工业机器人使用与维护

机电设备公司课程报告课程名称：工业机器人的使用和维护专业：机械工程和自动化学年： 2012年班级：一班机器名字：学位：班主任：一、前言机器人技术是融合了电子技术、机械技术等多种新兴技术的高科技。 工业机器人经历了从第一代示范再现机器人、第二代离线编程机器人到现在的第三代智能机器人三个过程。 焊接作为工业的“缝纫”，在工业生产中是非常重要的加工手段，在焊接质量的好坏对产品质量产生决定性的影响的同时，由于焊接烟尘、电弧、金属飞散的存在，焊接的工作环境很差。 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔软化和智能化成为必然趋势，采用机器人焊接已成为焊接技术自动化的主要指标。二、焊接机器人目前的使用情况我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、施工机械、铁路机车等主要行业。 汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。 20世纪70年代末，上海电焊机工厂与上海电动工具研究所合作开发了直角坐标机器人，成功焊接了上海品牌轿车底盘。 一汽公司是我国第一家引进焊接机器人的企业，从1984年开始从KUKA公司引进3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。 1986年焊接成功机器人被应用于前挡板的焊接，1988年开发了机器人机体的总焊接线。 20世纪80年代末和90年代初，德国大众公司成立了上海和一汽和合资汽车厂，生产轿车，是海外的二手设备，但焊接自动化程度和设备水平认识到了与海外的很大差异。 此后，二手车在卡车和轻型汽车项目中引进了焊接机器人。 可以说，20世纪90年代以来技术引进和生产设备、技术装备的引进把我国汽车制造水平从以往的工作提高到规模化生产，同时使海外焊接机器人大量进军中国。 我国基础设施建设的高速发展带来了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为早期引进焊接机器人的行业之一。 近年来，随着我国经济的迅速发展，随着能源的大量需求，能源相关制造行业也开始寻求自动焊接技术，焊接机器人兴起。 铁路机车行业随着我国货物运输、旅客运输、城市地铁等需求量的增加和列车速度的需求，机器人的需求一直在稳步增加。 根据2001年的统计，全国有各种焊接机器人1 040台、汽车制造和汽车零部件生产企业的焊接机器人占全焊接机器人的76%。 汽车行业点焊机器人与电弧焊机器人的比例为32，其他行业以电弧焊机器人为主，主要分布于施工机械(10% )、摩托车(6% )、铁路车辆(4% )、锅炉(1% )等行业。 焊接机器人也主要分布在全国几个汽车制造商。 目前，在中国应用的机器人主要分为日系、欧洲系和国产三种。 日系有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。 欧洲系主要有德国KUKA、CLOOS、瑞典ABB、意大利COMAU和奥地利IGM公司。 国产机器人主要是沈阳新松机器人公司的产品。 目前，中国已有自主知识产权的焊接机器人系列产品无法量产，形成了规模。 其原因在于以下几点(1)国内机器人价格没有优势。 近十年来，进口机器人价格大幅下降，从78万美元/台下降到23万美元/台，我国独自制造的普通产业机器人在价格上难以竞争。 特别是在我国机器人开发初期，没有同步发展相应的零件产业，例如伺服电机、减速机等需要进口，很难降低价格，所以除了机器人生产成本高外，我国的焊接装备水平与海外有很大的差异，国内机器人的发展也机器人最大用户 对一汽白身制造商来说，大部分装备都是从海外引进的，国产机器人找不到表演的舞台。(2)国产机器人在控制水平和可靠性等方面与海外公司有差异。 国外工业机器人是非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历史，并且在实际生产中不断完善和提高的我国还处于单品少量的生产状态。 (3)国内机器人制造商在幼儿期需要政府的政策和资金的支持。 焊接机器人是机电一体化的高科技产品，光靠企业的能力是不够的。 