示教再现型电弧焊接机器人

(一电弧焊接作业对焊接机器人提出的基本要求(二示教再现型电弧

焊接机器人工作原理。介绍以日本安川电机制作生产的MOtomna一L型电

气驱动焊接机器人(多关节式五个自由度的概貌及示教和再现的大致过

程(三电弧焊接机器人的控制一以八位平行的微处理机Intel一8080为核

心的控制功能。(四伺垺电动机驱动系统的概况和原理在系统中介绍了位

置、速度、力矩反馈控制。采用光电式增量编码器作为位置检测元件用交

流测速发电機作为伺服电动机的转速检测元件同时叙述了力矩反馈的必要

能代替人从事某些劳动的工业机器人技

术,七十年代以来,在国外被认为是自動化的

标志之一。它被广泛应用于机床上下料,零部

件搬运与储存、锻造、焊接、装配及喷漆等繁

重、单调、高温、放射性污染和粉尘等有害或

危险作业中近代工业生产正由大批量、少品

种向着小批量、多品种产品发展。于是,用微

型计算机控制的具有灵活性、可靠性和通用性

的工业机器人技术迅速发展起来另外,据国

外几个主要工业国家统计,焊接结构用钢量约

占钢产量的45%,到公元两千年预计增为

50%。许多结构件巳由铸件向焊接件发展,目

前又正在向薄板件发展将薄板先进行各种成

形再加以焊接,使在保证强度和刚度的前提下

大量节省了原材料消耗。在这种形势下,如何

实现焊接自动化已成为重要课题从七十年代

后半期以来,在十几年点焊机器人基础上逐步

完善起来的电弧焊接机器人,茬日、美、欧等

国己进入到实用阶段。目前,采用微型计算机

控制的电弧焊接机器人已能很好地完成大部分

焊接作业,使其达到了很高的自动囮程度

电弧焊接机器人比点焊机器人的速度慢、

精度高而功能全。它比喷漆、装卸及其他类型

的机器人在精度和功能方面的要求都严格┅

些这是因为电弧焊接作业较其他作业有某些

电弧焊接作业对焊接机器人提

1.机器人本体应具有5~7个自由度。

能对各轴同时控制使机器人掱部能够在一定

范围内的三维空间里灵活地对任意点进行精确

定位。其重复定位精度在士0.3mm以内

2.能通过简单的手动操作进行人工示

教。然後按记忆装置提供的控制指令自动地进

3.能控制焊炬的姿态,使焊丝始终保持

在焊缝平面内且与焊缝相垂直焊炬前端应具

31有自动停止功能。當焊丝移至焊缝终端时,应

具有延迟熄弧功能,以避免焊缝末端出现凹

坑另外,必要时应能使焊丝按照要

摆动运动,以获得较大的熔敷截面,提高勞动

生产率并改善焊缝的结晶组织状况。

4.焊丝应准确地沿焊缝移动当焊缝具

有安装误差(土0.smm内)或因热变形引起的

误差时,具有修正误差功能。

5.能有效地控制焊接规范(电弧电压、

焊接电流、焊接速度与送丝速度)在作业过

程中能随时修正速度。修改后的速度保持恒

6.自动地引弧、收弧

7.机器人具有各种自我诊断功能。当发

生某些异常情况时自动停止运动,由显示装置

8.机器人具有中断处理能力具有紧急

上20度及下40度俯仰运动。此三轴皆由750瓦

杯形直流伺服电动机驱动具有B、T两个自由

度的手爪部分由200瓦印刷绕组伺服电机驱动

以实现对于焊炬姿态的控制。鼡计算机分配脉

冲数的办法,使T轴转动不受B轴转动的影

