《智能焊接制造基础》习题及答案 第7章习题参考答案

第7章机器人焊接技术习题与思考题参考答案1.什么是工业机器人？答题思路：从示教再现起源出发，说明工业机器人是多关节可编程的机电一体化设备，区分三代机器人，点明在工业现场执行作业。答题要点工业机器人是一类可通过编程、示教实现动作再现的机电一体化设备；由关节连杆机构、驱动、传感、控制器组成，能够自动完成搬运、焊接等工业作业。第一代示教再现机器人，按人工示教轨迹重复作业；第二代具备感知传感器，可适应环境变化；第三代智能机器人，可自主规划完成任务。广泛应用于焊接、装配、搬运等工业生产场景。2.机器人的基本构成是什么？各个主要部分的作用是什么？答题思路：依据教材四大组成：机械机构、传感器、控制器、驱动源；逐条阐述每一部分功能。答题要点（1）机械机构：由连杆、关节组成，是机器人执行作业的本体，实现末端执行器的空间运动。（2）传感器：分为内传感器、外传感器；检测机器人自身状态与外部环境信息，反馈给控制器。（3）控制器：机器人核心，接收任务指令与传感信号；进行运算、轨迹规划，输出控制指令控制驱动源。（4）驱动源：分为电动、气动、液压；接收控制器指令，驱动机械机构各关节运动。3.不同结构坐标系机器人的特点是什么？答题思路：分别梳理直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、多关节型的运动形式、优缺点，重点突出多关节型在焊接的优势。答题要点①直角坐标型：X/Y/Z三轴直线运动；运动控制简单，定位精度高；占用空间大，工作空间有限，灵活性差。②圆柱坐标型：旋转+两个直线运动；结构简单，径向可伸缩；末端姿态灵活性不足。③极坐标（球坐标）型：旋转、摆动、直线伸缩；工作范围大；结构复杂，定位精度较差。④多关节型：全部为旋转摆动关节；动作灵活，可达空间大，姿态调整能力强；适合复杂空间焊缝，弧焊机器人大多采用该结构；运动学运算复杂。4.机器人的主要技术参数有哪些？答题思路：围绕教材关节机器人关键参数，解释每个参数含义，区分定位精度、重复精度，点明焊接更看重重复精度。答题要点①自由度：独立运动轴数量，表征运动灵活程度，弧焊机器人一般6轴及以上。②额定速度：保证精度前提下机器人最大运动速度，分为单轴速度与合成速度。③额定负载：腕部末端允许承受最大质量；点焊负载大，弧焊负载较小。④工作空间：机器人末端参考点能够到达的全部空间区域。⑤分辨率：关节可实现的最小移动距离或转动角度。⑥定位精度：末端实际位置与理想位置的偏差。⑦重复精度：重复执行同一位置指令，多次到达位置的离散误差；机器人焊接中该指标更为重要。⑧位姿：末端工具（焊枪/焊钳）的位置与姿态。5.机器人作业的基本原理与过程是什么？答题思路：任务接收→控制器运算规划→输出指令驱动本体→传感器反馈修正→完成作业，四步流程。答题要点①任务接收：通过示教或者离线编程输入作业任务，包括运动轨迹、姿态、工艺参数。②运算规划：控制器接收任务，完成坐标变换、轨迹规划，生成各关节控制指令。③执行动作：控制器输出指令给驱动伺服系统，驱动机械本体完成运动，执行作业。④传感反馈修正：内、外传感器采集本体状态和环境信息反馈控制器，实时修正运动；作业完成输出结束信号。6.机器人焊接的特点是什么？答题思路：从质量、效率、劳动条件、柔性，同时说明局限性两方面作答。