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1、工业据机器人的应用模块七工业据机器人的应用搬运机器人4冲压机器人5工业机器人的发展趋势6 本模块主要介绍工业机器人的应用，内容包括工业机器人应用的分类和发展、步骤，焊接机器人的组成、分类和工作机理，喷涂机器人的特点、分类，搬运机器人的特点、分类，冲压机器人的分类等。单元提要 学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人应用的分类和领域，掌握机器人应用的准则和步骤；能够在工作中选择合适的工业机器人系统，并进行合适的评估。熟练掌握点焊、弧焊等焊接机器人的组成、分类、结构、工作机理和技术指标；能够按照实例完成简单焊接机器人的应用。熟练掌握搬运机器人的组成、优势和适用范围；能够按照实例完成简单搬运机器人
2、的应用。掌握喷涂机器人的组成、分类、特点和工作机理；能够按照实例完成简单喷涂机器人的应用。学习要求学习单元一工业机器人应用概述工业机器人应用概述 1.机器人应用的分类机器人应用的分类 （1）工业机器人。工业机器人在焊接、搬运、装配和喷漆等工作上表现良好。但是，它只能机械地按照规定的指令工作，并不领会外界条件和环境的变化。（2）操纵机器人。操纵机器人，如飞机的自动驾驶仪等，可以按照人的指令，灵活地执行命令。（3）智能机器人。智能机器人具有一定思维功能和自适应性，它能够根据环境的变化做出判断，并决定采取相应的动作，它是上述3种机器人中的最高形态。一、机器人应用的分类与发展 2.工业机器人应用的发展
3、工业机器人应用的发展一、机器人应用的分类与发展 一套典型的工业机器人系统除了机器人本体之外，还需要配备控制器、控制系统软件、工作站台及其他辅助系统。到目前为止，工业机器人是最成熟、应用最广泛的一类机器人，截至2010年，全世界已经销售约230万台工业机器人，已经进行装备使用的约190万台。总体来看，日本在工业机器人领域的发展居世界首位，成为工业机器人的王国；美国发展得也很迅速，目前在新安装的台数方面已经超过日本；中国开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，已有小批量在生产中使用。一、机器人应用的分类与发展 1.工业机器人的应用准则工业机器人的应用准则 (1)从恶劣工种开始采用工业机
4、器人。工业机器人可以在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危险、有害的环境中长期、稳定地工作。在技术、经济合理的情况下，采用工业机器人逐步把人从这些工作岗位上替代下来，将从根本上改善劳动条件。(2)在生产效率和质量落后的部门应用工业机器人。现代化的大生产分工越来越细，操作越来越简单，劳动强度越来越大。工业机器人可以高效地完成一些简单、重复性的工作，使生产效率获得明显的改善。二、工业机器人应用的步骤 (3)从长远需要选择使用工业机器人。一般来讲，人的寿命比机械的寿命长，不过，如果经常对机械进行保养和维修，对易换件进行补充和更换，也有可能使机械寿命超过人。另外，工人会由于其自身的意志而放弃某些
5、工作，造成辞职或停工，而工业机器人没有自己的意愿，因此机器人的使用不会在工作中途因故障以外的原因停止工作，能够持续从事相应的工作，直至其机械寿命完结。与只能完成单一特定作业的固定式自动化设备不同，工业机器人不受产品性能、所执行类型或具体行业的限制。若产品更新换代频繁，通常只需要重新编制机器人程序，并换装不同型式的“手部”即可。二、工业机器人应用的步骤工业机器人可以连续生产或处理较多较重零件，从而增加产量。工业机器人可以改善对主要设备和配套装置的使用率等，从而提高生产率。因较合理地利用而直接节省材料，省去防护挡板和工作手套等为间接节省材料。减少为提高操作、维护和管理人员的技术水平所需要的人员调换
6、与附加训练费用。3）生产效率提高2）材料节省1）劳力节省 2.采用工业机器人的成本计算采用工业机器人的成本计算二、工业机器人应用的步骤 增加的费用包括生产线停工用于工业机器人安装及调试的费用、系统安装的费用。使用机器人能够保证使用现有设备、劳力和空间来生产更多的产品，而无须增加设备费用。为工业机器人系统自动装卸和输送，从可进行设备调整。因采用工业机器人而保证有恒定的循环时间及有效的润滑，可以延长模具的使用寿命。因工业机器人不需要人工操作时，可进一步减少工伤事件的发生。用于工业机器人系统的能源消耗增加，而用于区域照明和取暖的能量消耗减少。6）增加费用5）设备4）能源的增减二、工业机器人应用的步骤
