kuka机器人在焊接中的应用

KUKA 机器人在焊接中的应用 08406042030840604203 徐晓蕾徐晓蕾 摘要 介绍 KUKA 机器人的特点及在诸多领域的应用 发展趋势 关键词 KUKA 机器人焊接应用现状 发展趋势 引言 德国库卡公司成立于 1898 年 自 1977 年开始系列化生产各种用途的机器人 至今已 经是国际上最大的机器人制造商之一 KUKA Roboter Gmbh 公司位于德国奥格斯堡 是世 界顶级工业机器人制造商之一 1973 年研制开发 KUKA 的第一台工业机器人 该公司工业 机器人年产量接近 1 万台 至今已在全球安装了超过 10 万台工业机器人 当前 KUKA 机 器人已广泛应用在仪器 汽车 航天 食品 制药 医学 铸造 塑料等工业制造中 在 材料处理 机床装料 装配 包装 堆垛 焊接 表面修整等领域大显身手 KUKA 机器人是一种多用途的机器人 它可以实现点焊 涂胶 电弧焊和搬运等功能 它具有良好的加速性能和速度较快的特点 在点焊方面尤具特色 负载 125Kg 的机器人 IR761 125 和 II 玛 60 125 焊点的重复精度可达 0 4mm 因此 它广泛应用在汽车行 业 摩托车行业进行自动焊接 其中库卡卸码垛机器人采用了精巧的 聚碳纤维 材料制造 重量轻 扭力大 韧性 强 具有较高的机械性能和较强的抗震动能力 令机器人在非常轻巧的同时具有更高强度 使其尤其适用于高负载作业 而四轴倾斜式的设计降低了维护保养的成本 总线标准采用 CAN Device Net 及 Ethernet 配有标准局部现场总线 Interbus FIFl0 Profibus 插槽 方便客户扩展通讯接口 机器人采用 C S 架构 可 以通过 INTERNET 进行远程诊断 驱动系统采用机电一体化设计 所有轴都是由数字化交流 伺服电机驱动 交流伺服驱动系统有过载 过流 缺相 超差等各种保护 性能安全可靠 先进的设计令机器人能够高速 精确 稳定的运行 并易于维护 机器人运动的轨迹十分 精确 重复定位精度小于 0 35mm 库卡机器人采用开放式的操作系统 用户可以根据需要 开发相应的功能包 菜单 指令条等 库卡机器人的另一个显著特点是采用 PC BASED 控制系统的设计 PC BASED 系统在微 软的 Windows 界面下操作 加上标准化的个人电脑硬件和简单的规划设置 不仅使机器人 的操作能够灵活适应产品的变化 而且其平均故障间隔时间长达 7 万多小时 约 8 年 从 而使机器人的平均使用寿命达 15 年之久 保障了投资价值 除此之外 库卡机器人的使用和维护成本也很低 此次展出的 4 轴码垛专用机器人 KRl80PA 采用当今世界上先进的碳纤维和优质航空铸铝材料 不但机身更轻巧 快捷 强 健 更重要的是其正常工作耗电仅为 2 5 千瓦 而传统码垛机的功耗为 6 11 千瓦 大大降低了能源消耗成本 KUKA机器人的应用 1 机器人在汽车车身装焊生产线中的应用 近几年来 为许多汽车厂 摩托车厂 工程机械厂进行技术改造工程设计 采用了许 多焊接机器人 提高了焊接生产线的柔性程度 为制造厂家提供了生产产品多样化 更新 换型的可能性 在焊接车间 机器人能独立完成工件的移动搬运 输送 组装夹紧定位 可完成工件 的点焊 弧焊 涂控等工作 有的工位上把上件 夹具 工具以机器人为中心布置 以便 机器人能完成多个工序 实现多品种 不同批量的生产自动化 采用机器人使焊接生产线 更具柔性化 自动化 使多种车身成品可在一条车身装焊生产线上制造 实现多车型混线 生产 因此 焊接牛产线必须很容易地因产品结构 外形的改变而改变 具有较高的柔性 程度 由于柔性车身焊接生产线可以适应汽车多品种生产及换型的需要 是汽车车身制造 自动化的必然趋势 特别是进入上世纪 90 年代以后 各大汽车生产厂家基本都考虑使新建 的车身焊接生产线柔性化 焊接机器人在汽车装焊生产线上采用的数量及机器人类型 自由度数 工作方式等 反映焊接生产线柔性程度和生产水平 确定选择合适机器人的类型 是机器人在汽车车身 装焊生产线上合理应用的关键 根据不同类型的机器人的特点 确定机器人在焊接生产线 上的位置 完成汽车车身不同部位的焊接任务 1 焊接机器人的选用原则 在设计汽车及零部件装焊自动线时 使用的机器人娄型虽然有所不同 但对机器人的 选用基木应考虑以下原则 选择与自动生产线结构相匹配 最合适的机器人 根据能 保证接头焊点焊接质量和生产效率高的焊接工艺 选择不同的机器人末端轴承载力 选 择操作范围和技术性能参数能满足工件施焊位置的机器人 在满足生产规模 