焊接机器人自动控制分解

图4-49 弧焊机器人焊缝跟踪系统结构框图
2）基于CAN总线的焊接机器人原理
图4-50为基于CAN总线的焊接机器人的总体设计框图。 系统的工作原理为：IPC将操作者的命令换成PCCAN控 制卡识别的数据，PCCAN控制卡接到数据后按照CAN总线的 协议标准，以“标识符—数据长度—数据场”的形式发送 给各轴的控制卡。各轴控制卡依据标识符判断是否为自己 应处理的数据，若是，则按照相应的算法解释数据场的内 容，转化成驱动步进电机的信号，控制焊接执行机构完成 相应的动作。各轴之间也按CAN协议相互通信，实现动作 的协调进行。编码器实时监测机构的动作，将误差反馈给 相应轴的控制卡中进行拟合，从而实现系统的闭环控制。 PCCAN采用了CSMA/CD的信息传输控制技术，允许总线上各 结点平等地享用总线。
图4-50 CAN总线的焊接机器人的总体设计框图
（3） 弧焊机器人在生产中具有以下作用：
（1）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。采用机器人焊接 时可以保证每条焊缝的焊接参数稳定不变，使焊缝质量受人的 因素影响降低到最小，因此焊接质量很稳定。 （2）提高焊接生产率。对于弧焊机器人生产线来说，它由一 台调度计算机控制，只要白天装配好足够的焊件，并放到存放 工位，夜间就可以实现无人或少人生产。 （3）改善劳动条件。电弧焊时，存在弧光、烟尘、飞溅、热 辐射等不利于操作者身体健康的因素，而使用弧焊机器人以后， 可以使焊接操作者远离上述不利因素。 （4）可用在核能设备、空间站建设、深水焊接等极限条件下， 完成人工难以进行的焊接作业。 （5）为建立柔性焊接生产线提供技术基础。
根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为： “刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型 产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一 旦产品换型，生产线就要更换。
“柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机
器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新 产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。 随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量 生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以
焊接机器人应用中最普通的主要有两种，弧焊机器人和 点焊机器人。分别能进行电弧焊自动操作和电焊自动操作。 弧焊机器人从60年代诞生到现在可分为三代: 第一代:示教在线型 第二代:基于一定传感信息的离线编程
第三代:智能机器人
与点焊机器人相比，弧焊机器人有以下特点：
（1）点焊机器人受控运动方式是点位控制型，只在目标点 上完成操作；而弧焊机器人受控运动方式是连续轨迹控制型， 即机械手总成终端按预期的轨迹和速度运动。 （2）由于弧焊过程比点焊过程复杂得多，要求机器人终端 的运动轨迹的重复精度、焊枪的姿态、焊接参数都要有更精 确的控制。 （3）弧焊机器人经常工作在焊缝短而多的情况，需要频繁 地引弧和收弧，因此要求机器人具有可靠的引弧和收弧功能。 对于空间焊缝，为了确保焊接质量，还需要机器人能实时调 整焊接参数。 （4）电弧焊时容易发生粘丝、断丝等故障，如不及时采取 措施，将会损坏机器人或报废废工件，因此要求机器人必须 具有及时检出故障并实时自动停车、报警等功能。
图4-51 示教再现型弧焊机器人的构成
(2) 示教再现型弧焊机器人的工作过程
• 示教再现型弧焊机器人的显著特征是焊接前先示教，图452是示教原理图。 • 虚线框内位控制器中的控制计算机，它的任务是规划和管 理。示教前，把图中的转换开关A拨到“示教”位置，示 教盒上的各种按钮可单独控制机器人各运动轴的动作，并 能设定所需要的焊接参数。例如，当按动“臂架上摆”或 “臂架下摆”按钮并给出相应摆角位置时，其指示信号经 转换处理器4、5转换为臂架伺服驱动坐标信号，与码盘11 信号比较后，经转换处理器8、伺服放大器9成为伺服电动 机10的驱动信号。当按动编程按钮B时，内存6将记忆其位 置信息。如此依次进行，即可完成全部示教。
4.8 弧焊机器人
4.8.1. 焊接机器人概述
机器人的定义： 美国机器人学会（The Robot Institute of America ， 1979) : 一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、 零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专 用设备。
国际标准化组织（ISO），1987： 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能， 能完成各种作业的可编程操作机。
外科手术机器人
双足仿人机器人
球机器人
早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳
定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况
，出现了“王麻子菜刀”、“张小泉剪刀”、“张氏陀螺”
。