7、7 7）偿还期计算）偿还期计算 可以用偿还期 Y 定量地衡量工业机器人使用的合理性。偿还期 Y 的计算公式为 （7-1）式中，Y 为无盈亏所需年数；P为机器人价格；A 为工装夹具费；I 为安装费；C 为投资税收抵免；L 为每小时劳动力费用；M 为每小时节约材料费；O 为机器人系统运行维护费；H 为每年每班工作小时数；D 为每年折旧费；TR 为公司税率。二、工业机器人应用的步骤 式（7-1）只是一个近似的计算公式，没有考虑由于使用工业机器人，制造的产品能一直保持高质量所取得的经济效益，也没有评估机器人能采取适当的应急措施从而防止昂贵的生产工艺设备遭到破坏所节约的费用等。如果工业机器人的使用寿命大
8、于其偿还期，那么使用机器人是有效益的。二、工业机器人应用的步骤 3.应用工业机器人时人力的投入应用工业机器人时人力的投入 在应用工业机器人代替工人操作时，要考虑工业机器人的现实能力及工业机器人技术知识的现状和对未来的预测。用现有的机器人原封不动地取代目前正在工作的所有工人，并接替他们的工作，显然是不现实的。二、工业机器人应用的步骤 就工人的综合能力而言，机器人与人相比差距很大。例如，人从肩到五指，仅在一个手臂上就有27个自由度，而工业机器人的一个手臂，最多也只能有8个自由度。人具有至少能搬运与自身重量相等的重物的能力，而目前的工业机器人只能搬运相当于自重1/20左右的重物。在智能方面，人通过教
9、育和经验，能获得许多记忆以外的全新事物，人能从保留至今的记忆中选择与其有关的信息。此外，为处理这些记忆，人本身能编制出相应的程序，同时，还具备将处理结果反馈回来作为信息的经验增加到记忆中的自身增值能力和学习能力。工业机器人只能在给定的程序和存储的范围内，对外部事物的变化做出相应的判断，以目前工业机器人的智能，还无法不断地对预先给定程序以外的事物进行处理。无论从哪一方面进行比较，人和工业机器人之间都存在很大的差别。二、工业机器人应用的步骤 对工人而言，即使在个人之间存在着能力上的差别，但除了那些需要特殊技术或通过长期训练才能掌握的操作之外，一般人都能通过短时间的指导和训练很容易地掌握几种不同的作
10、业，而且能在极短的时间内从一种作业变换到另一种作业，一个工人能在比较宽的范围内处理几种不同的工作。机器人的通用性则较小，让工业机器人去完成这些工作是不可能的。为扩大灵活性，要求工业机器人能够更换手腕，或增加存储容量和程序种类。在平均能力方面，与工人相比，工业机器人显得过于逊色；但在承受环境条件的能力和可靠性方面，工业机器人则较优秀。因此，要把工业机器人安排在生产线中的恰当位置上，使它成为工人的好助手。二、工业机器人应用的步骤 4.采用工业机器人的步骤采用工业机器人的步骤 (1)全面考虑并明确自动化要求，包括提高劳动生产率、增加产量、减轻劳动强度、改善劳动条件、保障经济效益和社会就业等问题。(2
11、)制定机器人化技术。在全面和可靠的调查研究基础上，制订长期的机器人化计划，包括确定自动化目标、培训技术人员、编绘作业类别一览表、编制机器人化顺序表和大致日程表等。(3)探讨采用机器人的条件。(4)对辅助作业和机器人性能进行标准化。二、工业机器人应用的步骤二、工业机器人应用的步骤 (5)设计机器人化作业系统方案。设计并比较各种理想的、可行的或折中的机器人化作业系统方案，选定最符合使用目的的机器人及其配套装置来组成机器人化柔性综合作业系统。(6)选择适宜的机器人系统评价指标。建立和选用适宜的机器人化作业系统评价指标与方法，既要考虑到能够适应产品变化和生产计划变更的灵活性，又要兼顾目前和长远的经济效
12、益。(7)详细设计和具体实施。对选定的实施方案进一步进行分部具体设计工作，并提出具体实施细则，交付执行。二、工业机器人应用的步骤 完整的焊接机器人系统一般由机器人操作机、变位机、机器人控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器(图中未标注)、中央控制计算机和安全设备(图中未标注)等组成。一、焊接机器人概述图图7-1 7-1 焊接机器人系统组成焊接机器人系统组成学习单元二焊接机器人焊接机器人 1.机器人操作机机器人操作机 机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构。其任务是精确地保证末端执行器（焊枪）所要求的位置、姿态并实现其运动。一般情况下，工业机器人操作机从结构上至少应具有 3个
13、可自由编程运动关节。由于具有6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获取最大的工作空间，并能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而这种类型的机器人操作机在焊接领域得到广泛的应用。一、焊接机器人概述 2.变位机变位机 一、焊接机器人概述 机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息，并控制其全部动作。3.机器人控制器机器人控制器 一、焊接机器人概述 4.焊接系统焊接系统 一、焊接机器人概述 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、位置误差及焊接过程中的热变形