政府需要为机器人生产企业和使用国产机器人系统的企业提供一定的政策和资金支援，加快我国国产机器人的发展。3 .焊接机器人技术的研究现状机器人技术是集成了计算机、控制论、机械结构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的高科技。 从国内外的研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊接跟踪技术、离线编程和路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用电弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接技术、远程焊接技术7个方面。四、构成结构焊接机器人主要由机器人和焊接设备两部分组成。 机器人由机器人主体和控制柜(硬件和软件)构成。 焊接设备以电弧焊接或点焊为例，由焊接电源(包括其控制系统)、给料器(电弧焊接)、焊枪(夹紧)等部分构成。 智能机器人还需要激光、摄像传感器及其控制装置等传感器系统。 图1a、b表示电弧焊接机器人和点焊机器人的基本构成。世界各国生产的焊接用机器人大部分是关节机器人，大部分是6轴。 其中，1、2、3轴能把末端工具送到不同的空间位置，4、5、6轴能解决工具姿势不同的要求。 焊接机器人主体的机械结构主要有两种：为平行四边形结构，一种为横置(摆式)结构，如图2a、b所示。 横置(摆式)结构的主要优点是上下臂的可动范围宽焊接机器人的形象机器人的工作空间几乎可以达到球体。 因此，这个机器人可以倒挂在架子上工作，节省了占地面积，方便了地面上的物体的流动。 但是，这种侧机器人2、3轴为悬臂结构，降低了机器人的刚性，一般适合装载小机器人，用于电弧焊、切断、涂装。 平行四边形机器人的上臂由拉杆驱动。 拉杆和下臂构成平行四边形的两边。 因此出名了。 初期开发的平行四边形机器人作业空间较小(仅限于机器人的前部)，倒置作业困难。 但是，80年代后半期以来开发的新型平行四边形机器人(并联机器人)，可以把工作空间扩大到机器人的顶部、背部、底部，没有测量式机器人的刚性问题，受到普遍的重视。 这个结构不仅适合轻量，还适合重型机器人。 近年来，点焊用机器人(负荷100150kg )多采用平行四边形结构的机器人。 这两种机器人各自的轴进行旋转运动，因此伺服马达由摆线轮(RV )减速机(13轴)和谐波阻尼器(16轴)驱动。 到80年代中期为止，电气驱动的机器人使用了直流伺服电动机，但80年代后期以来，各国逐渐切换为交流伺服电动机。 由于交流电机没有碳刷，动态特性好，新型机器人不仅事故率低，而且维修时间大幅度延长，速度也加快了。 部分负荷16kg以下的新型轻量机器人，刀具中心点(TCP )的最高速度在3m/s以上，定位正确，振动小。 同时，机器人控制柜也变更为32位微机和新算法，具有自己优化路径的功能，使运行轨迹更接近示范轨迹。五、焊接机器人的特征对焊接机器人的点焊要求并不那么高。 点焊只是点控制，并不严格要求焊接夹具的点和点之间的移动轨迹，所以机器人也是最初只能用于点焊的理由。 点焊机器人不仅具有充分的负荷能力，而且要求在点和点之间位移时速度快、动作平稳、定位准确，减少位移时间机器人手臂。高生产效率。 点焊机器人需要多少负载能力取决于使用的焊接钳子形式。 与变压器分离的焊接钳子，负载在3045kg的机器人就足够了。 但是，这种焊接钳子由于二次电缆长，所以电力损失大，也不利于机器人将焊接钳子插入工件内部进行焊接，另一方面，电缆因机器人的动作而不断摇晃，电缆破损快。 因此，现在采用一体型的焊接钳子的情况越来越多。 这个焊接钳子随着变压器的质量为70kg左右。 考虑到机器人有足够的负荷能力，可以以较大的加速度将焊接钳送到空间位置进行焊接，一般选择100150kg负荷重的机器人。 为了满足连续点焊时焊接钳子短距离高速位移的要求。 新的重型机器人追加了在0.3s以内能位移50mm的功能。 这对电动机的性能、微机的运算速度和算法提出了更高的要求。六、焊接机器人系统主要由以下部分组成机械主体系统、传感系统、控制系统。 机器人系统的概念图如图1所示。 机械主体系统是轮式移动机器人及其附属零件，该机器人采用两轮差动驱动，前方增加一万轮实现了机器人主体的移动。 