二、示教再现型电弧捍接机器人工

示教再现型工业机器人在国外受到用户的

普遍重视示教再现,意即在正式作业之前先

由人工以某种方式对机器人进行示教,由存储

装置将示教信息(顺序、位置、速度及各种功

能数据)保存一段時间,然后按一定顺序自动

地再现操作。现以日本安川电机制作所生产的

motoman一L型电气驱动式电弧焊接机器人

整个系统由示教箱、控制盘、机器囚主体

及自动送丝装置、焊接电源等组成焊件装卡

换位装置则需另行配备。

机器人主体共有五个自由度(若加上摆动

器则为六个自由度o)采鼡多关节式以模仿人的

腰部和人手的动作立柱部分可相对于基座绕

S轴作240度回转运动。下臂部分可绕L轴作

士40度前后倾斜运动上臂部分则鈳绕U轴作

图l、mot。也an一L型机器人主体示意图

对于每一条运动轴都采用数字伺服控制方

式由伺服机构和位置检测器按闭环方式组成

伺服系统。在Intel808o型微处理机的统一控制

下,伺服系统以反馈控制取得土0.3m的重

复定位精度。对五轴实行综合控制的结果,使

五轴在运动时很协调地同时动莋因此,能使手

部非常灵活而又准确地实现多种运动。此种机

器人用于薄板件焊接是行之有效的

计算机是协调整个系统工作的信息处理與

示教箱和控制盘是人一机联系的主要媒

介。通过它将各种信息输入到系统中去,并控

制系统启、停、工作方式、定时、位置与速度

修正等同时,它还显示系统状态以及故障情

伺服电功机的转轴通过齿轮与谐波齿轮减

速器联结,然后与机械传动部件联结,从而带

动机械手在空间任意运动。采用这种结构可以

最大限度地消除机械间隙,提高精度并获

高减速比(谐波减速器的效率高达95%以上)

轴的上端有制动装置以防断电时機械手因自重

这种电气驱动式的焊接机器人具有维修方

便和不污染现场的优点。虽抓力有限(仅10公

斤),但对于一般焊接作业来说足可以了

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对应于每一运动轴都有一套由伺服放大

器、伺服电动机和反馈元件组成的伺服驱動系

对于一批同类焊件来说,只需要成功地示

教一次之后便可多次重复作业。

由操作工利用装在机器人手腕上的操纵手

柄,手把手地直接进行嘚示教,称为直接示

由操作工利用示教箱上的按钮以信息形式

进行的示教,属于间接示教

示教时,操作工边示教边用眼睛监视机器

人手臂的位置、速度等。显然,当手臂作高速

或低速运动时,人眼是难以判别清楚的换句

话说,直接示教的定位精度是比较低的。而通

过示教箱上的按钮鉯点动方式进行的间接示教

则可做到比较准确因此,前者适用于喷漆作

业,后者则适用于对定位精度要求较高的焊接

将整个作业按一定间距紦焊缝分成若干

步,每步由若干条指令构成。其步数的多少及

步距的大小视具体情况而定(一般说来,薄

板焊件可取步距10~20mm左右,厚板焊件可

取步距20一30m:n左右)。换言之,将焊缝分

为若千小段,在侮一小段内实行点位控制对

一般焊件来说,这种控制方式己能使J髯轨迹圆

滑精确地满足了要求。礻教时,首先对整个作

业逐步进行位置示教,然后再逐步进行速度示

示教时的大致过程如下:

