机电一体化产品分析报告焊接机器人机电系统简介

焊接机器人机电系统简介一、焊接机器人的基本组成机器人要完成焊接作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般由如下几部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。（如图所示）机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置、姿态和实现其运动。根据定义，工业机器人操作机从结构上应具有三个以上的可自由编程的运动关节，可将其分为主要关节和次要关节两个层次，不同数目和层次关节的组合决定了相应的机器人工作空间。变位机作为机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊工件旋转（平移）到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具装卡和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机器人操作机充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当在其中一台上进行焊接作业时，另一台则完成工件的上装和卸载，从而使整个系统获得最高的费用效能比。机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。典型的焊接机器人控制器系统结构如图所示：在这里我们将重点介绍焊接机器人操作机。二、AW-600型焊接机器人操作机（1）操作机的性能参数：结构形式：垂直多关节式轴数：6个外部轴数：2个最大负载：6kg位置重复性：±驱动方式：交流伺服电机位置记忆：简易绝对码盘式绝对位置记忆控制方式：主从式两级计算机控制最大运动范围及速度1(T)-150°~+150°100°/s2(W)-90°~+135°100°/s3(U)-105°~+150°100°/s4(C)-180°~+180°225°/s5(B)-135°~+135°225°/s6(S)-225°~+225°335°/s最大臂伸1585mm（2）结构形式及特点该机器人的结构形式为垂直多关节式，2轴、3轴为并联结构，采用了后置4连杆机构，增大了结构刚度；小臂电机、减速器下置，减小了机器人的动载荷并改善了大小臂受力。大臂相对于大回转中心线(T轴)前移200mm，可使机器人在大、小臂长度不变的情况下增大机器人工作范围，即前伸的最大半径增加200mm，后干涉半径减小200mm，并有利于大回转电机、减速器的装配。4轴(C轴)为一长筒架在小臂体上，增大了小臂的结构刚度，腕部随4轴一起转动，消除了4轴运动时5、6轴的运动耦合。腕部5、6轴(B、A轴)电机、减速器后置，有利于小臂平衡。3个轴相交于一点,用同心轴传递，使腕部结构紧凑、体积小，增加了机器人手腕的灵活性和焊接复杂工件的可达性。5、6轴电机的输出先经谐波减速器减速，再经过齿轮、同心轴传动的方案，这样可减小运动时的噪声，并解决了机器人的润滑问题。腰部的大交叉滚子轴承可承受很大的周向力、径向力和弯矩，以确保机器人在大负载情况下平稳运行。电机全部采用日本松下公司生产的全数字式交流伺服电机，重量轻、体积小、转动惯量小，并带有绝对码盘和制动器,使机器人维修方便、动态响应快、安全可靠。下图为弧焊机器人总体结构及运动范围。（3）电机与减速器选择·m，额定转速为2000r/min，带有简易绝对码盘和制动器。选择日本住友公司的RV减速器，输入功率容量为1.34kW，输出扭矩为600N·m,减速比为1/119,减速器回差为1′·m，额定转速为3000r/min，带有简易绝对码盘和制动器。选择国产谐波减速器,输入功率容量为0.26kW，输出扭矩为50N·′。下图为机器人整体结构简图：三、焊接机器人驱动电动机在AW-600机器人操作机中我们采用的是交流伺服电动机。其主要有以下特点：1、起动转矩大2、运行范围较广3、无自转现象交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。