示教盒在工件附近最直观的位置进行示教。示教盒本身是一台专用计算机，它不断扫描盒上的功能和数字键、操纵杆，并把信息和命令送给控制器。各厂家的机器人示教盒都不相同，但其追求的目标都是为方便操作者。图 12 焊接机器人的示教盒示教盒上的按键主要有 3 类：1） 示教功能键 如示教再现、存入删除修改、检查、回零、直线插补、圆弧插补等，为示教编程用。2） 运动功能键 如刀向动、 y 向
21、动、 z 向动、正反向动、 1 6 关节转动等，为操纵机器人示教用。3） 参数设定键 如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等。表 1 列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电动机驱动方向过渡，随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面日新月异；在机型方面，尽管主流仍是多用途的大型 6 轴垂直多关节机器人，但是，出于机器人加工单元的需要，一些汽车制造厂家也进行开发立体配置 3 5 轴小型专用机器人的尝试。表 1 点焊机器、人的分类分 类特 征用途垂直多关节型
22、（落地式）工作空间/安装面积之比大，持重多数为1000N左右，有时还可以附加整机移动自由度主要用语增强焊点作业垂直多关节型（悬挂式）工作空间均在机器人的下方车体的拼接作业直角坐标型多数为3、4、5轴，适合于连续直线焊缝，价格便宜定位焊接用机器人（单向加压）能承受500KG加压反力的高刚度机器人。有些机器人本身带加压作业功能车身底板的定位焊典型点焊机器人的规格。以持重 1000N ，最高速度 4m s 的 6 轴垂直多关节点焊机器人为例。由于实用中几乎全部用来完成间隔为 30 50mm 左右的打点作业，运动中很少能达到最高速度，因此，改善最短时间内频繁短节距起、制动：的性能是本机追求的重点 o
23、：为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重量，增加驱动系统的输出力矩。同时，为了缩短滞后时间，得到高的静态定位精度，该机采用低惯性、高刚度减速器和高功率的无刷伺服电动机。由于在控制回路中采取了加前馈环节和状态观测器等措施，控制性能得到大大改善，50mm 短距离移动的定位时间被缩短到 04s 以内。一般关节式点焊机器人本体的技术指标，见表 2 。表 2 点焊机器人主要技术指标 结构 全关节型 自由度 6轴 ：驱动 直流伺服电动杠 运动范围 腰转 范围 135最大速度50s 大臂转 前 50，后3045/s小臂转 下 40，上2040腕摆 90 80腕转 腕捻 170最大负荷 65kg
24、重复精度 1mm 控制系统 计算伺服控制， 6轴同时控制 轨迹控制系统 PTP及CP运动控制 直线插补 示教系统 示教再现 内存容量 1280步 环境要求 温度 045 湿度 2090RH 电源要求 220V交流，50Hz三相 自重 1500kg 机器人点焊系统电气控制部分的组成机器人点焊系统由机器人系统、夹具系统、转台系统和焊接系统构成，工作站采用PROFIBUS+数字I/O实现彼此通信3。该系统电气结构如图2.1所示。图2.1 机器人点焊系统电气结构图 机器人点焊系统的电气控制原理系统上电，初始化机器人的状态，主要包括机器人是否在原位，机器人工作是否完成；系统的水、气、光栅是否正常。系统和
25、生产线控制器通讯，获取和机器人工作站有关的生产线的多个状态，如输送线是否处于自动状态；相关传感器的信号是否正常等。对于安全信号，则分等级处理，重要的安全信号通过和机器人的硬线连接，引起机器人急停；级别较低的安全信号通过PLC给机器人发“外部停止”命令。系统的任务选择是由线控制器完成的，输送线控制器通过传感器来确定车型并通过编码方式向机器人点焊工作站发出相应的工作任务，点焊控制器接受任务并调用相应的机器人程序进行焊接。焊接过程中，系统检测机器人的工作状态，如机器人发生错误或故障，系统自动停止机器人及焊枪的动作。当机器人在车身不同的部位焊接时，需要不同的焊接参数。控制焊枪动作的焊接控制器中可存储多
26、种焊接规范，每组焊接规范对应一组焊接工艺参数。机器人向PLC发出焊接文件信号，PLC通过焊接控制器向焊枪输出需要的焊接工艺参数。车体焊接完成后，机器人可按设定的方式进行电极修磨。点焊机器人及其系统的基本构成 （1） 点焊机器人的结构形式 点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为 3 大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统，如图 40 13 所示。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有 1 3 个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有 5 6 个自由度，分 DC 伺服和 AC 伺服两种形式，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。点焊机器人控制系统由本体控制部分及焊接控制部分组成。本体控制部分主要是实现示封瓦孤惺占估罟乃焙彦粹制 ! 惺辖粹制挑分段的时间及程序转换以外，还通过改变主电路晶