14、，传感器仍是焊接过程中不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪及焊缝熔透信息的获取。5.焊接传感器焊接传感器 一、焊接机器人概述 6.中央控制计算机中央控制计算机 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。中央控制计算机通过相应接口与机器人控制器相连接，主要用于在同一层次或不同层次的计算机间形成通信网络，同时与传感系统相配合，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。一、焊接机器人概述 7.安全设备安全设备 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
15、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，它们起到防止机器人伤人的作用。在机器人的工作部还装有各类触觉或接近觉传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。一、焊接机器人概述 4.焊接机器人的特点焊接机器人的特点 二、焊接机器人的特点及分类 (1)工作稳定，焊接质量高，可以保证焊缝的均匀性。(2)劳动生产率高，一天可24 h连续生产。(3)改善工人劳动条件，可在有害环境下工作。(4)降低对工人操作技术的要求。(5)缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。(6)可实现小批量产品的焊接自动化。(7)能在空间站建设、核电站维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的
16、焊接作业。(8)为焊接柔性生产线提供技术基础。二、焊接机器人的特点及分类 点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人，其末端持握的作业工具是焊钳。实际上，工业机器人在焊接领域应用最早的是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的，如图7-2所示。其点焊过程比较简单，只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹，则没有严格要求，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。2.焊接机器人的分类焊接机器人的分类1)1)点焊机器人点焊机器人 二、焊接机器人的特点及分类图图7-2 7-2 汽车车身的机器人点焊作业汽车车身的机器人点焊作业 二、焊接机器人的特点及分类 二、焊接机器人的特点及分类 (1)安装面积小，工作
17、空间大。(2)快速完成小节距的多点定位（如每0.30.4 s移动3050 mm节距后定位）。(3)定位精度高(0.25 mm)，以确保焊接质量。(4)持重大(50150 kg)，以方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)点焊速度与生产线速度相匹配，可靠性好。二、焊接机器人的特点及分类 弧焊机器人是用于弧焊（主要有熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊）自动作业的工业机器人，其末端持握的工具是弧焊作业用的各种焊枪。事实上，弧焊过程比点焊过程要复杂得多，被焊工件由于局部加热熔化和冷却而产生变形，焊缝轨迹会发生变化。手工焊时，有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置
18、适时调整焊枪位置、姿态和行走速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而，机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪位置和姿态，以实现对焊缝的实时跟踪。2 2）弧焊机器人）弧焊机器人 二、焊接机器人的特点及分类 由于弧焊过程伴有强烈弧光、烟尘、熔滴过渡不稳定从而引起焊丝短路、大电流强磁场等复杂环境因素，所以机器人要检测和识别焊缝所需要的特征信号的提取并不像其他加工制造过程那么容易。因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊作业，而是伴随焊接传感器的开发及其在焊接机器人中的应用，使机器人弧焊作业的焊缝跟踪与控制问题得到有效解决。焊接机器人在汽车制造中的应用也相继