生产节拍 保证焊接质量前提下 工艺设计方案既要先进可行 又要经济合理 在关键部件 部位 关键工序位 按需选配机器人数量 经比较后选用各种运动更自由 灵活 性能价格比 更高的机器人 2 应用实例 天津微型汽车厂二娟夏利轿车车身总成装焊线既采用了 4 台 RH 型点焊机器人 1994 年 笔者在该厂 15 万辆夏利轿车改扩建项目丁程设计中 在三厢夏利轿车装焊斗间后地板 总成焊接生产线的第二位 采用了 4 台由日本引进的 6 自由度点焊机器人 使三厢夏利轿 车车身装焊线更具柔性化 为以后产品换型 改造 混线生产创造了有利条件 总之 随着汽车工业日益发展 对装焊专业化和自动化程度以及新装焊工艺和技术不 断提出要求 必须进一步研究探索 在保证高质量 高效率和高可靠性的前提下 实现装 焊自动线用最少的投资生产出尽可能多的优质产品 2 机器人在聚氨酯喷涂中的应用 当车进入机器人工作区域前 机器人接收到安装在喷涂区域入口处的射频识别系统自 动识别车型信息 这些信息包括车型代码 车身序列号 颜色信息 车身信息等 识别车 身信息成功后 系统再将车型信息传递给机器人控制系统 控制系统再将车型代码转换成 机器人能够识别的机器人代码 然后机器人再调用根据不同车型事先编好的程序完成喷涂 工作 1 聚氨酯喷涂机器人存在的缺陷 机器人进行喷涂前 需要 2 个人在车门部位粘贴上遮蔽纸 喷涂结束后再由 2 个人揭 掉遮蔽纸 造成了人员以及材料的极大浪费 2 难点 a 质量方面 由于聚氨酯材料的特性导致机器人在喷涂后出现针孔 颗粒胶雾等问题 其高发部位为喷幅的两端 如果不采用纸进行遮蔽会导致车身出现针孔 b 设备方面 由于现有的机器人喷涂时存在雾化不良的问题 导致喷涂时过渡不平滑 在无遮蔽的情况下喷涂后的车身有明显的桔皮现象 c 材料方面 由于喷房内温度变化比较明显 而聚氨酯特性随着温度变化比较明显导 致喷幅变化 如果没有遮蔽会导致喷涂不稳定 针对以上问题 在研究了机器人的喷涂轨迹及机器人的结构后做如下调整 a 增加一个固定挡板替代遮蔽纸的功能 b 调整固定挡板高度和角度后开始调试机器人喷涂轨迹和角度 使喷枪喷出来的聚 氨酯在一条直线上 同时保证容易出现针孔的部位挡板完全能够将聚氨酯挡住 使其不喷 涂到车身上 喷涂最低位置距离挡板 10mm c 在机器人末端执行器上自行设计安装了一套刮涂装置 当机器人喷涂完毕后 通过 刮涂装置将挡板上的余胶刮干净 以免下次喷涂时余胶污染车身 KUKA 机器人通过与总线控制 网络通讯 射频识别等国际先进技术相结合 使机器人 的功能更加强大 操作更加方便 同时将工人从高温 繁重 单调 危险的工作环境中解 放出来 极大地提高了工作效率 3 不同型号双焊接机器人协调控制 kuka 和 Motoman 大型厚板构件在船舶 高压容器等领域应用广泛 厚板传统焊接工艺选用非对称坡口 先焊接正面坡口 从反面进行碳弧气刨清根 刨槽 打磨 预热后再进行焊接 工序多 质量稳定性差 生产效率低 只适合应用于手工焊和半自动焊中 厚板双面双弧焊接方法 是一种新的高效高质焊接方法 焊接过程不用清根 相比传统厚板焊接工艺 大大简化了 工序 能大幅提高焊接生产率 减小变形和改善焊缝质量 并且这种工艺非常适合于机器 人焊接 将这种高效的双面双弧厚板焊接工艺与机器人智能化焊接技术相结合 给出了厚 板双机器人双面双弧焊的系统方案 即由两台机器人按照一定的路径规划和时序规划对厚 板对称坡口完成协调焊接 故本文提出了对双面双机器人协调运动控制的要求 1 双机器人协调控制策略和算法 厚板双面艰弧焊工艺采用对称 x 型坡口 打底焊采用脉冲 TIG 焊 两侧焊枪在焊接方 向保持一定间距 而填充焊采用 MAG 焊 两侧焊枪保持对称姿态同步焊接 这就提出了对 双面双机器人进行协调运动控制的要求 采用主从协调控制策略解决这一问题 目前 针 对主手把持工件 从手进行装配或焊接的双机器协调运动模式的研究比较多 系统以 KUKA 机器人为主机器人执行焊接运动 Motoman 机器人作为从机器人跟随主机器人运动并进行 焊接 2 主从协调算法仿真 在基于 SolidWorks 的离线编程系统中对双机器人主从协调算法进行仿真验证 KUKA 机器人作为主机器人 Motoman 机器人为从机器人 测试中使 KUKA 机器人 TCP 运动任意一 段轨迹 根据主从协调算法计算出 Motoman 机器人的目标轨迹 使 Motoman 机器人按此轨 迹进行随动 观察 Motoman 机器人的随动轨迹是否符合双面焊接协调运动的要求 从而测 试主从协调算法能否实现对双机器人双面焊接悱调运动的控制 