便携式关节型弧焊机器人设计

机电装配设计机电装配设计 作业作业 题题 目目 便便携携式式关关节节型型弧弧焊焊机机器器人人设设计计 班班 级级 机机制制 08 2 班班 学学 号号 200810101050 姓姓 名名 杨杨超超 2011 年 9 月 17 日 成 绩 机制 08 2 班 杨超 1 一一 前期调研前期调研 1 1 工业机器人的概念工业机器人的概念 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人 工业机器人是 自动执行工作的机器装置 是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器 它可以接受人类指挥 也可以按照预先编排的程序运行 现代的工业机器人还可以 根据人工智能技术制定的原则纲领行动 2 2 工业机器人发展现状与前景展望工业机器人发展现状与前景展望 在发达国家中 工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流 机器人发展前景及未来的发展方向 国外汽车行业 电子电器行业 工程机械等行 业已经大量使用工业机器人自动化生产线 以保证产品质量 提高生产效率 同时 避免了大量的工伤事故 全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明 工业机器人的普及是实现自 动化生产 提高社会生产效率 推动企业和社会生产力 发展的有效手段 机器人技术是具有前瞻性 战略性的高技术领域 国际电气电子 工程师协会 IEEE 的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4 个重点发展 方向 机器人技术就是其中之一 1990 年 10 月 国际机器人工业人士在丹麦首都 哥本哈根召开了一次工业机器人国际标准大会 并在这次大会上通过了一个文件 把工业机器人分为四类 顺序型 这类机器人拥有规定的程序动作控制系统 沿轨迹作业型 这类机器人执行某种移动作业 如焊接 喷漆等 远距作业 型 比如在月球上自动工作的机器人 智能型 这类机器人具有感知 适应及思 维和人机通信机能 日本工业机器人产业早在上世纪90 年代就已经普及了第一和 第二类工业机器人 并达到了其工业机器人发展史的鼎盛时期 而今已在第发展三 四类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就 日本下一代机器人发展重点有 低 成本技术 高速化技术 小型和轻量化技术 提高可靠性技术 计算机控制技术 网络化技术 高精度化技术 视觉和触觉等传感器技术等 根据日本政府 2007 年指定的一份计划 日本 2050 年工业机器人产业规模将达到 1 4 兆日元 拥有百万工业机器人 按照一个工业机器人等价于10 个劳动力的标准 百万工业 机器人相当于千万劳动力 是目前日本全部劳动人口的15 我国工业机器人起 步于 70 年代初 其发展过程大致可分为三个阶段 70 年代的萌芽期 80 年代的 开发期 90 年代的实用化期 而今经过 20 多年的发展已经初具规模 目前我国已 生产出部分机器人关键元器件 开发出弧焊 点焊 码垛 装配 搬运 注塑 冲 压 喷漆等工业机器人 一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上 一批机器人技术的研究人才也涌现出来 一些相关科研机构和企业已掌握了工业机 器人操作机的优化设计制造技术 工业机器人控制 驱动系统的硬件设计技术 机 器人软件的设计和编程技术 运动学和轨迹规划技术 弧焊 点焊及大型机器人自 动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等 某些关键技术已达到或接近世界水 平 一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术 产业化 必须具备5 个要 素即 5M Machine Materials Manpower Management Market 和有着 机器人王 机制 08 2 班 杨超 2 国 之称的日本相比 我国有着截然不同的基本国情 那就是人口多 劳动力过剩 刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题 所以 我国工业机器人起步晚发展缓 但是正如前所述 广泛使用机器人是实现工业自动 化 提高社会生产效率的一种十分重要的途径 我国正在努力发展工业机器人产业 引进国外技术和设备 培养人才 打开市场 