答题要点优点：①焊接质量稳定，焊缝一致性好。②可24小时连续工作，生产效率高，可适配高效焊接工艺。③降低焊工劳动强度，改善恶劣作业环境，可完成人员难以操作的狭小位置焊接。④便于实现自动化、柔性化生产，是智能焊接制造重要手段。局限性：①对工件坡口、组对装配精度要求高。②需要配套示教、编程人员，操作人员需要掌握机器人与焊接专业知识。7.焊接工艺对机器人的要求有哪些？答题思路：从自由度、精度、存储、姿态补偿、插补、工作空间、摆动、故障自检多个要点整理。答题要点①运动灵活，一般不少于6个自由度，能够灵活调整焊枪空间姿态。②较高定位精度，弧焊重点保证轨迹重复精度。③足够存储容量，可存储大量点位与焊接工艺参数。④姿态调整时点位坐标自动补偿，调整姿态不改变示教点位置。⑤可设置、调用焊接参数，能够和变位机、焊接电源等外部设备交互信号。⑥具备直线、圆弧插补功能。⑦满足焊接作业的工作空间。⑧弧焊机器人需要焊枪摆动功能。⑨具备粘丝、断丝等焊接故障自检报警功能。8.弧焊机器人与点焊机器人在实际应用中有什么区别？答题思路：从控制方式、负载、末端工具、轨迹要求、工艺配合几个维度对比。答题要点①控制方式：点焊机器人属于点位控制PTP，只保证焊点位置，对点间运动轨迹无严格要求；弧焊机器人属于连续轨迹控制CP，末端要沿焊缝连续运动。②末端工具：点焊使用点焊焊钳；弧焊使用焊枪。③负载：点焊负载大，一般100‑150kg；弧焊负载小，一般5‑20kg。④运动要求：点焊注重点位定位精度；弧焊对轨迹重复精度、焊枪姿态要求严格，具备焊枪摆动。⑤外部设备：点焊配套点焊控制器；弧焊需要和数字化弧焊电源通信协同控制电流电压、送丝速度。9.什么是示教再现编程？简要描述示教再现编程的过程。答题思路：定义示教再现；分示教记录、再现执行两大阶段描述流程。答题要点（1）示教再现编程：操作人员通过示教盒手动操纵机器人，移动到目标点位，记录点位坐标、姿态、速度、工艺参数；机器人后续重复执行已记录程序。（2）过程：①操作人员操作示教盒，手动移动机器人到焊缝各个关键点；②保存各示教点的位置、姿态、运动速度、焊接参数；设置插补方式（直线/圆弧）；③全部点位示教完成，保存机器人程序；④切换到再现模式，机器人按存储点位、插补算法生成运动轨迹，自动重复完成焊接作业。10.什么是离线编程？离线编程系统的基本模块与功能是什么？答题思路：先定义离线编程OLP；再按照教材模块：建模、运动学动力学计算、轨迹规划、运动仿真、传感器仿真、语言转换、误差校正分别说明功能。答题要点（1）离线编程：不占用实际机器人本体，在计算机中搭建虚拟环境，完成机器人轨迹规划、程序编制、仿真验证，再把程序下发给机器人控制器。（2）基本模块及功能：①机器人与工作单元建模：构建机器人、工件、工装夹具三维模型，可导入CAD模型。②运动学、动力学计算：求解焊枪位姿与各关节角度的关系，计算关节力矩。③轨迹规划：规划焊枪运动路径、姿态、焊接工艺参数，做可达性计算、防碰撞预判。④运动图形仿真：三维动画模拟焊接全过程，检查干涉碰撞，估算作业周期。⑤传感器仿真：对寻位、跟踪传感器进行虚拟仿真。⑥语言转换：将仿真程序编译转换为机器人可识别的控制语言。⑦误差校正：补偿模型、工件、定位带来的实际误差。11．有哪些常用的焊缝自动跟踪传感器？