焊接機器人設計【焊接機械手】【4自由度】【直角坐標】【壓缸實現(xiàn)手部的旋轉】

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從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進一步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產設備的自動化水平，從而提高勞動生產率，同時又可提升企業(yè)的產品質量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對于它的產出遠比完成同樣任務所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產品的生產成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機器人用于工業(yè)制造領域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機器人至少有約100萬。我國機器人發(fā)展迅猛，從國家863計劃實施之初到現(xiàn)在一直將機器人技術列為重點支持方向。國家863計劃機器人技術主題重點支持數(shù)控、工程機械、盾構、生產線、水下載人潛器、危險作業(yè)機器人、醫(yī)療機器人和仿人仿生機器人等。目前光我國從事機器人的研發(fā)單位就有200多家，專業(yè)從事機器人產業(yè)開發(fā)的則達50家以上。一批企業(yè)逐步發(fā)展壯大。 據不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領域。 焊接機器人具有焊接質量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產率等特點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業(yè)等行業(yè)。日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了50萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數(shù)量在迅速增加。 我國自上個世紀70年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經過二十多年的發(fā)展，在技術和應用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據不完全統(tǒng)計，最近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均每年的增長率都超過40%,焊接機器人的增長率超過了60%。但這樣的增長速度相對于我國的經濟發(fā)展速度以及經濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應用程度的提高受到限制。當前焊接機器人的應用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國經濟的發(fā)展，由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產品質量和增加企業(yè)競爭力，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大。 從目前國內外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術的研究十分活躍，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規(guī)劃技術、多機器人協(xié)調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。 焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。工業(yè)機器人技術的研究、發(fā)展與應用，有力地推動了世界工業(yè)技術的進步。特別是焊接機器人在高質高效的焊接生產中，發(fā)揮了極其重要的作用。隨著我國加入WTO后國際競爭更加激烈，對工業(yè)機器人的需求會越來越大，我國的工業(yè)機器人產業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國躋身于機器人強國之列而努力奮斗。 新中國成立后，經過50年的艱苦努力，中國焊接生產機械化自動化技術發(fā)展應用，取得了很大的成就，焊接生產過程機械化與自動化程度已達到20%。在以焊接技術為主導制造工藝技術的大中型骨干企業(yè)，焊接生產過程綜合機械化與自動化程度已達到40%～45%。在機床、鍋爐、汽車、化工機械、工程機械和重型機械等國家重點骨干企業(yè)，通過引進國外先進技術及相應配套的自動化焊機、成套焊接設備、焊接生產線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產機械化與自動化技術達到了國際90年代初的先進水平，進入世界先進之列。 3、 文獻綜述 焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。 世界各國生產的焊接用機器人基本上都屬關節(jié)式機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器人本體的機械結構主要有兩種形式：一種為平行四邊形結構，一種為側置式（擺式）結構，如圖2a、b所示。側置式（擺式）結構的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工作空間幾乎能達一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側置式機器人，2、3軸為懸臂結構，降低機器人的剛度，一般適用于負載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂是通過一根拉桿驅動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較小（局限于機器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人，已能把工作空間擴大到機器人的頂部、背部及底部，又沒有測置式機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結構不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負載100～150kg）大多選用平行四邊形結構形式的機器人。 