19、从原来比较单一的汽车装配点焊很快地发展为汽车零、部件及其装配过程中的电弧焊。弧焊工艺已在诸多行业中得到普及，弧焊机器人在通用机械、金属结构等行业中得到广泛应用，在数量上大有超过点焊机器人之势，如图7-3所示。二、焊接机器人的特点及分类图图7-3 7-3 工程机械的机器人弧焊作业工程机械的机器人弧焊作业 二、焊接机器人的特点及分类 二、焊接机器人的特点及分类15423能够通过示教器设定焊接条件（电流、电压、速度等）。要有摆动功能。要有坡口填充功能。要有焊接异常功能检测。要有焊接传感器（焊接起始点检测、焊缝跟踪）的接口功能。其他一些基本性能要求 二、焊接机器人的特点及分类 激光焊接机器人是用于激光
20、焊自动作业的工业机器人，通过高精度工业机器人来实现更加柔性的激光加工作业，其末端持握的工具是激光加工头。现代金属加工对焊接强度和外观效果等质量的要求越来越高，传统的焊接手段由于极大的热输入，不可避免地会带来工件扭曲变形等问题。为弥补工件变形，需要大量的后续加工手段，从而导致费用上升。而采用全自动的激光焊接技术，具有最小的热输入量，产生极小的热影响区，在显著提高焊接产品品质的同时，降低了后续工作的时间。另外，由于焊接速度快和焊缝深宽比大，能够极大地提高焊接效率和稳定性。3)3)激光焊接机器人激光焊接机器人 二、焊接机器人的特点及分类 近年来激光技术飞速发展，涌现出可与机器人柔性耦合的、采用光纤传
21、输的高功率工业型激光器，促进了机器人技术与激光技术的结合，而汽车产业的发展需求带动了激光加工机器人产业的形成与发展。从20世纪90年代开始，德国、美国、日本等发达国家投入大量的人力和物力研发激光加工机器人。进入21世纪，德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的FANUC等机器人公司相继研制出激光焊接机器人（见图7-4）、激光切割机器人（见图7-5）的系列产品。二、焊接机器人的特点及分类图图7-4 7-4 激光焊接机器人激光焊接机器人图图7-5 7-5 激光切割机器人激光切割机器人 二、焊接机器人的特点及分类 目前，在国内外汽车产业中，激光焊接机器人、激光切割机器人已成为最先进的制造技术，并获得了广
22、泛应用。德国大众汽车、美国通用汽车、日本丰田汽车等公司的汽车装配生产线已大量采用激光焊接机器人代替传统的电阻点焊设备，不仅提高了产品质量和档次，而且减轻了汽车车身重量，节约了大量材料，使企业获得了很高的经济效益，提高了企业的市场竞争能力。在中国，一汽大众、上海大众等汽车公司也引进了激光焊接机器人生产线。二、焊接机器人的特点及分类 二、焊接机器人的特点及分类 点焊机器人主要由操作机、控制系统和点焊焊接系统3部分组成，如图7-6所示。操作者可通过示教器和操作面板进行点焊机器人运动位置和动作程序的示教，设定运动速度、点焊参数等。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
23、动化的。为适应灵活的动作要求，点焊机器人本体通常选用关节型工业机器人，一般具有6个自由度，驱动方式主要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、速度快、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。1.点焊机器人点焊机器人 三、焊接机器人的系统组成图图7-6 7-6 点焊机器人系统组成点焊机器人系统组成11机器人变压器；机器人变压器；22焊接控制器；焊接控制器；33水冷机；水冷机；44气气/水管路组合体；水管路组合体；55操作机；操作机；66焊钳；焊钳；77供电及控制电缆；供电及控制电缆；88示教器；示教器；99控制柜控制柜 三、焊接机器人的系统组成 点焊机器人控制系统由本
24、体控制和焊接控制两部分组成。本体控制部分主要是实现机器人本体的运动控制；焊接控制部分则负责对点焊控制器进行控制，发出焊接开始指令，自动控制和调整焊接参数（电流、压力、时间），控制焊钳的大小行程、夹紧松开动作。点焊焊接系统主要由点焊控制器（时控器）、焊钳（含阻焊变压器）及辅助部分(水、电、气等)组成。点焊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，并实现与机器入控制柜、示教器的通信联系。三、焊接机器人的系统组成 机器人点焊用焊钳种类繁多，从外形结构上有C型和X型 两种。C型焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置