手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳 定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用 自动化的机器设备来保证产品质量及效率。 20世纪70年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自 动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。
主要机器人厂家 日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等 美国：Adept等 欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB 韩国：HYUNDAI 沈阳新松
FANUC
华宇I型弧焊机器人
弧焊机器人
点焊机器人
伐根机器人
摘果机器人
擦玻璃机器人
无人潜水器
排爆机器人
图4-53 智能型弧焊机器人主要的硬件构成
(2) 智能型弧焊机器人的工作过程 • 在开始焊接之前，通过视觉传感器观察并识别焊接环境、 条件，提取焊件的形状、结构、等信息。然后根据环境和 焊件接缝信息，利用知识库单元和系统仿真单元来选择合 适的焊接工艺参数和控制方法，以及进行必要的机器人焊 接运动路径、焊枪规划与焊接过程仿真。 • 确定焊接任务可实施以后，通过焊缝导引单元，运用安装 在机械手总成末端的视觉传感器在局部范围内搜索机器人 初始焊接位置。确定初始焊接位置后，自主引导机器人焊 枪到达初始焊接位置。 • 焊接开始以后，采用视觉传感器观察熔池的变化，提取熔 池，判断熔池变化状态，采取适当的控制策略，实现对焊 接熔池动态变化的智能控制。同时，利用焊缝跟踪单元直 接通过机器人运动前方的视觉传感器实时识别焊缝间隙特 征，进行机器人运动导引，实现焊缝跟踪。
c 弧焊机器人CAN总线控制网络
1）CAN总线特点 CAN总线协议是一种新型的串行总线协议，现在已经 被越来越多地应用在弧焊机器人的控制中。CAN总线是一 种多主站总线，通信介质可以是多绞线、同轴电缆或光导 纤维。CAN网络与一般网络的区别在于，它是一种专门用 于工业自动化的网络，其物理特性及网络协议特性更强调 工业自动化的低层检测及控制。 CAN协议的一个最大特点是可以对通信数据块进行编 码，使不同的结点同时接受到相同的数据，这一点在分布 式控制系统中是非常有用的。CAN协议采用CRC检验并提供 了相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
“焊缝跟踪单元”的功能是在机器人导引到初始焊接位置并开始 焊接后，利用焊缝识别摄像机CCD1在工作空间内实时拍摄焊缝 的图像，通过计算机图像处理，提取焊缝形状和方向特征，并 根据焊缝位置确定焊枪下一步纠偏运动方向和位移的量，并将 这些信息上报中央控制计算机，通过中央控制计算机和机器人 控制器来驱动机器人焊枪端点，以跟踪焊缝走向和位置纠偏。 “熔透控制单元”的功能是利用熔池监视摄像机CCD2获取机器 人运动后的半部熔池变化图像，通过计算机图像处理，提取熔 池形状特征。通过中央控制计算机结合相应的工艺参数和预先 建立的焊接熔池动态过程模型预测熔深、熔宽、余高和熔透等 参数，调用合适的控制策略，给出适当的焊接参数调整以及机 器人运动速度、姿态和送丝速度的调节变化，通过焊接电源和 机器人执行，实现对焊缝熔透和成形的控制。

4.8.4. 智能型弧焊机器人的组成
(1)智能型弧焊机器人系统主要的硬件构成 硬件构成图4-53 “系统仿真单元”有两个功能：一个事 机器人运动控制仿真，负责机器人运动模型的创建、焊接过 程仿真、焊接路径规划等；另一个是焊接动态过程仿真，负 责焊接参数与焊缝成形的动态过程仿真。 “知识库单元”是焊接机器人专家系统，负责焊接工艺的 制定和选择、焊接顺序的规划等。 “焊缝导引单元”的功能是利用焊缝识别摄像机CCD1拍 摄焊件的图像，通过计算机图像处理和立体匹配，提取焊缝 的初始点在三维空间内的坐标，上传到中央控制计算机，由 中央控制计算机和机器人控制器来控制焊枪到达初始焊位， 准备焊接。
4.8.3 示教再现型弧焊机器人
目前在役的弧焊机器人大多数为示教再现型弧焊机器人。 这种机器人可以在其工作空间内精确地再现已示教过的操作。 所谓示教，就是由操作者借助于示教盒上的各种按钮，或由 操作者握住机械手总成的末端，带动机器人的机械手臂按实 际程序操作一番。 (1)示教再现型弧焊机器人系统的构成 示教再现型弧焊机器人的构成如图4-51所示。由机器人部 分和焊接设备构成。
图4-52 示教再现原理
• 经过示教后，将图4-52的转换开关A拨到“再现”位置。 启动后，控制计算机将从内存中依次读出各运动轴的位置 信号，并经过路径生成处理器7与实际位置信号比较后输 出，就可通过伺服放大器9至伺服电动机10控制各运动轴。 如此一步一步地再现示教工作，即可完成整个焊接工作。 • 示教再现型弧焊机器人由于焊接路径和焊接参数是根据实 际作业条件预先设置的，焊接时缺少外部信息传感和适时 调整功能，使得机器人不能适应焊接环境和焊接过程的变 化，因此出现了智能型弧焊机器人，智能型弧焊机器人是 装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编 程的具有高度适应能力的高级弧焊机器人。
（2）弧焊机器人工作原理 ① 弧焊机器人的构成 弧焊机器人主要包括机器人和焊接系统两部分。弧焊机 器人焊接系统一般由焊机、送丝机构、回转自动变位机、 焊枪清洗装置和安全装置等组成，如图4-47所示。 图4-48是弧焊机器人用两轴数控焊接变位机的硬件结构 图。
图4-47 系统设备布置图
4.8 弧焊机器人
图4-48 弧焊机器人用两轴数控焊接变位机的硬件结构图