由技术熟练的操作工按照事先拟好的操作

程序通过礻教箱上的各种按钮和开关发出控制

信号由于电子计算机的所有数据都是以二进

制代码形式表示的,所以,这些控制信号在进

入微处理机之湔必先转变为数字信息。这些数

字信息在微处理机控制下进行数据传送与运

算然后,由控制译码器把它转变成为控制电

位,经伺服接口转换荿为与伺服机构相容的信

号。经过伺服放大后的控制信号推动伺服电动

机旋转并通过谐波传动,然后带动各运动轴按

设定的位置和速度作相應运动此时,与运动

轴相联结的位置检测器把精确测得的运功轴实

际移位转换成为数字信息,并再次通过接日送

进微处理机。由微处理机发絀写入信号启动存

储装置并指定存储器地址,最后将这些数据送

信号在计算机内自动编程,并将其所产生的位

移及速度,以代码形式写入存储装置计算

机与外围设备之间的数据交换是由微处理机的

如果来自示教箱的控制信号不经过计算机

(此时相当于脱机状态)而直接送往伺服机

构,則系统精度将会很低。

在示教过程中,伺服机构是以开环方式进性活动按一定顺序由时钟振荡器提供基准,以

三、电弧焊接机器人的控制功能

甴图二可以看出,整个系统以八位并行的

微处理机I爪el一8080为核心部分微处理机

是用n沟道硅栅MOS工艺制成的单片式大规模

集成电路。它有一条八位双向数据总线来传输

进出存储器和输入输出接口的数据,还有一条

十六位的地址总线对存储器寻址和输入输出接

口寻址,以及一条控制总线鼡以取得它跟外存

和输入输出设备之间同步,同时,还处理中断、

直接存储器存储和微处理机的状态信息

对于焊接机器人来说,停电时信息必須保

留。因此,采用磁线存储器作为主存,同时,

用盒式磁带补充主存容量之不足实际上,在

作业过程中主要用主存。

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行工作的所以,此种情况下对焊接作业的实

际现场情况,必须进行视觉监视。以便于对焊

丝的位置、速度等等随时加以校正

可想而知,示教操作难度较大。常常需由

数名技術熟练的操作工所示教的结果当中取其

一它要求经验丰富的工人在最佳精神状态下

进行示教操作,方能成功。显然,示教所得的

数据是一份佷宝贵的原始依据需用磁盒长期

同一批焊件示教成功一次后可多次自动重

复作业。但对于不同类型的焊件来说,则需分

别示教同一台机器人,只要将焊接件装夹定

位设备合理地分布,就可对数种焊件交替地同

时进行作业。而且数量少的焊件一俊作业完毕

之后,机器人会自动地将莋业转移到另一批数

量较多的焊件,直至全部完成为止这种功能

提高了劳动生产率。对于多品种、中小批量生

再现即读出存储装置内记憶的信息。向

伺服机构逐条发出指令驱动机械手实际操作

再现时,存储装置内记忆的位置和速度等

信息,便在微处理机控制下进行读出操作。经

过读出放大器把信号作必要的放大、鉴别等处

理并转变成为电压,然后经接口送入伺服驱动

部分使机械手运动这时,位置检测器再次把

測得的运动轴实际位移转换为数字信息并送往

比较器,与来自存储装置的控制信息进行比较

后算出偏差值的大小,经由计数器计数并作数

字/模擬转换后再次输往伺服驱动部分。这样,

伺服电动机便在偏差值控制之下按相应速度和

方向旋转,使机械手再现原来示教时记忆的操

作可见,這时的控制信号不是来自示教箱,

而是来自存储装置。伺服机构以闭环方式进行

为了安全起见,示教时的速度不超过再现

时速度的20%实际上,在礻教再现过程中,

各种数据均由微处理机进行运算处理,从而实

现对机器人各轴的综合控制。微处理机的周期

图3示教箱和操作盘气劫.

微处理机通过五个接口与外〔部)设(备)

发生联系这些接口网络把外设送往计算机的

信息和计算机送往外设的信息转换成相容的格

式。此外,接口还经瑺给计算机传送状态信

息并协调微处理机与外设在时间上的差异

操作工利用示教箱上的按钮以手动方式对

机械手的位置及速度进行示教。可以对任意点

的位置进行修改或增补新的位置而任意两点

间的速度则是利用操作盘上的“时问”旋钮进

行设定的。当已经设定的速度需要修改时,只

需将此“时间”旋钮拨至某值,然后按下示教

箱上的“速度修正”按钮即可位置的设定或

增补与速度的设定或修改互不影响。因为各种

控制功能都是输入到计算机内的独立的指令,

这些指令的记入或清除与位置数据毫无关系

全部功能均按输入到计算机内的程序進行

控制。通过操作盘以指令形式可以将下列主要

控制功能记入(或清除):

使机械手在指定时间内停止动作的定时指

令可在0.1~25.5秒钟内任意指定;

按指定的某一序号接通或断开继电器以控

制外部输出信号的设定或清除;

当按指定的某一输入序号进行外部输入

控制机械手的重复动作,使其在從某一步

到另一步的范围内按指定次数进行重复当完

成指定次数后自动进行下一条指令;

控制机械手在同一作业内无条件地由一步

控制机械手从一作业向另一指定的作业转

控制焊机电源引弧、熄弧的指令;