25、的焊点，如图7-7所示；X型焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊点，如图7-8所示。图图7-7 C7-7 C型焊钳型焊钳图图7-8 X7-8 X型焊钳型焊钳 三、焊接机器人的系统组成 （1）按电极臂加压驱动方式，点焊机器人焊钳又分为气动焊钳和伺服焊钳两种。气动焊钳。气动焊钳是目前点焊机器人比较常用的。它利用气缸来加压，一般具有 2或3个行程，能够使电极完成大开、小开和闭合3个动作，电极压力一旦调定后是不能随意变化的。伺服焊钳。伺服焊钳采用伺服电动机驱动完成焊钳的张开和闭合，因此其张开度可以根据实际需要任意选定并预置，且电极间的压紧力也可以无级调节。三、焊接机器人的系统组成 与气动焊钳相
26、比，伺服焊钳具有以下优点。a.提高工件的表面质量。伺服焊钳由于采用的是伺服电动机，电极的动作速度在接触到工件前，可由高速准确调整至低速。这样就可以形成电极对工件的软接触，减轻电极冲击所造成的压痕，从而也减轻了后续工件的表面修磨处理量，提高了工件的表面质量。另外，利用伺服控制技术可以对焊接参数进行数字化控制管理，可以保证提供最合适的焊接参数数据，确保焊接质量。三、焊接机器人的系统组成 b.提高生产效率。伺服焊钳的加压、放开动作由机器人自动控制，每个焊点的焊接周期可大幅度降低。机器人在点与点之间的移动过程中，焊钳就开始闭合，在焊完一点后，焊钳一边张开，机器人一边位移，不必等机器人到位后焊钳才闭合或
27、焊钳完全张开后机器人再移动。与气动焊钳相比，伺服焊钳的动作路径可以控制到最短，缩短生产节拍，在最短的焊接循环时间里建立一致性的电极间压力。由于在焊接循环中省去了预压时间，该焊钳比气动加压快5倍，提高了生产效率。c.改善工作环境。焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极为轻轻闭合，电极对工件是软连接，对工件无冲击，减少了撞击变形，且不会在使用气动加压焊钳时出现排气噪声。因此，该焊钳清洁、安静，改善了操作环境。三、焊接机器人的系统组成 （2）依据阻焊变压器与焊钳的结构关系，点焊机器人焊钳可分为分离式、内藏式和一体式3种。分离式焊钳。阻焊变压器与钳体相分离，钳体安装在机器人机械臂上，
28、而阻焊变压器悬挂在机器人上方，可在轨道上沿机器人手腕移动的方向移动，两者之间用二次电缆相连，如图7-9（a）所示。其优点是减小了机器人的负载，运动速度快，价格便宜。分离式焊钳的主要缺点是需要大容量的阻焊变压器，电力损耗较大，能源利用率低。此外，粗大的二次电缆在焊钳上引起的拉伸力和扭转力作用于机器人机械臂上，限制了点焊工作区间与焊接位置的选择。三、焊接机器人的系统组成 三、焊接机器人的系统组成图图7-9 7-9 点焊机器人焊钳（阻焊变压器与焊钳的结构）点焊机器人焊钳（阻焊变压器与焊钳的结构）三、焊接机器人的系统组成 一体式焊钳。一体式焊钳就是先将阻焊变压器和钳体安装在一起，然后共同固定在机器人机
29、械臂末端法兰盘上，如图7-9（c）所示。一体式焊钳的主要优点是省掉了粗大的二次电缆及悬挂变压器的工作架，直接将焊接变压器的输出端连到焊钳的上、下电极臂上，另一个优点是节省能量。例如，输出电流12 000 A，分离式焊钳需75 kVA的变压器，而一体式焊钳只需 25 kVA。一体式焊钳的缺点是焊钳重量大，体积大，要求机器人本体的承载能力大于60 kg。此外，焊钳重量在机器人活动手腕上产生惯性力易引起过载，这就要求在设计时，尽量减小焊钳重心与机器人机械臂轴心线间的距离。三、焊接机器人的系统组成 中频焊钳相对于工频焊钳主要有以下优点。直流焊接。焊机采用1 kHz逆变电源，三相交流电经变压器次级整流，
30、可提供出连续的直流焊接电流，从而提高热效率，消除电流尖峰，增宽焊接电流工艺范围，消除输出极的电感消耗，无集肤效应。因此，大大提高了焊接质量。焊接变压器小型化。焊接变压器的铁芯截面积与输入交流频率成反比，故中频输入可减小变压器铁芯截面积，也就减小了变压器的体积和重量。中频整流焊接变压器的质量约为单相交流式的1/51/3，而焊钳质量减小1/31/2。这一点对机器人焊钳来讲非常重要，可使机器人本体的负载能力减小，在降低成本的同时获得了更高的运动速度。三、焊接机器人的系统组成 提高电流控制的响应速度，实现工频电阻焊机无法实现的焊接工艺。以1 kHz逆变电源为例，焊钳可实现周波控制，其电流控制响应速度为