上述兩種機器人各個軸都是作回轉運動，故采用伺取電機通過擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅動。在80年代中期以前，對于電驅動的機器人都是用直流伺服電機，而80年代后期以來，各國先后改用交流伺服電機。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加（減）速度也快。一些負載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心點（TCP）的最高運動速度可達3m/s以上，定位準確，振動小。同時，機器人的控制柜也改用32位的微機和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運行軌跡更加貼近示教的軌跡 中國在60年代初期開始發(fā)展焊接生產線，例如哈爾濱鍋爐廠、沈陽變壓器廠等相繼建立了鍋爐蛇形管、變壓器散熱器管焊接件的自動生產線，取得了顯著的成績。70年代焊接生產線機械化自動化技術發(fā)展較快，到70年代末，相當多的批量較大的焊接結構生產，都程度不等地發(fā)展應用了各種類型的焊接生產線技術。 　　由于自動控制系統(tǒng)、可編程序控制器、微處理機和計算機技術等在焊接生產中的應用，80年代以后，中國發(fā)展了采用焊接方法的自動控制、焊接過程的自動控制，用自動傳送裝置、專用焊接設備及電控部分等組成的焊接中心和焊接生產自動線，較廣泛地應用在汽車、船舶、核能、電站、鍋爐、礦山機械等行業(yè)中，不斷提高焊接生產的自動化程度?！　?0年代中期以后，汽車、摩托車等行業(yè)發(fā)展焊接生產線上應用機器人焊接技術突出，在中國現(xiàn)代的工廠里可以看到那一排排焊接機器人正在揮舞著鋼鐵的臂膀認真操作的場景。 　　進入90年代后，中國焊接界把實現(xiàn)焊接生產機械化、自動化作為戰(zhàn)略目標，已在各行業(yè)的科技發(fā)展規(guī)劃中付諸實施。大力發(fā)展焊接生產自動化和過程控制智能化技術，發(fā)展焊接生產線和柔性制造技術，發(fā)展應用計算機輔助設計與制造技術等。 我國制造業(yè)中焊接機器人的應用主要是在20世紀90年代以后(個別企業(yè)在80年代中期)，經歷了摸索階段，近5年來焊接機器人的數(shù)量增加很快，特別是在汽車制造業(yè)。根據到2001年的統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，其中弧焊機器人多于點焊機器人，汽車制造和汽車零部件生產企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76％，是我國焊接機器人最主要的用戶。汽車制造廠的點焊機器人多，弧焊機器人較少；而零部件廠弧焊機器人多，點焊機器人較少。該行業(yè)中點焊與弧焊總的比例約為3：2。其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械(10％)、摩托車(6％)、鐵路車輛(4％)、鍋爐(1％)等行業(yè)。焊接機器人分布在全國各個經濟地區(qū)，但主要集中在東部沿海和東北地區(qū)。東部的上海和東北的長春這兩個汽車城是我國擁有焊接機器人最多的城市。我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。今后應重點放在擴大應用領域，使更多行業(yè)用上焊接機器人。 當前世界各國在發(fā)展工業(yè)機器人產業(yè)方面有三條不同的道路： (1)機器人制造廠商以開發(fā)新型機器人和批量生產優(yōu)質產品為主要目標，而各行業(yè)需要的機器人成套系統(tǒng)，一般由其子公司或社會上的工程公司來設計制造，并完成交鑰匙工程(暫稱為“日本模式”）； (2)機器人制造廠商自己既生產機器人又設計制造用戶所需要的系統(tǒng)，完成交鑰匙工程(暫稱為“歐洲模式”）； (3)本國基本不生產一般工業(yè)機器人，企業(yè)需要的機器人系統(tǒng)由工程公司用進口的機器人自行設計制造外圍設備并成套，完成交鑰匙工程(暫稱為“美國模式”)。 目前我國需要研究我們的機器人產業(yè)應走什么道路的問題。我們認為應從“美國模式”著手，在條件成熟后逐步向“日本模式”靠近?？上驳氖?，我國已經形成一批焊接自動化系統(tǒng)集成工程公司，可以完成焊接機器人工作站的設計、設備集成與技術咨詢工作?，F(xiàn)在我國使用的焊接機器人工作站有近20％是在國內由中國的工程師采用進口的機器人，配合自行設計的外圍設備而集成的。但是比較復雜的焊接機器人生產線或焊接FMS大多還需要全套從國外進口。今后，應促使這些工程公司做大做強，政府應以政策鼓勵企業(yè)采用我國自行成套的焊接機器人系統(tǒng)，而我國的工程師應進一步加強和國外的機器人廠家和集成公司的合作與技術交流，使國內應用的焊接機器人系統(tǒng)中自行成套的焊接機器人工作站迅速增多，促進我國機器人產業(yè)的成長。 參考文獻 【1】成大先.機械設計手冊（第五版）（第1卷）.北京：化學工業(yè)出版社，2008 【2】蔡自興.機器人學基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2009 【3】李曉輝，汪蘇，劉小輝，朱小波.焊接機器人智能化的發(fā)展[J].電焊機,2005 【4】唐新華.焊接機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢㈠[J].電焊機,2006 【5】 孟廣喆.國內外焊接技術發(fā)展情況和對我國今后焊接技術發(fā)展的設想.第一屆全國焊接會議論文集.北京：中國工業(yè)出版社，1964 【6】國家自然科學基金委員會.機械制造學(熱加工).北京：科學出版社，1995 【7】 潘際鑾.弧焊過程控制.第八次全國焊接會議論文集.第1冊.北京：機械工業(yè)出版社，1997【8】 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