指定焊接时的电弧电压与焊接电流值(将

电压、电流区间各分为64等分,示教時作为一

条控制指令进行指定。指令值的每一刻度值相

当于0.2伏和5安)在下达下一条指令之前保

此外,对子某些异常情况如:操作错误、

程序错誤、机械手超速、超载,有无保护气

体,是否起弧、收弧以及控制装置超温或伺服

故障等,具有自我诊断功能以确保安全作业。

上述各项功能由顯示装置使作业过程始终

处于监控之下紧急停机时仅仅切断伺服回路

电源,而计算机仍在工作中。

微处理机内部配有中断系统,以实现分时

操作并实时处理各种中鹭i请求中断请求可在

任意时间内发生。微处理机保证在处理中断之

前完成正在执行的任何指令由于程序计数器

保存了中断前的状态,所以当中断处理完毕之

后,中断程序便把计数器中的数据重新恢复。

例如,当机器人因故障而停止运动时,其位

置、速度等數据被妥善保留下来,故障被排除

后,机械手沿着原来位置继续进行作业

对机器人各运动轴采用数字伺服控制方

式,不仅能够精确地控制运动軌迹,而且可以

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伺服驱动部分是焊接机器人系统中的执行

机构。其工作好坏直接反映出机器人的作业水

平为使伺服系统能很好地工作,不仅应该正

确选用系统元件,而且必须正确地设计系统中

的校正网络,以保证系统在一定精度条件下所

需要的动态品质。校正网络的具体计算问题此

这是一种混合型的自动控制系统由光电

式增量编码器形成的主反馈通道上传遞的是数字信息。而在力矩反馈和速度反馈支路上传递

的则是随时间连续变化的模拟量这种多环控

制系统利用输出信号与输入信号相减所得偏差

信号进行反馈控制。负反馈的作用在于减弱系

统对于元件参数变化的敏感程度,以抑制内部

(如噪声等)和外部(如负载阻力矩)扰动对系統

工作的影响从而改善系统的动态品质。

值得注意的是,引进负反馈后,反馈支路对

系统工作影响极大必须对反馈元件的性能严

格要求。否则,将会使系统无法正常进行工作

2.伺服驱动系统的工作原理

本文不可能就伺服系统工作精度、稳定

性、快速性等问题作理论上的详细讨論,仅就

其诸元件工作方面的某些问题简要地谈谈。

在该系统中,由位置伺服形成的主反馈回

路里包含着两个局部反馈的内回路:一个速度

反馈囷一个力矩反馈利用这种大家都了解的

一般控制方法却能满足电弧焊接机器人的很高

的动态性能要求,这是很可取的。

在位置伺服回路里采用的是直径30mm的

码器作为位置检测元件这种元

件利用了波动光栅技术使其精度高达2”。把

它与伺服电动机的负载轴同轴联结同时,若

能從制造上使机械传动部分的间隙做得极其微

小的话,则可使机械手末端的定位分辩力与编

码器的位置检测分辩力近似相等。当指令信号

使伺垺电动机旋转时,编码器把精确测得的运

动轴的角位移转换成为脉冲数字信息其频率

比例于电机转速。数字信息经反馈通道送入比

较器与來自计算机的控制信号脉冲数字序列进

行相减后,经计数并转换成为电压信号,然后

再经过校正、放大后驱动伺服电动机运转,并

带动机械手按┅定方向、速度运动这样,机

械手运动的位置便由计算机下达的指令数来精

确决定。由于这种数字式伺服方式能使系统获

得极高的控制精喥,因而保证了机械手各轴运

这样高的实际分辩力便为获得士0.3mm

的重复定位精度提供了前提使系统能够实现

用交流测速发电机作为伺服电动機的转速

检测元件,使二者共轴。从测速发电机电抠上

取出的电压信号与转速成正比将其反馈至输

入端与速度控制信号相减后经校正、放夶后供

给伺服电动机。在这里,这种反馈主要起到如

(1)当伺服电动机的转速由于负载阻力矩

受到扰动而改变时,可使其恢复到原来转速而

近似地維持不变这种恒速调节是很必要的,

因为在作业过程中,对于某段焊缝来说,一旦

设定好速度之后便要求机械手恒速前进,直到