31、1 ms(工频焊机的响应速度最快为20 ms)，从而有利于提高焊接质量，并可以方便地实现焊接电流控制。三相平衡负载，降低了电网成本；功率因数高，节能效果好。三、焊接机器人的系统组成 2.弧焊机器人弧焊机器人图图7-10 7-10 弧焊机器人系统的组成弧焊机器人系统的组成11气瓶；气瓶；22焊丝桶；焊丝桶；33送丝机；送丝机；44操作机；操作机；55焊枪；焊枪；66工作台；工作台；77供电及控制电缆；供电及控制电缆；88弧焊电源；弧焊电源；99示教器；示教器；1010机器人控制柜机器人控制柜 三、焊接机器人的系统组成 综上所述，点焊机器人焊钳主要以驱动和控制两者组合的形式来区分，可以采用工频气动
32、式、工频伺服式、中频气动式、中频伺服式。这几种形式应该说各有特点，每种都有其特定的用户，从技术优势和发展趋势来看，中频伺服机器人焊钳应为未来的主流，它集中了中频直流点焊和伺服驱动的优势，是其他形式无法比拟的。国内上述4种形式焊钳都有使用，其中工频气动机器人焊钳成本低，技术相对成熟，应用最多，中频气动机器人焊钳的应用也比较广泛，特别是在焊钳结构较大或超大时，基本采用此种形式。三、焊接机器人的系统组成 弧焊机器人操作机的结构与点焊机器人的基本相似，主要区别在于末端执行器焊枪，如图7-11所示。从理论上讲，虽然5自由度机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状的焊缝，用5自由度机器人难以胜任。因此，除非
33、焊缝比较简单，否则应尽量选用6自由度机器人，以保证焊枪的任意空间位置和姿态。图图7-11 7-11 弧焊机器人用焊枪弧焊机器人用焊枪 三、焊接机器人的系统组成 三、焊接机器人的系统组成 弧焊系统是完成弧焊作业的核心装备，主要由弧焊电源、送丝机、焊枪和气瓶等组成。弧焊机器人多采用气体保护焊（CO2、MIG、MAG和TIG），通常使用的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等焊接电源都可以装到机器人上进行电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。近年来，国外机器人生产厂商都有自己特定的配套焊接设备，这些焊接设备内已插入相应的接口板
34、，所以在有些弧焊机器人系统中并没有附加接口板。三、焊接机器人的系统组成 三、焊接机器人的系统组成 安全设备是弧焊机器人系统安全运行的重要保障，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和人工急停断电保护等，它们起到防止机器人伤人或保护周边设备的作用。在机器人的末端焊枪上还装有各类触觉或接近传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作（相当于暂停或急停开关）。当发生碰撞时，一定要检验焊枪是否被碰歪，否则由于工具中心点的变化，焊接的路径将会发生较大的变化，从而焊出废品。三、焊接机器人的系统组成图图7-12 7-12 激光焊接机器
35、人系统组成激光焊接机器人系统组成11激光器；激光器；22光导系统；光导系统；33遥控盒；遥控盒；44送丝机；送丝机；55激光加工头；激光加工头；66操作机；操作机；77机器人控制柜；机器人控制柜；88焊接电源焊接电源 三、焊接机器人的系统组成 3.激光焊接机器人激光焊接机器人 机器人是高度柔性的加工系统，这就要求激光器必须具有高度柔性，所以目前激光焊接机器人都选用光纤传输的激光器，如固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。在机器人手臂的夹持下，运动由机器人的运动决定，因此能匹配完全的自由轨迹加工，完成平面曲线、空间直线、异形曲线等特殊轨迹的激光焊接。三、焊接机器人的系统组成(1)大功率可光纤传
36、输激光器。(2)光纤耦合和传输系统。(3)激光光束变换光学系统。(4)6自由度机器人本体。(5)机器人数字控制系统（控制器、示教器）。(6)激光加工头。(7)材料进给系统（高压气体、送丝机、送粉器）。三、焊接机器人的系统组成 (8)焊缝跟踪系统，包括视觉传感器、图像处理单元、伺服控制单元、运动执行机构及专用电缆等。(9)焊接质量检测系统，包括视觉传感器、图像处理单元、缺陷识别系统及专用电缆等。(10)激光加工工作台。三、焊接机器人的系统组成 从大功率激光器发出的激光，经光纤耦合传输到激光光束变换光学系统，再经过整形聚焦后进入激光加工头。根据用途不同（切割、焊接、熔覆）选择不同的激光加工头，并配
37、用不同的材料进给系统（高压气体、送丝机、送粉器）。激光加工头装于6自由度机器人本体手臂末端，其运动轨迹和激光加工参数由机器人数字控制系统提供指令进行设置。先由激光加工操作人员在机器人示教器上进行在线示教或在计算机上进行离线编程。材料进给系统将材料（高压气体、金属丝、金属粉末）与激光同步输入激光加工头，高功率激光与进给材料同步作用，完成加工任务。在加工过程中，机器视觉系统对加工区进行检测，检测信号反馈至机器人控制系统，从而实现加工过程的实时控制。三、焊接机器人的系统组成图图7-13 7-13 激光焊接机器人控制系统架构激光焊接机器人控制系统架构 三、焊接机器人的系统组成 综上所述，焊接机器人主要