在焊接机器人中常用到的电机还有：直流伺服电动机和无刷电动机。直流伺服电动机右图表示了直流伺服电动机原理。直流伺服电动机的定子磁场是由永久磁铁构成。为获得更强磁场，大多采用稀土磁钢。图中电枢线圈仅有一绕组，在图示位置上，线圈产生的磁场与定子磁场正交，此时给出最大转矩，为使转矩连续、尽量减小波动，显然，电枢中应有多组线圈，且彼此相隔相同角度。机械式换向器（由石墨制的电刷和铜片组成）确保每组线圈在最合适时刻通电，以产生正交磁场。无刷电动机右图给出了无刷电动机原理图。由图可见，转子是由永久磁铁组成，定子有绕组线圈，可以通过机壳把绕组热量散发出去，因此，同功率的无刷电动机体积质量较直流伺服电动机小得多，或者说同体积电动机，无刷电动机功率远大于直流伺服电动机。电动机驱动方法（一）直流伺服电动机驱动对于小功率直流伺服电动机，可以采用线性功率放大器来驱动，如图5-14所示。功率放大器输出电压加到电动机电枢两端，可以按要求线性改变，于是电动机转速也就线性地变化。这类放大器优点是无死区，频带宽，反应速度快，对电网的电子噪声也很小。但它的功率管要产生许多热能，需要散发热量。一般其功率不超过几十瓦。图5-15是一个线性功率放大器的实例。图中LM12集成电路为美国国家半导体公司产品。（二）无刷电动机驱动对于无刷电动机驱动，下图给出了一个Y形联结的无刷电动机驱动原理简图。它是一个双闭环系统，即电流环和速度环。定子中电流通道取决于转子位置和转向，电动机的换向码盘给出这个信息。并由逻辑电路适当选择大功率晶体管的开或关。四、焊接机器人传感器机器人用传感器一部分已发展得很成熟，但更多的尚处于研究探索阶段。这里仅介绍几种焊接机器人常用的传感器。（1）光学编码器位置（包括线性位置和角度位置）传感器是机器人中最基本、最重要的内传感器之一，有时还利用其单位采样时间的位移量实现速度测量。光学编码器是非接触型传感器，分辨率高，是机器人中应用最多的位置检测元件。旋转编码器比线性编码器成本低，结构紧凑，不仅机器人的旋转关节采用，线性关节也都采用。在工作原理上编码器可分为绝对型和增量型两种。绝对型编码器在系统加电后就能给出实际的线性或旋转位置，所以采用这种位置检测元件的机器人工作时不需要关节校准过程。增量型编码器仅提供跟踪基准点的相对信息，因此相应地机器人系统加电后需要经过校准过程才能正常工作。虽然绝对编码器具有位置记忆性的优点，但是其成本远高于增量编码器，未实现广泛应用。1）绝对型旋转编码器：这种传感器的输出是多位逻辑电平。如果位数是n，则需要n个光学通道，与转轴固联的盘片上就有n个分别刻有等份的通光与遮光相间的环形编码带，对应地在盘的一侧有n个发光元件，盘的对侧有n个感光元件。感光元件的状态随着编码带的遮光或通光呈现0或1的值，这样便对每一个角度为的扇形区域进行了编码。采用不同的编码带配置可以实现二至十进制码或格雷码等编码方案。2）增量型旋转编码器：增量型编码器由具有径向纹控制通光、遮光的主刻度盘，仅一段圆弧刻纹的指示度盘，发光器件和感光器件组成。采用莫尔光栅原理在两个读度盘相对转动时产生光电信号。其分辨率用主刻度盘的线数表示。这种编码器的输出一般有3个信号：每转一周出现一次的零位置信号Z，相位差90°的两个脉冲信号A、B，通过判断A、B的相序确定旋转方向。这种编码器还可以用电子学技术提高分辨率2倍、4倍或更多。（2）接近觉与距离传感器有人把接近觉传感器与距离传感器归为一类，均称接近觉传感器。但是从使用目的和检测结果的表达来看，二者有明确的区别。接近觉传感器可以在近距离范围内获取执行器与对象物体之间的空间相对关系信息。有些触觉传感器也可用作接近觉传感器。该传感器用于判断可动部位是否将与环境干涉，确保安全，防止接近或碰撞，也可用于确认物体的存在或通过与否，还可检测物体的位置、姿态、形状，进而为操作规划、避障提供信息。接近觉传感器以0、1代表判断结果就可以满足要求，一般工作在距离被检测对象0~30mm的范围内，进入该范围便发出信号。接近觉传感器一般比较追求体积小巧，便于大量使用，结构一般比较简单。在机器人焊接方面，目前还基本不采用避碰检测技术。