其工作原理是什么？答题思路：分为接触式焊丝寻位传感器、激光视觉（线结构光）传感器，简述各自原理，区分焊前寻位与焊接过程跟踪。答题要点①焊丝接触式传感器：利用焊丝施加低压电；焊丝接触工件产生接触电信号；控制器记录接触点坐标，计算焊缝位置，多用于焊前自动寻位；仅可在不起弧状态使用。②线结构光激光视觉传感器：激光器投射线状激光到工件坡口形成激光条纹；工业相机采集条纹图像；图像处理提取坡口、焊缝特征，计算焊枪相对焊缝的偏差，实时输出信号给机器人，实现焊前寻位或者焊接过程焊缝跟踪。12．焊接机器人应用系统的基本构成是什么？答题思路：本体、机器人控制器、焊接设备、外部辅助设备、传感系统、安全防护，逐项说明。答题要点①机器人本体：多关节机械臂，末端搭载焊枪或焊钳。②机器人控制器：存储程序，控制机器人运动，负责与外部设备通信。③焊接设备：弧焊/点焊电源、送丝机构、焊枪/焊钳。④辅助工装设备：变位机、夹具、轨道移动机构。⑤传感系统：接触寻位、激光视觉等传感器，实现寻位、焊缝跟踪。⑥安全防护：防护围栏、防碰撞装置、急停等安全部件。13．机器人焊接过程中，采用仿真技术，可以解决什么问题？答题思路：从碰撞干涉检查、可达性验证、轨迹规划、程序预调试、工时预估、离线编程支撑角度作答。答题要点①检查焊枪、机器人本体与工件工装之间的干涉碰撞。②验证焊缝位置机器人是否可达，优化焊枪姿态。③完成焊接路径、运动轨迹预先规划。④在虚拟环境调试程序，减少现场示教调试时间。⑤估算工序循环时间，优化焊接顺序。⑥为离线编程提供仿真验证环境，提前发现工艺布局问题。14.结合一个大直径筒体环缝焊接，提出机器人焊接系统的设计方案。答题思路：从本体选型、移动机构、变位设备、焊接电源、传感、仿真、控制协同、安全几个方面给出方案。答题要点①机器人本体：选用6轴重载弧焊机器人；配置地轨+十字架悬臂移动机构，扩展工作范围，覆盖大直径筒体。②工件装夹：配置筒体回转变位机，带动筒体旋转，将环缝调整到合适焊接位置。③焊接设备：选用数字化弧焊电源，支持波形控制，机器人控制器与焊机通信协同。④传感配置：激光视觉传感器，完成焊前寻位和环缝焊缝跟踪，补偿装夹、焊接变形带来的偏差。⑤仿真：使用离线仿真软件，进行模型导入、碰撞检查、轨迹规划。⑥控制：实现机器人‑移动机构‑变位机多轴协同控制；采用多层多道焊接程序。⑦安全：配置防护围栏、防碰撞、急停装置。可采用双机器人对称焊接，减小筒体焊接变形。15.结合6米长箱型梁焊接，提出机器人焊接系统的设计方案。答题思路：工件长，重点解决行程不足；本体、轨道、工装、传感、仿真、工艺。答题要点①机器人本体：6轴弧焊机器人；配置长行程地面轨道，机器人沿轨道移动，覆盖6米箱型梁全长。②工装夹具：专用工装夹具对箱型梁定位夹紧；可配置变位机，翻转工件使焊缝处于平焊、平角焊位置。③焊接设备：数字化弧焊电源，脉冲MAG/MIG焊接工艺。④传感：激光视觉传感器，完成焊缝寻位与跟踪，补偿组对误差。⑤离线仿真：导入箱型梁三维模型，仿真检查干涉，规划焊接顺序与轨迹。⑥控制：机器人与地轨协同运动；分段焊接，设置多层多道工艺程序。⑦安全防护：安全围栏，防碰撞检测。16.举例说明焊接机器人应用中需要注意哪些问题。答题思路：工件装配、编程仿真、传感使用、设备协同、安全防护、维护几个方面举例。答题要点①工件装配：工件坡口