38、包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（焊钳）等部分组成。对于智能机器人，还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。三、焊接机器人的系统组成 2.连续轨迹控制方式连续轨迹控制方式 连续轨迹控制方式用于指定点与点之间的运动轨迹所要求的曲线，如直线或圆弧。这种控制方式的特点是连续地控制工业机器人末端执行器在作业空间中的位姿，使其严格按照预先设定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成作业任务。工业机器人各关节连续、同步地进行相应的运动，其末端
39、执行器可形成连续的轨迹。这种控制方式的主要技术指标是机器人末端执行器的轨迹跟踪精度及平稳性。在用机器人进行弧焊、喷漆、切割等作业时，应选用连续轨迹控制方式。三、机器人的控制方式学习单元三喷涂机器人喷涂机器人 喷涂机器人（见图7-14）已广泛用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业。一、喷涂机器人概述图图7-14 7-14 喷涂机器人喷涂机器人 1.喷涂机器人的环境要求喷涂机器人的环境要求工作环境包含易爆的喷涂剂蒸汽。沿轨迹高速运动，途经各点均为作业点。多数的被喷涂件都搭载在传送带上，边移动边喷涂。与其他用途的工业机器人相比，喷涂机器人在使用环境和动作方面的要求如下：一、喷涂机器人概述 (
40、1)机器人的运动链要有足够的灵活性，以适应喷枪对工件表面的不同姿态要求，多关节型最常用，它有5或6个自由度。(2)要求速度均匀，特别是在轨迹拐角处误差要小，以避免喷涂层不均。(3)控制方式通常以手把手的示教方式为多见，因此要求在其整个工作空间内示教时省力，要考虑重力平衡问题。(4)可能需要轨迹跟踪装置。(5)一般均用连续轨迹控制方式。2.喷涂机器人的技术要求喷涂机器人的技术要求 一、喷涂机器人概述 (1)最大限度地提高涂料的利用率、降低喷涂过程中的VOC（有害挥发性有机物）排放量。(2)显著提高喷枪的运动速度，缩短生产节拍，效率显著高于传统的机械喷涂。(3)柔性强，能够适应多品种、小批量的喷涂
41、任务。(4)能够精确保证喷涂工艺的一致性，获得较高质量的喷涂产品。(5)与高速旋杯经典涂装站相比，可以减少30%40%的喷枪数量，降低系统故障率和维护成本。1.喷涂机器人的特点喷涂机器人的特点 二、喷涂机器人的特点及分类 2.喷涂机器人的分类喷涂机器人的分类1 1）球型手腕喷涂机器人）球型手腕喷涂机器人 球型手腕喷涂机器人与通用工业机器人手腕结构类似，手腕3个关节轴线相交于一点，即目前绝大多数商用机器人所采用的Bendix手腕，如图7-15所示。该手腕结构能够保证机器人运动学逆解具有解析解，便于离线编程的控制，但是由于其腕部第二关节不能实现360周转，故工作空间相对较小。采用球型手腕的喷涂机器
42、人多为紧凑型结构，其工作半径多为0.71.2 m，多用于小型工件的喷涂。二、喷涂机器人的特点及分类图图7-15 Bendix7-15 Bendix手腕结构及喷涂机器人手腕结构及喷涂机器人 二、喷涂机器人的特点及分类2 2）非球型手腕喷涂机器人）非球型手腕喷涂机器人 二、喷涂机器人的特点及分类 非球型手腕喷涂机器人根据相邻轴线的位置关系又可分为正交非球型手腕和斜交非球型手腕两种形式，如图7-16所示。图7-16（a）所示为正交非球型手腕，其相邻轴线夹角为90；图7-16（b）所示的斜交非球型手腕的手腕相邻两轴线不垂直，而是呈一定的角度。图图7-16 7-16 非球型手腕喷涂机器人非球型手腕喷涂机
43、器人 二、喷涂机器人的特点及分类 现今应用的喷涂机器人中很少采用正交非球型手腕，主要是其在结构上相邻腕关节彼此垂直，容易造成从手腕中穿过的管路出现较大的弯折、堵塞甚至折断管路。相反，斜交非球型手腕若做成中空的，各管线从中穿过，直接连接到末端高转速旋杯喷枪上，在作业过程中内部管线较为柔顺，故被各大厂商所采用。二、喷涂机器人的特点及分类 二、喷涂机器人的特点及分类15423能够通过示教器方便地设定流量、雾化气压、喷幅气压及静电量等喷涂参数。具有供漆系统，能够方便地进行换色、混色，确保高质量、高精度的工艺调节。具有多种安装方式，如落地、倒置、角度安装和壁挂等能够与转台、滑台、输送链等一系列的工艺辅助
