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_焊接机器人系统.doc
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2023-07-11
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_焊接机器人系统.doc
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各种焊接机器人的系统构成及周边装置
焊接机器人的周边装置主要包括焊接变位机、移动滑台、回转工作台、焊枪清理装置
等。
�焊接变位机
焊接变位机是通过倾斜和回转动作,将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。
焊接变位机与机器人连用可缩短辅助时间,提高劳动生产率,改善焊接质量。焊接变位机在
机器人焊接作业中是不可缺少的周边设备,根据实际生产的需要焊接变位机可以有多种形式。
从驱动方式来看,有普通直流电机驱动、普通交流电机驱动及可以与机器人同步协调运动的
交流伺服驱动。
�移动滑台
移动滑台也是焊接机器人的一个重要的周边装置,其主要用途是安置机器人或焊丝支架,
特别是在焊接大型工件时,移动滑台加大了机器人的工作范围,移动滑台的形式主要有以下
几种。
�焊枪清理装置
焊枪清理装置主要包括剪丝、沾油、清渣以及喷嘴外表面的打磨装置。剪丝装置主要用
于用焊丝进行起始点检出的场合,以保证焊丝的干伸长度一定,提高检出的精度;沾油是为
了使喷嘴表面的飞溅易于清理;清渣是清除喷嘴内表面的飞溅,以保证保护气体的通畅;喷
嘴外表面的打磨装置主要是清除外表面的飞溅。
�自动换枪装置
用于不同填充材料的自动焊接。
3.4 焊接机器人的主要性能指标
焊接机器人的主要性能指标以日本安川电机公司生产的 Motoman-L10 为例表示如下:
⑴ 名称与型号 Motoman-L10
⑵ 主要用途 弧焊
⑶ 类别 示教再现型
⑷ 坐标型式 多关节式
⑸ 自由度数 5 个
⑹ 抓重 最大 10㎏(包括夹钳)
⑺ 动作范围与速度 运动参数列表如下:
表 3-1 Motoman-L10 运动参数
运动自由度
动作范围
速度
整机摆动
240°
90°/s
上臂俯仰
+20°~-40°
1100mm/s
上臂前后
±40°
800mm/s
手腕弯曲
180°
100°/s
手腕旋转
360°
150°/s
⑻ 定位方式 选用增量编码器作为位置检测元件
⑼ 控制方式 重复式数字位置控制方式,可精确控制运动轨迹
⑽ 重复定位精度 ±0.2mm;
⑾ 驱动方式 电伺服 采用交流测速发电机作为伺服电动机的速度检测元件,实现
速度反馈,并引进力矩反馈;
⑿ 驱动源 DC 伺服电动机
⒀ 程序控制和存储方式 采用 8 位微处理 Intel8080 用半导体存储器作为主存(盒式
磁带补充主存容量之不足)
程序步数:1000 步
指令条数:600 条
⒁ 轮廓尺寸 如图所示
图 3-3 Motoman-L10 外形尺寸与动作范围
⒂ 重量 本体 400㎏ 控制部分 350㎏
⒃ 外部同步信号 输入 22 点 输出 21 点
⒄ 电源 AC220/220V(+10%,-15%),
50/60HZ±1HZ, 三相 5KVA
2.4 焊接机器人的系统构成
机器人要完成作业,必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器
人系统一般有如下几部分组成:机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统(专用焊接电源、
焊枪和焊钳等)、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等,如图所示。
根据用途,将工业机器人配置不同的焊接系统,将组成不同的焊接机器人系统,各种不同的
焊接机器人系统的主要设备构成如下表所示。
(1) 弧焊机器人
由于弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及,弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多
行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统,而性能有特
殊的要求。在弧焊作业中,焊枪应跟踪工件的焊道运动,并不断填充金属形成焊缝。因此运
动过程中的速度稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下,焊接速度约为 5~50㎜/s,
轨迹精度约为±(0.2~0.5)㎜。由于焊枪的姿态对焊缝质量有一定的影响,因此希望在跟踪
焊道的同时,焊枪姿态的可调范围尽量大,其一些基本性能要求如下所示:
① 设定焊接条件(电流、电压、速度等);
② 摆动功能;
③ 坡口填充功能;
④ 焊接异常功能检测;
⑤ 焊接传感器(起始点检测、焊道跟踪)的接口功能。