日本工业机器人产业的辉煌得益于本 国政府的鼓励政策 我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持 3 3 弧焊机器人的目前发展状况弧焊机器人的目前发展状况 弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产 在该领域 国际大型工业 机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主 本公司主要从事弧焊 机器人成套装备的生产 根据各类项目的不同需求 自行生产成套装备中的机器人 单元产品 也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备 在该 领域 本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系 关键技术包 括 1 弧焊机器人系统优化集成技术 弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精 度 高刚性的 RV 减速机和谐波减速器 具有良好的低速稳定性和高速动态响应 并可实现免维护功能 2 协调控制技术 控制多机器人及变位机协调运动 既能保持焊枪和工件的相 对姿态以满足焊接工艺的要求 又能避免焊枪和工件的碰撞 3 精确焊缝轨迹跟踪技术 结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点 采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪 提升焊接机器人对复杂工件进行焊接 的柔性和适应性 结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差 基于偏差统 计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正 在各种工况下都能获得最佳的焊接 质量 4 4 便携式弧焊机器人的应用前景便携式弧焊机器人的应用前景 目前 国内使用的自动焊接设备 有通用型弧焊机器人 其结构前已叙述 主 要使用在流水生产作业线上 另一类是微型计算机或单片机控制的各型自动焊机 其结构由焊接机头 行走环行导轨 控制系统组成 现将这2 种自动焊接设备和 便携式弧焊机器人完成自动焊接生产作业性能列出 如表所示 机制 08 2 班 杨超 3 便携式弧焊机器人的开发 是本着在充分满足自动焊接功能和控制精度的前提 下 利用机电一体化技术高度集中的特点 与计算机控制硬 软件配合 合理简化 关节型手臂和控制系统结构 以降低生产成本和开发费用的原则设计 因此 该机 的生产成本和开发费用极低 使得有可能在中 小企业内得到广泛的使用和推广 便携式弧焊机器人是一个具有较高科技含量的产品 不同于现有的自动焊机 在便 携式弧焊机器人硬件基础上 通过换装末端执行器 开发专用控制软件 还可具有 其他生产功能 关节型手臂上换装专用砂轮构成 便携式除锈机器人 可对焊 缝根部除锈或 清根 换装检测探头构成 便携式检测机器人 可对焊缝进 行检测 并都可在 便携式机器人 CAD 系统 软件支持下 开发出相应的控制程 序进行生产作业 所以说 便携式弧焊机器人完成焊接功能或其他生产功能是开放 的 具有可开发性 由上述 3 种便携式弧焊机器人 便携式除锈机器人 便携式检 测机器人 弧焊电源以及接口电路组成一个高效 低成本的自动焊接和检测系统 将改变焊接生产劳动条件 把操作工人从繁重的体力劳动中解脱出来 如给便携式 弧焊机器人配上 CCD 摄像头 焊工可以通过监视器远距离监视焊接过程 将彻底改 变焊接生产方式 可以说 便携式弧焊机器人是一个使用平台 在这个平台上可以 演变出其他的自动化机具 组织出一些意想不到的焊接生产作业方式 二二 便携式弧焊机器人的应用及其特点便携式弧焊机器人的应用及其特点 2 12 1 便携式弧焊机器人的发展及其应用便携式弧焊机器人的发展及其应用 国际上80年代是焊接机器人在生产中应用发展最快的 10年 我国工厂从 90年 代开始 应用焊接机器人的步伐也显著加快 应该明确 焊接机器人必须配备相应 的外围设备组成一个焊接机器人系统才有意义弧焊机器人的研究已经历了三个阶段 包括示教再现 离线编程和自主编程的智能机器人 当前的应用水平处于第二阶段 我国也从20世纪70年代初开始注重机器人技术的研究 但在机器人产业应用方面仍 远远落后于工业发达国家 从该机器人诞生直到目前 机器人使用最多的是在焊接 领域 主要部门除汽车行业外 在工程机械 通用机械 金属结构和兵器工业等许 