44、设备轻松集成。结构紧凑，减少密闭喷涂室（简称喷房）尺寸，降低通风要求。其他一些基本性能要求 二、喷涂机器人的特点及分类 典型的喷涂机器人工作站主要由操作机、机器人控制柜、供漆系统、自动喷枪/旋杯、喷房(图中未标注)、防爆吹扫系统等组成，如图7-17所示。三、喷涂机器人的系统组成图图7-17 7-17 喷涂机器人系统组成喷涂机器人系统组成11机器人控制柜；机器人控制柜；22示教器；示教器；33供漆系统；供漆系统；44防爆防爆吹扫系统；吹扫系统；55操作机；操作机；66自动喷枪自动喷枪/旋杯旋杯 喷涂机器人与普通工业机器人相比，操作机在结构方面的差别除了球型手腕与非球型手腕外，主要是防爆、油漆及空
45、气管路和喷枪的布置所导致的差异，归纳起来主要特点如下：一般手臂工作范围宽大，进行喷涂作业时可以灵活避障；手腕一般有2个或3个自由度，轻巧快速，适合内部、狭窄的空间及复杂工件的喷涂；较先进的喷涂机器人采用中空手臂和柔性中空手腕（见图7-18）。三、喷涂机器人的系统组成图图7-18 7-18 柔性中空手腕柔性中空手腕 采用中空手臂和柔性中空手腕使得软管、线缆可内置，从而避免软管与工件间发生干涉，减少管道粘着薄雾、飞沫，最大限度降低灰尘粘到工件的可能性，缩短生产节拍；一般在水平手臂搭载喷涂工艺系统，从而缩短清洗、换色时间，提高生产效率，节约涂料及清洗液，如图7-19所示。图图7-19 7-19 集成
46、于手臂上的喷涂工艺系统集成于手臂上的喷涂工艺系统 三、喷涂机器人的系统组成 三、喷涂机器人的系统组成 供漆系统主要由涂料单元控制盘、气源、流量调节器、齿轮泵、涂料混合器、换色阀、供漆供气管路及监控管线组成。涂料单元控制盘简称气动盘，它接收机器人控制系统发出的喷涂工艺的控制指令，精准控制调节器、齿轮泵、喷枪旋杯完成流量、空气雾化和空气成型的调整；同时控制涂料混合器、换色阀等以实现自动化的颜色切换和指定的自动清洗等功能，实现高质量和高效率的喷涂。著名喷涂机器人生产商ABB、FANUC等均有其自主生产的成熟供漆系统模块配套，图7-20所示为喷涂系统的主要部件。三、喷涂机器人的系统组成图图7-20 7
47、-20 喷涂系统的主要部件喷涂系统的主要部件 三、喷涂机器人的系统组成 空气喷涂是指利用压缩空气的气流，流过喷枪喷嘴孔形成负压，在负压的作用下涂料从吸管吸入，经过喷嘴喷出，通过压缩空气对涂料进行吹散，以达到均匀雾化的效果。空气喷涂一般用于家具、3C产品外壳、汽车等产品的喷涂。1.空气喷涂空气喷涂图图7-21 7-21 自动空气喷枪自动空气喷枪 三、喷涂机器人的系统组成 2.高压无气喷涂高压无气喷涂 高压无气喷涂是一种较先进的喷涂方法，其采用增压泵将涂料增至630 MPa的高压，通过很细的喷孔喷出，使涂料形成扇形雾状，具有较高的涂料传递效率和生产效率，表面质量明显优于空气喷涂。三、喷涂机器人的系
48、统组成 静电喷涂一般以接地的被涂物为阳极，接电源负高压的雾化涂料为阴极，使得涂料雾化颗粒上带电荷，通过静电作用，吸附在工件表面。通常应用于金属表面或导电性良好且结构复杂的表面，或是球面、圆柱面等的喷涂，其中高速旋杯式静电喷枪已成为应用最广的工业喷涂设备，如图7-22所示。3.静电喷涂静电喷涂图图7-22 7-22 高速旋高速旋杯式静电喷枪杯式静电喷枪 三、喷涂机器人的系统组成 三、喷涂机器人的系统组成图图7-23 7-23 高速旋杯式静电喷枪的工作原理高速旋杯式静电喷枪的工作原理11工件；工件；22旋杯；旋杯；33供气系统；供气系统；44供漆系统；供漆系统；55高压静电发生系统高压静电发生系统
49、 三、喷涂机器人的系统组成 三、喷涂机器人的系统组成 三、喷涂机器人的系统组成图图7-24 7-24 防爆吹扫系统的工作原理防爆吹扫系统的工作原理11空气接口；空气接口；22控制柜；控制柜；33吹扫单元；吹扫单元；44吹扫单元控制电缆；吹扫单元控制电缆；55操作机控制电缆；操作机控制电缆；66吹扫传感器控制电缆；吹扫传感器控制电缆；77软管；软管；88吹扫传感器吹扫传感器 三、喷涂机器人的系统组成 综上所述，喷涂机器人主要包括机器人和自动喷涂设备两部分。机器人由防爆机器人本体及完成喷涂工艺控制的控制柜组成，而自动喷涂设备主要由供漆系统及自动喷枪旋杯组成。三、喷涂机器人的系统组成学习单元四搬运机
50、器人搬运机器人 搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及力学、机械学、电气液压气动技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。一、搬运机器人概述 搬运机器人机身紧凑、运行速度极快，适用于大、中型重物搬运。其独有的多功能设计广泛适应各种制造业需求。搬运机器人拥有高速机动能力，可充分适应对速度和柔性要求都较高的应用场合。设计紧凑的防护型机器人还能应用于普通机器人无法胜任的铸造、喷雾等生产环境。铸造专家型搬