(2)点焊机器人 汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应用领域,在装配每台汽
车车体时,大约 60%的焊点是由机器人完成。最初,点焊机器人只用于增强焊作业(往已
拼接好的工件上增加焊点),后来为了保证拼接精度,又让机器人完成定位焊作业性能,具
体来说有:
① 安装面积小,工作空间大;
② 快速完成小节距的多点定位(例如每 0.3~0.4s 移动 30~50㎜节距后定位);
③ 定位精度高(±0.25㎜),以确保焊接质量;
④ 持重大(50~100㎏),以便携带内装变压器的焊钳;
⑤ 内存容量大,示教简单,节省工时;
⑥ 点焊速度已生产线相匹配,同时按全可靠性好。
3.3 焊接机器人的系统构成
图 2-1 焊接机器人系统原理图
机器人操作机时焊接机器人系统的执行机构,它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节
以及内部传感器(编码盘)等组成。它的任务是精确的保证末端操作器所要求的位置、姿态
和实现其运动。根据定义,工业机器人操作机从结构上应具有三个以上的可自由编程的运动
关节,可见其分为主要关节和次要关节两个层次,不同数目和层次关节组合决定了相应的机
器人工作空间。由于具有六个旋转关节的铰接开链式机器人操作机从运动学上已被证明能以
最小的结构尺寸为代价获取做大的工作空间,并且能以较高的位置精度和最优的路径达到指
定位置,因而这种类型的机器人操作机在焊接领域得到广泛地运用。
变位机作为机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分,其作用是将被焊工
件旋转(平移)到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中,变位机通过夹具来装卡和
定位被焊工件,对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机器人操
作机充分发挥效能,焊接机器人系统通常采用两台变位机,当其中的一台上进行焊接作业时,
另一台则完成工件的上装和卸载,从而使整个系统获得最高的费用效能比。
机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢,它由计算机软件、硬件和一些专用电路
构成,其软件包括控制器系统软件、机器人运动学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及
自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。所有
现代机器人的控制器都是基于多处理器,根据操作系统的指令,工业控制计算机通过系统总
线实现对不同组件的驱动及协调控制。典型的焊接机器人控制系统结构如图所示。
焊接系统是焊接机器人完成作业的核心装备,其主要由焊钳(点焊机器人)、焊枪(弧
焊机器人)、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部分外
围接口芯片组成的控制系统,它可根据预定的焊接监控程序,完成焊接参数输入、焊接程序
控制及焊接系统的故障自诊断,并实现与本地计算机及手控盒的通讯联系。用于弧焊机器人
的焊接电源及送丝设备由于参数选择的需要,必须由机器人控制器直接控制,电源在其功率
和接通时间上必须与自动过程相符。
图 3-2 焊接机器人控制器系统结构原理图
在焊接过程中,尽管机器人操作机、变位机、装卡设备和工具能达到很高的精度,但
由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差,以及焊接过程中热输入能引起工件的变形,传感器
仍使焊接过程中(尤其是焊接大厚工件时)不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口
的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。
中央控制计算机在工业机器人向系统化、PC 化和网络化的发展过程中发挥着重要的作
用。通过串行接口与机器人控制器相连接,中央控制计算机主要用于在统一层次和不同层次
的计算机形成网络,同时以传感系统相配合,实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系
统的应用及生产数据的管理。
安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障,其主要包括驱动系统过热自断电保
护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工
急停断电保护等等,他们起到防止机器人伤人或周边设备的作用。在机器人的工作部还装有
各类触觉和接近传感器,可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。
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