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机器人点焊.doc
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2023-07-12
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机器人点焊.doc
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摘要: 本论文完成了机器人点焊系统电气控制部分的硬件和软
件设计。该机
器人点焊系统主要由夹具系统,转台系统,机器人以及焊接系统
等几大模块组成,整个系统用 PLC 进行控制。本设计中硬件部分围绕
夹具系统等几大模块进行,完成了相应模块的控制电路以及整个系统
的安全保护电路的设计。软件设计分两部分进行,即系统在手动模式
下的运行程序以及在自动模式下的运行程序。手动模式一般用于机器
人系统安装调试阶段以及故障处理的时候,通过操作主控制柜上不同
的按钮可对转台,夹具进行分别控制。自动模式用于生产阶段,系统
运行速度很快,可以减小生产周期。在自动模式下夹具,转台,机器
人,焊枪依据工艺要求的逻辑顺序进行动作,完成对工件的点焊任务。
关键词: PLC;机器人;点焊;电气控制
- 1 -
1 绪 论
1.1 点焊机器人介绍及其研究意义
点焊机器人【spot welding robot】 用于点焊自动作业的工业机
器人。世界上第一台点焊机于 1965 年开始使用,是美国 Unimation
公司推出的 Unimate 机器人,中国在 1987 年自行研制成第一台点焊
机器人──华宇-Ⅰ型点焊机器人。点焊机器人由机器人本体、计算
机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成,由于为了适应灵活
动作的工作要求,通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计,
一般具有六个自由度:腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。
其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修
简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点,因此应用较为广
泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业,
其过程是完全自动化的,并且具有与外部设备通信的接口,可以通过
这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。
焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、
稳定的焊接水平;另一方面,焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热
辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想
到用它代替人的手工焊接,减轻焊工的劳动强度,同时也可以保证焊
接质量和提高焊接效率。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用
大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量,同时又具有柔性焊接
的特点,即只要改变程序,就可在同一条生产线上对不同的车型进行
装配焊接。应用点焊机器人,有如下优点:
? 容易实现生产过程的完全自动化;
? 对生产设备的适应能力将大大加强;
? 可以提高产品的生产效率及质量;
? 可以明显改善工作条件。
1.2 工业机器人发展现状及趋势
- 2 -
1.2.1 工业机器人发展现状
我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步,目前
已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设
计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开
发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;弧焊机器人已应用在
汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工
程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;
机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有
差距;应用规模小,没有形成机器人产业。
工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电
阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单,控制方便,
且不需要焊缝轨迹跟踪,对机器人的精度和重复精度的控制要求比较
低。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系,向各
大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与
整车生产线配套形式进入中国,在该领域占据市场主导地位。随着汽
车工业的发展,焊接生产线要求焊钳一体化,重量越来越大,165 公
斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008 年 9 月,
机器人研究所研制完成国内首台 165 公斤级点焊机器人,并成功应用
于奇瑞汽车焊接车间。2009 年 9 月,经过优化和性能提升的第二台
机器人完成并顺利通过验收,该机器人整体技术指标已经达到国外同
类机器人水平。
1.2.2 工业机器人发展趋势
目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研
究。从机器人技术发展趋势看,焊接机器人和其它工业机器人一样,
不断向智能化和多样化方向发展。具体而言,表现在如下几个方面:
? 机器人操作机结构:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等
现代设计方法
的运用,实现机器人操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质
材料,进一步提高负载/自重比。
? 机器人控制系统:重点研究开放式,模块化控制系统。向基于
PC 机的开放
型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控
制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操
作性和可维修性;
- 3 -
控制系统的性能进一步提高,实现软件伺服和全数字控制;人机
界面更加友好
? 机器人传感技术:机器人中的传感器作用日益重要,除采用传
统的位置、速
度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了激光传感器、
视觉传感器和力传感器,并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物
体的自动定位以及精密装配作业等,大大提高了机器人的作业性能和
对环境的适应性。 ? 网络通信功能:日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公
司的最新机器人控制器已实现
了与 Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接,使机器人由过去
的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设
备向标准化设备发展。
? 虚拟机器人技术:虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、
预演发展到用
于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中
的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感
技术,实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。
? 机器人性能价格比:机器人性能不断提高(高速度、高精度、
高可靠性、便
于操作和维修,而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发
展和大规模集成电路的应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高
? 多智能体调控技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主
要对多智能体
的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,
建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
- 4 -
2 机器人点焊系统电气控制部分的组成和原理
2.1 机器人点焊系统电气控制部分的组成
机器人点焊系统由机器人系统、夹具系统、转台系统和焊接系统
构成,工作站采用 PROFIBUS+数字 I/O 实现彼此通信。该系统电气结
构如图 2.1 所示。
[3]
图 2.1 机器人点焊系统电气结构图
2.2 机器人点焊系统的电气控制原理
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