多行业中都有应用 国外军工企业特别是坦克装甲战车焊接自动化程度较高 弧焊 机器人应用也较广泛 德国 美国 英国 意大利及新加坡等国的坦克装甲战车车 体和炮塔都已采用弧焊机器人进行熔化极气保护焊接 美国某坦克厂采用四个机器 人焊接工作站 9台具有视觉导向功能的焊接机器人 用于坦克车体和炮塔的自动 化焊接工作 装甲战车的机器人焊接工艺也采用了高效 高速焊接工艺技术 其焊 接速度与手工焊接相比总体提高十余倍 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车 摩托车 工程机械 铁路机车等几个主要行业 汽车是焊接机器人的最大用户也是 最早用户 弧焊机器人已在南汽车厢厂运用 在南汽的底盘厂 车身厂均用于生产 弧焊机器人除汽车行业使用外在自行车行业如天津自行车厂和工程机械方面应用已 开始起步 合肥叉车厂也使用了二台西德 cloos公司的弧焊机器人及变位器 使用 效果很好 国内还有好多 单位如湖南的晋源机械厂 安庆汽车厂 成都汽车厂等均 在生产中使用 2 22 2 便携式弧焊机器人的特点便携式弧焊机器人的特点 1 稳定和提高焊接质量 保证其均一性 采用机器人焊接时 对于每条焊缝的焊接 参数都是恒定的 焊缝质量受人的因素影响较小 降低了对工人操作技术的要求 因此焊接质量是稳定的 而人工焊接时 焊接速度 干伸长等都是变化的 因此很 难做到质量的均一性 2 改善了工人的劳动条件 采用机器人焊接工人只是用来装卸工件 远离了焊接弧 机制 08 2 班 杨超 4 光 烟雾私飞溅等 3 提高劳动生产率 机器人没有疲劳 一天可 24h连续生产 另外随着高速高效 焊接技术的应用使用机器人焊接 效率提高的更加明显 4 产品周期明确 容易控制产品产量 机器人的生产节拍是固定的 因此安排生产 计划非常明确 5 可缩短产品换代的周期 减小相应的设备投资 可实现小批量产品的焊接自动化 机器入与专机 的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产 2 32 3 便携式弧焊机器人的社会意义和经济利益便携式弧焊机器人的社会意义和经济利益 焊接是机械制造工业的基本生产手段之一 提高焊接质量的稳定性和可靠性是 至关重要的 限于经济和技术的原因 我国的焊接生产作业基本还是手工操作 采 用手工操作 不仅焊接工作量大 焊接生产率低 焊接质量波动大 而且工作环境 恶劣 劳动条件差 劳动强度大 焊接过程中的电弧 噪音 烟尘直 接危害工人 的身体健康 随着我国加入 WTO与国际接轨 在工业企业内正大力推行 健康 安 全 环保 即 HSE 管理 改善工人在焊接中的工作环境是非常迫切的 而采用 自动焊接技术 是改变上述状况的唯一途径 焊接是机械制造工业的基本生产手段 之一 提高焊接质量的稳定性和可靠性是至关重要的 限于经济和技术的原因 我 国的焊接生产作业基本还是手工操作 采用手工操作 不仅焊接工作量大 焊接生 产率低 焊接质量波动大 而且工作环境恶劣 劳动条件差 劳动强度大 焊接过 程中的电弧 噪音 烟尘直 接危害工人的身体健康 随着我国加入 WTO与国际接 轨 在工业企业内正大力推行 健康 安全 环保 即 HSE 管理 改善工人在 焊接中的工作环境是非常迫切的 而采用自动焊接技术 是改变上述状况的唯一途 径 工业机器人作为人类肢体的外延 它能在生产人员无法操作的环境下 不知疲 倦地从事艰苦的 繁重的劳动 使生产工人摆脱危险 有害的工作环境 减轻生产 工人的劳动强度 是代替工人进行焊接操作的最佳自动化工具 通用型弧焊机器人 由机械系统 控制系统 驱动系统组成 如图1所示 目前 通用型弧焊机器人的广 泛使用还受到一定的限制 通用型弧焊机器人价格昂贵 一次性投资风险大 结构 为分体结构 体积大 重量重 不便于灵活移动 适于在流水生产作业线固定焊接 工位上使用 控制程序开发方式多采用示教编程或机器人语言编程 由于我国生产 工人的知识结构所限 还不足以掌握以示教编程或机器人语言编程开发控制程序 所以能否在室外或野外焊接中使用弧焊机器人 是一个值得探索的课题 结合野外 焊接生产作业的需要和实际情况 专门设计 开发了一种便携式 关节型弧焊机 器人 图1 通用型弧焊机器人 三三 便携式弧焊机器人设计便携式弧焊机器人设计 机制 08 2 班 杨超 5 l l 便携式弧焊机器人的机械结构便携式弧焊机器人的机械结构 便携式弧焊机器人作为在室外或野外使用的自动焊接设备 必须结构紧凑 质量 轻 便于携带和灵活移动 所以 该机设计为模块结构 关节型手臂 行走机构 机器人控制器均为模块 可根据焊接方式 焊缝焊接的层数 选择各规格的模块部 件装配 