随着焊接自动化的发展，弧焊机器人避碰问题的重要性将显现出来，特别是遥控焊接方面应该采用接近觉传感技术。距离传感器用于测量目标物体与参考点的距离，需要具体给出距离数值，其工作范围可以很宽。其主要应用目的是感知物体的位置，用于引导、避障。有多种弧焊跟踪传感器（如激光扫描传感器、电磁传感器、涡流传感器）在原理上与距离传感器相同。（3）触觉传感器触觉传感器是模仿人皮肤感觉功能的传感器的总称，包括接触觉、压觉、滑觉、热觉等，其中接触觉也可以认为是接近觉的一种特殊情况。触觉传感器向着阵列式高分辨率的方向发展。在焊接领域目前涉及的仅是接触觉方面，用于寻找焊缝或感知碰撞。（4）力觉传感器力觉传感包括力和力矩检测两个方面。在检测原理上有应变式、压电式、位移计式等，应变式为最广泛的类型。在检测负载成分上可分为单分量传感器和多分量传感器。功能最强的是六维力、力矩传感器（因为它常用在机器人的腕部，又称腕力传感器），它是机器人力觉研究的关键元件。腕力传感器已有产品可用，但仍存在价格高、动态检测能力差、分辨率不高的问题。力觉传感器多用作外传感器，也可以用作内传感器进行重力补偿等方面。在机器人焊接领域以往没有力觉传感技术的应用，其原因是①弧焊是非接触操作；②电弧力微弱；③力觉应用没有达到普及的程度。但是可以预见，力觉可以为焊接自动化所用，如在极限环境中进行力觉示教，力觉辅助避碰引导焊枪等应用。（5）视觉系统视觉系统采用的光电转换器件中最简单的是单元感光器件，如光电二极管，其次是一维的感光单元线阵，如线阵CCD（电荷耦合器件）、PSD（位置敏感器件）；应用最多的是结构最复杂的二维感光单元面阵，如面阵CCD、PSD，是二维图像的常规传感器件。采用CCD面阵及附加电路制成的工业摄像机有多种规格出售，选用十分方便。这种摄像机的镜头可更换，光圈可以自动调整，有的带有外部同步驱动功能，有的可以改变曝光时间。CCD摄像机体积小，价格低，可靠性高，是一般机器人视觉的首选传感器件。视觉分为二维视觉和三维视觉。二维视觉是对景物在平面上投影的传感，三维视觉则可以获取景物的空间信息。三维视觉的主要传感方法是：1）单眼观察法：利用图像中物体表面的纹理、轮廓、反光特点、影子等信息，分析景物的前后凸凹关系。2）摩尔条纹法：利用条纹状的光照射到物体上，从另一个位置透过同样的遮光条纹摄像。物体上的条纹像和遮光像产生偏移，形成等高线图形，即摩尔条纹。根据摩尔条纹的形状可得到物体表面凹凸信息。3）主动视觉法：用向物体投射已知特点的光束、光面或编码图形的方法得到物体的三维信息。4）被动视觉法：分析同一物体的两幅或多幅图像，找到匹配点（物体上的同一点），然后利用三角测量原理得到该点的三维信息。其难点是对应点的匹配，处理过程耗时间多。有时采用平行光轴法等措施减少图像处理的工作量。5）激光雷达法：利用雷达的测距原理，通过测量发射的激光束遇到物体返回所经过的时间，计算探测点的空间位置。通过激光束的扫描获得物体的三维图像。（6）听觉系统逻辑上听觉传感器应包括超声波传感器。从传感的角度看，传声器、话筒就是很好的听觉传感器，已有十分成熟的技术可用。目前听觉研究的重点是提取声音信号所传达的有用信息。声音信息的利用可以分为语音识别和声音感觉两方面。随着计算机技术的快速发展语音识别技术已取得很大发展，已经出现的识别系统内部有基本的语言模板，如果人的口音不能被识别，则可以进行自学习，从而产生这个人特定的语音模板，提高识别率。可以预见未来将采用该技术使机器人按照人的自然语言执行任务。在非语音识别方面有超声测距、超声结构探测，声发射等应用。焊接领域也有采用探测声发射的方法监控弧焊焊接过程的研究报导。弧焊接机器人传感器技术应用于弧焊机器人中的传感器主要有电弧传感器和光学传感器两种，其中电弧传感器用得更多。电弧传感器利用焊接电极与被焊工件之间的距离变化能够引起电弧电流或电压变化这一物理现象来检测接头坡口的中心，因而不占用额外的空间，使机器人可达性好，直接在焊丝端部检测信号，因而易于进行反馈控制，信号处理也比较简单，特别是由于它的可靠性高、价格低而得到了广泛应用，而且还在不断发展之中。但其应用范围有很大局限，必须在电弧点燃下才能工作，电弧在跟踪过程中要进行摆动或旋转，适用的接头类型有限，不能应用于薄板工件的对接、搭接