焊枪固定在十字滑块上，通过控制十字滑块的上下和左右的动作，控制焊枪的升降和伸缩。 焊接系统包括焊接电源、送丝机、保护气体，实现机器人的焊接工作。 传感系统焊枪采用旋转电弧传感器，紧凑、实时性、到达性好的霍尔传感器，收集焊接电流信号的超声波传感器放置在机体的前端，收集障碍物信号的机体底盘的四角有四个光电传感器，检测机器人是否移动到角上控制系统用于机器人的控制，主要实现机器人的移动跟踪、焊接起弧和停弧等控制。 本次控制系统的设计目标是设计能实现机器人控制要求的控制箱，小型化，简化机器人的尺寸和重量。6.1机器人控制系统整体的设计控制系统实施模块设计，分为电源模块、中央控制模块、驱动模块、信号采集和处理模块、旋转电弧电机调速模块、防坠落模块。 控制系统的电路图如图2所示。电源模块用于转换输入电压，并向每个模块提供电力。 中央控制模块实现系统的控制功能。 信号收集和处理模块收集机器人的位置和焊接电流等信号，作为控制模块的输入信号。 驱动模块根据控制信号进行动作，完成机器人的圆角跟踪。 旋转电弧调速模块用于稳定旋转电弧电机的转速，减小旋转速度偏差引起的干扰。 落下防止模块防止机器人到达角落时因落下而造成的损失。6.2控制系统的硬件设计和选定6.2.1电源模块机器人输入是24V直流稳压电源，需要设计将24V电压转换为5V、12V、-12V的电源转换板，满足各模块不同电压的要求。 PCM-3343是5V供电，步进电机是12V供电，霍尔传感器需要12V、-12V电压。 3.2中央控制模块采用研华PCM-3343，这是一台嵌入式工控主机，单5V供电，功耗低。 基于PC104总线，PCM-3343可以具有强兼容性、小尺寸和显着减小设计尺寸。 在PC104的总线模块之间堆叠连接(即，上和下层)是接通的针与孔咬合连接，该层叠封装具有优异的抗震性、耐冲击性、可靠性，对采用旋转电弧的本型机器人(电机偏压旋转有一定的振动)来说一定是重要的性能。 具有基本机器人资源，能满足焊接机器人的控制要求。6.2.2信号采集和处理模块采用ART2932数据采集卡。 在电弧旋转的情况下，进行光耦合以获得信号，通过LM353与电压进行比较。当将获取的信号输入到ART2932时，能够在信号处理之后获得焊炬的位置。 水平滑块和垂直滑块安装了左、中、右三个限位光耦合。 这三个光学耦合用于防止电动机锁定，并测量滑块的大致位置。 在机器人的头部搭载有测量机器人与前面的障碍物之间的距离的超声波传感器，超声波传感器的信号被输入到ART2932，通过信号处理获得机器人的位置。 霍尔传感器检测焊枪电流信号，根据焊枪位置的高度变化和焊枪电流信号的转换关系导出焊枪的焊枪位置，实现焊枪的跟踪。6.2.3驱动模块本系统采用了ART1020运动控制卡。 这是PC104总线的4轴伺服/步进电机运动控制卡，以高频脉冲串形式输出，可以控制伺服/步进电机运动。 该控制卡能够准确地控制发出的脉冲频率电机速度、脉冲数(电机旋转角)和脉冲频率变化率(电机加速度)可满足步进电机的各种复杂控制要求。 该控制卡可以独立控制4轴驱动，本系统是左右两轮、水平、垂直两轮的滑块，左右两轮控制机器人的移动和回转，水平的滑块控制焊炬的伸缩来跟踪焊炬，垂直的滑块与焊炬高度的变化相对应总之，总而言之，需要驱动总共4个步进电机，ART1020可以满足控制要求。 运动控制卡上连接有驱动器，驱动器直接驱动4个步进电机。的。 3.5旋转电弧电机调速模块焊接作业时，电机使偏心装置旋转，实现电弧的圆柱式扫描运动。 由于焊枪焊接时受到的阻力不均匀，所以转速不稳定，影响信号的收集和偏差的识别精度，影响焊枪的追随和成形。 为了那个有必要测量电机转速控制模块. 这里，之所以以AT89C2051单片机为控制的核心，是因为该单片机管脚数少，20管脚，足以满足控制的需要，有利于系统的小型化。 将在光耦合速度由LM353整形后获得的电动机旋转速度信号输入到单片机中。 用单片机对转速进行反馈控制，稳定在40Hz左右。6.2.4防坠落模块根据实践中的经验，机器人在焊接作业时有可能到达角落，此时机器人有可能掉落损失。 因此，需要设计落下防止模块，当检测到机器人到达了角落时，停止机器人的移动和焊接防止坠落。 这可以通过在机器人底盘的四角分别安装4个光电传感器来实现。 机器人到达转角时，任何一个传感器都会检测信号，向控制系统输入信号，控制机器人停止移动和焊接