3 主从协调运动及焊接实验 实验中首先测试一下主从协调运动的实时性和稳定性 不起弧焊接 对 KUKA 机器人示 教一段程序使之运动 该程序中 KUKA 机器人的姿态 运动速度都有变化 主从协调运动中 观察到 Motoman 机器人能精确地跟随 KUKA 机器人在相应的路径运动 且其姿态和速度也能 跟随 KUKA 机器人进行改变 但是主从协调运动过程中也存在一些问题 Motoman 机器人在 跟随运动过程中相比 KUKA 机器人有大约 200 500ms 的延时 经测试 延时主要是 Motoman 机器人 RS232 串口通信的固有延时 在实现双机器人主从协调运动的基础上 再进行主从协调焊接实验 主从协调焊接相 比主从协调运动 实现上更为复杂 不仅要实时获取主机器人的位姿并发送给从机器人使 之跟随运动 还需要判断焊接过程何时开始 何时结束 及时控制从机器人起弧和熄弧 实验中 KUKA 机器人焊接一段预先示教的由两段圆弧轨迹组成的 S 型焊缝 Motoman 机器人在主从运动模式下跟随 KUKA 机器人进行焊接 结果表明 主从协调焊接过程中 双 机协调动作稳定可靠 Moloman 机器人能精确跟随 KUKA 机器人轨迹进行同步焊接 焊接运 动稳定 焊缝成形良好 机器人的发展趋势 机器人在许多生产领域的使用实践证明 它在提高生产自动化水平 提高劳动生产率和产 品质量以及经济效益 改善工人劳动条件等方面 有着令世人瞩目的作用 引起了世界各国和 社会各层人士的广泛关注 在新的世纪 机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的 应用 1 机器人的技术发展趋势 从近几年世界机器人推出的产品来看 机器人技术正在向智能化 模块化和系统化的方 向发展 其发展趋势主要为 结构的模块化和可重构化 控制技术的开放化 PC 化和网络 化 伺服驱动技术的数字化和分散化 多传感器融合技术的实用化 工作环境设计的优化和 作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面 2 工业机器人的产业发展趋势 据 UNECE IFR 预测 至 2007 年 全球新安装装机器人的数量将从 2003 年的 81800 套增 至 2007 年的 106000 套 年平均增长 7 其中 日本 2003 2007 年工业机器人的销售将从 2003 年的 31600 增长至 2007 年的 41000 套 欧洲 2003 2007 年工业机器人将从 2003 年的 27100 套增长至 2007 年的 34000 套 北美 2003 2007 年工业机器人市场每年平均增长 5 8 至 2007 年将增长到 16000 套 以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司 已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构 拓展了机器人的工作范围 加之轻质铝合金材料的应用 大大提高了机器人的性能 此外 采用先进的 RV 减速器及交流伺服电机 使机器人操作机几乎成为免维护系统 近年来 人类的活动领域不断扩大 机器人应用也从制造领域向非制造领域发展 像 海洋开发 宇宙探测 采掘 建筑 医疗 农林业 服务 娱乐等行业都提出了自动化和 机器人化的要求 这些行业与制造业相比 其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性 因而对机器人的要求更高 需要机器人具有行走功能 对外感知能力以及局部的自主规划 能力等 是机器人技术的一个重要发展方向 可以预见 在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域 成为人类 良好的助手和亲密的伙伴 结束语 新中国成立后 经过 50 年的艰苦努力 中国焊接生产机械化自动化技术发展应用 取 得了很大的成就 焊接生产过程机械化与自动化程度已达到 20 在以焊接技术为主导制 造工艺技术的大中型骨干企业 焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到 40 45 在机床 锅炉 汽车 化工机械 工程机械和重型机械等国家重点骨干企业 通过引进国 外先进技术及相应配套的自动化焊机 成套焊接设备 焊接生产线和柔性制造系统 使焊 接生产机械化与自动化技术达到了国际 90 年代初的先进水平 进入世界先进之列 工业机器人技