如图 2 所示 整机分为 3个分体 行走机构的导轨直接安装在焊接生产作 业对象上为l个分体 行走机构的车架上安装自动上料斗 自动上料斗上安装关节 型手臂 机器人控制器安装在关节型手臂内 以上 2 件组合为l 个分体 控制电 源为2 组蓄电池单独作为 l个分体 安装在行走机构的车架上 通过电缆和机器人 控制系统连接 根据焊接生产的需 可以组装成以药皮焊条或焊丝为导电电极和填 充材料的熔化极便携式弧焊机器人 或安装 2 只关节型手臂 组装成以焊丝为导 电电极和填充材料的非熔化极便携式弧焊机器人 整机分为3个分体 分体质量轻 不大于5 kg 便于携带 快速装配后结构紧凑 便于在焊接生产现场频繁移动 便携式弧焊机器人的关节型手臂具有 3个回转自由度 l个手腕摆动自由度 l个 手腕伸缩自由度 自动焊接时 各关节轴处的伺服系统分别驱动肩关节 肘关 腕 关节均按各自的旋动角度相互配合 协调转动 使关节型手臂在运动中保持肩部与 大臂 大臂与小臂 小臂与手腕及焊钳或焊炬之间的相互位置分别为一定的角度 保证焊钳 焊炬 夹持的药皮焊条或焊丝跟踪焊缝匀速进给 同时 根据焊接工艺 手腕作微小摆动和伸缩运动 由以上 3个运动合成自动焊接所需要的焊接动作 焊 接生产作业时 操作工人将便携式弧焊机器人快速安装在焊接生产作业对象上 作 自动焊接前简单的定位 清零 调整 间接使焊接工具的运动轨迹对准焊缝 以机 械装配精度保证焊接工具在静止时的准确定位 启动便携式弧焊机器人 在机器人 控制器内固化的自动焊接程序控制下 连续控制关节型手臂的各个关节轴 使各关 节轴同时作受控旋转 相互配合 协调转动保证焊接工具在自动焊接中始终跟踪焊 缝 复现行走和模仿人手与手臂的焊接动作 以药皮焊条或焊丝作为导电电极和填 充材料 配以弧焊电源 便携式弧焊机器人沿导轨 围绕焊接生产作业对象旋转进 行自动焊接 机制 08 2 班 杨超 6 2 2 便携式弧焊机器人的控制系统硬件便携式弧焊机器人的控制系统硬件 由于便携式弧焊机器人是在野外自动焊接中使用 其控制系统的体积 质量 抗干扰能力必须满足野外自动焊接的需要 便携式弧焊机器人在野外使用 不仅外 界环境条件恶劣 焊接生产作业条件十分苛刻 而且焊接电弧本身就是l 个干扰 源 焊接时噪声 电弧会干扰便携式弧焊机器人控制系统 便携式弧焊机器人的控 制系统如沿用一般的主从式微型计算机控制系统 即由主机 键盘 显示器 输入 设备 输入 输出接口电路 输出功率驱动电路组成 不仅其控制系统体积 质量 不能满足野外自动焊接生产的要求 而且抗干扰能力显然也不能满足野外自动焊接 的要求 在满足控制精度的前提下 缩小控制系统的体积 减轻其质量 提高抗干 扰能力 是开发便携式弧焊机器人的关键 由单片计算机组成的控制系统 由于其 体积小 控制功能和抗干扰能力强 是便携式弧焊机器人首选的控制系统 为缩小 便携式弧焊机器人控制系统的体积 控制系统硬件遵循小型 可靠 便于维护 具 有可换性的原则 实践中 采用定位精度高 无累计误差 控制简单的步进电机作 为驱动电机 以保证 控制精度 采用基于单片机的全软件控制方式 以减少电气硬 件配置 自动焊接前的定位 清零 由人工操作进行 节省单片机硬 软件资源 控制电源选用蓄电池 既缩小控制系统体积 又提高控制系统抗干扰能力 控制系 统框图如图3 所示 图中只画出 l 路输入 输出框图 为提高控制系统硬件的抗 干扰能力 每一路输入 输出端口均经光电耦合隔离与外围电路连接 为使便携式 弧焊机器人本体结构柔性化 将输入接口电路 输出功率驱动电路 分别单独制作 单元电路模块 安装在各执行元件处 构成机电一体化功能模块 这样的结构 可 根据焊接生产的需要和焊接方式的改变 增减机电一体化功能模块 组成不同型式 的便携式弧焊机器人 采用机电一体化功能模块组装便携式弧焊机器人 在便携式 弧焊机器人发生故障时 可换装电路模块或功能模块 快速修复便携式弧焊机器人 提高了便携式弧焊机器人使用的可靠性 这在野外自动焊接中是l 个十分重要的 性能 3 3 便携式弧焊机器人控制软件的开发便携式弧焊机器人控制软件的开发 机制 08 2 班 杨超 7 工业机器人控制软件的开发方式直接制约着工业机器人的应用和推广 快速 灵活的开发方式 不但促进工业机器人的应用和推广 而且直接决定工业机器人完 成生产作业的柔性 便携式弧焊机器人是面向操作工人 作为一个灵巧的自动焊接 工具使用 简化硬件的操作和控制软件的开发 使工人操作简便 安全地使用便携 式弧焊机器人 是必须满足的首要功能 为满足自动焊接实时控制的要求 采用汇 编语言编程 控制程序开发时 为摆脱重复书写汇编语言 这种既枯燥又易 出错的控制程序开发方式 满足操作人员开发便携