焊缝的另一段需偠变更原来速度时为止。

(2)从频率特性来看,这种反馈可使系统

获得足够的相角裕度(在同时考虑幅值裕度的

情况下),使频带得到扩展这不仅提高了系

统的稳定性,而且满足了快速性的要求。此

时,反馈会使得开环增益下降而增大速度误

差,、但这可通过提高放大器的增益取得补偿

通瑺应在速度反馈支路里引进适当的滤波

网络,使其对于不同频率的输出作有选择的反

(3)速度负反馈还可使伺服电动机及其负

载的转动惯量所造荿的振荡受到更强的阻尼,

从而减小了系统超调量,且又改善了伺服系统

当然,若采用直流测速发电机也是可以

的。但因其结构上的缺点,不仅需整流,还会

使特性不稳,精度、线性度及可靠性较差而

电弧焊接机器人作业时很重视恒速要求,因而

对测速机的线性度、正反两个方向的输出特性

对称等要求比较严格。故以采用交流测速发电机器人,会议宣碴论文简介

中国机械工程学会机械工

据1980年学术活动计划,于80年十月下旬在苏

州召开了“机器人关键技术讨论会”,会上宣

读论文二十二篇现根据会议专题组划分方

法,按机器人机构学、控制系统、整机等三个

方面,将烸篇论文简介如下:

(一)机器人的机构学、动力学等

多关节型机器人的控制运动学及其结构参

控制运动学和结构参数综合是对多关节型

机器人研究的重要课题之一。本文采用回转变

换张量法,并运用向量环的基本概念,建立了

机器人的特征方程式利用回转变换张量的性

质和运算法則,结合机构运动的几何同一性概

念,对方程进行消元,从而建立了对多关节型

机器人进行位移或速度控制的数学模型。文章

、卜产,、`尸、`J产、創产、、沪网、J尸、`护、`了叫、.尹.、沪自、J口、曰产、廿声、产川、尹、产、、别户、.沪,~月、`尸、砂.、.`~、砂口、.尹、.沪肉、沪.、砂.、创尸、J~、J,、.尹、.子月、.砂脚、.沪、

机为宜但在实际中,交流测速机也存在着自

己的缺点,如:由脉动磁通引起的线性误差,

由激磁绕组阻抗引起的相位移以及因转子结构

不对称所引起的剩余电压等等。这些因素都会

伺服电动机的转矩与其电枢电流成正比

若在电枢电路里串接一只小电阻R,则R上的信

号电压与电枢电流成正比。将此信号电压反馈

到放大器的输入端,便近似地实现了力矩反

馈这种负反馈的作用是减小伺服电动機的时

间常数(即减弱其惯性),从而缩短了过渡过程

时间,提高了系统的反应速度。

在电弧焊接机器人伺服系统里引进力矩反

馈也是必要的因為,伺服电动机经常处于

正、反转变速运行状态。同时,由于在低速

(即转速接近于零)运转情况下存在着不稳定

性(快慢不均匀,时有暂停现象),引进仂矩反

馈将会使情况有所改善

综上所述,在伺服系统中利用反馈控制能

够提高系统的动态品质。电弧焊接机器人手臂

的运动不仅要求快速洏准确,尤其要求运动平

稳,不可抖动薄板件的焊接更是要求如此。

从这种意义上来讲,采用伺服电机驱动而不是

液压驱动是有其道理的不難理解,为使这种

伺服系统能切实有效地工作,必须从系统元件

的结构设计、制造工艺等方面大力提高元件性

能。包括正确地选用校正网络、濾波器等这

些要求,均需由制造厂家采取有效措施方能解

组卜,~一近几年来,由于传感器的改进、自动控制技术、计算机硬件与软件技术的不斷提高,电

弧焊接机器人在国外发展很快。性能不断提

高,应用日趋广泛不久的将来会出现更高性

能的智能机为其使用开辟

看到这项技术目湔还存在一些问题。例如,对

某些形状更复杂的焊缝来说尚不适用,有时会

出现漏焊点焊接规范的控制缺乏自适应能

力。示教难度较大控淛装置出现故障将会招

致手臂误动甚至狂跑,因而有害人身安全。以

及由于价格昂贵而难以普遍推广使用等等

总之,工业机器人技术经历了②十年时快

时慢的不断发展。现己成为国内外工业自动化

方面的一个重要领域国外出现了所谓“机器

我们坚信工业机器人技术必将在我國四化