焊接机器人的构成及分类详解

1.机器人的构成

一台焊接机器人一般由操作机、控制器（控制装置）和驱动单元三部分构成，如图8-41所示。

图8-41 焊接机器人的构成

1—工件 2—末端执行器 3—手腕 4—手臂 5—操作机座 6—控制系统

（1）操作机 操作机是具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置，由机座、手臂、手腕、未端执行器等构成。

1）机座为机器人机构中相对固定，并承爱相应力的基础部件。

2）手臂由操作机的动力关节和连接杆件等构成，用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件，又称主轴。

3）手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，又称次轴。

4）末端执行器是操作机直接执行工作的装置，如弧焊枪、点焊钳、切割炬、喷枪等。

有些机器人还带有使操作机移动的机械装置，如移动机构和行走机构等。

（2）控制器 控制器是整个机器人系统的神经中枢，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。它是由人操作起动、停机及示教机器人的一种装置。机构人控制器一般由计算机控制系统，伺服驱动系统、电源装置及操作装置（如操作面板、显示器、示教盒和操纵杆等）组成。典型的焊接机器人控制系统结构如图8-42所示。

图8-42 焊接机器人控制系统结构原理

机器人控制系统一般应具有下列基本功能：记忆功能、示教攻能、与外围设备联系功能、坐标设置功能、位置伺服功能、故障诊断安全保护功能，以及人机接口、传感器接口等。

（3）驱动单元 由驱动器、减速器及检测元件等组成的组件。

1）驱动器。将电能或液体能等转换成机械能的动力装置。按动力源分为电动驱动、液压驱动和气动驱动。焊接机器人多采用电动驱器，个别重负载点焊机器人采用液压驱动器。

电动驱动器所用的电动机主要是直流（DC）伺服电动机、交流（AC）伺服电动机和直接驱动（DD）电动机等，均可采用位置闭环控制。优点是控制精度高、功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，变速范围大，伺服特性好。但控制系统复杂，除DD电动机外，难以进行直接驱动，一般需配置减速器。DD电动机属新型伺服电动机，具有极高精度和运行速度，无减速装置，用于高速、高精度要求的机器人中。电动驱动器比较适合中、小负载，要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度，以及速度较高的机器人中。

液压驱动器输出功率很大，压力范围为50～1400N/cm²，液体无压缩性，控制精度也较高，可无级调速，反应灵敏，但液压系统易漏油，对环境有污染，液压驱动源需单独成一部件，占地面积大，一般适用于重载、低速驱动的机器人中。

2）减速器。除DD电动机外，用其他电动机驱动时需使用减速器，其传动机构与一般机械传动机构相类似。

3）检测元件。检测机器人自身运动状态的元件，如位置、速度、加速度和平衡传感器等。

作为完整的机器人系统，除了上述各构成部分外，还包括机器人进行作业要求的外围设备，如图8-43所示。如弧焊机器人必须有焊枪、弧焊电源、焊件变位机和送丝机等。

图8-43 焊接机器人系统原理

2.焊接机器人的分类

焊接机器人是一个机电一体化的设备，可以按用途、结构、受控运动方式、驱动方法等观点对其进行分类。

（1）按用途来分(www.xing528.com)

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应用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规定的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而是对其性能有着特殊的要求。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。因此运动过程中速度的稳定性的轨迹精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度取5～50mm/s，轨迹精度为±（0.2～0.5）mm，由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定影响，因此，希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。

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，约60%的焊点是由机器人完成的。最初，点焊机器人只用于增强作业（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接作业。

（2）按结构坐标系来分

1）直角坐标型。这类机器人的结构和控制方案与机床类似，其到达空间位置的三个运动（x、y、z）是由直线运动构成的（见图8-44）。这种形式机器人的优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作容积内任一点上均为恒定，控制精度容易提高；缺点是机构庞大，工作空间小，操作灵活性较差。

2）圆柱坐标型。这类机器人在基座水平转台上装有立柱，水平臂可沿方柱作上下运动并可在水平方向伸缩（见图8-45）。这种结构的优点是末端操作可获得较高速度，缺点是末端操作器外伸离开立柱轴心越远，其线位移分辨精度越。

图8-44 直角坐标型机器人

3）球（极）坐标型。与圆柱坐标结构相比较，这种结构形式更为灵活，但采用同一分辨率的码盘检测角位移时，伸缩关节的线位移分辨率恒定，但转动关节反映在末端操作器上的线位移分辨率则是个变量，增加了控制系统的复杂性，如图8-46所示。

4）关节型。由多个关节连接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，分为全关节和平面关节两种，如图8-47、图8-48所示。全关节型机器人末端执行器全部由旋转运动实现，其特点是机构紧凑、灵活性最好，占地面积小，工作空间大，运动速度较高。但精度受手臂位置和姿态的影响，实现高精度运动较困难。目前的焊接机器人主要采用这种型式。平面关节型机器人的运动机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种机构垂直方向刚度大，水平方向十分灵活，较适合以装插为主的装配作业。

图8-45 圆柱坐标型机器人

图8-46 球坐标型机器人

图8-47 全关节型机器人

图8-48 平面关节坐标

（3）按受控运动方式来分

1）点位控制（PTP）型。机器人受控运动方式为自一个定位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。要求机器人在目标点上有足够的定位精度，相邻目标点间的运动方式之一是各关节驱动机以最快的速度趋近终点，各关节视其转角大小不同到达终点的时间不同；另一种运动方式是各关节同时趋近终点，由于各关节运动时间相同，所以，角位移大的运动速度较高。点位控制型机器人主要用于点焊作业。

2）连续轨迹控制（CP）型。机器人各关节同时作受控运动，使机器人终端按预期的轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要实时获取驱动机的角位移和角速度信号。连续控制主要用于弧焊机器人。

（4）按驱动方式分

1）气压驱动。使用压力通常在0.4～0.6MPa，最高可达1MPa。气压驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，易于保养；主要缺点是功率质量比小，装置体积小，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘较大的场合。

2）液压传动。液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，巨系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速；其主要缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性与定位精度，而巨污染环境，液压系统需配备压力源及复杂的管路系统，因而，成本也较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度较低的场合。

3）电气驱动。电气驱动是利用各种电动机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍、应用最多的驱动方式。电气驱动又可分为步进电动机驱动、直流电动机驱动、无刷直流电动机驱动和交流伺服电动机驱动等多种方式。交流伺服电动机驱动有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性极高，几乎不需任何维护。20世纪90年代后生产的机器人大多采用这种驱动方式。

（5）按功能完善程度分 有示教再现型机器人、感觉控制型机器人和智能机器人三类。这三类焊接机器人都随着技术进步而形成，具有发展年代特征，后者比前者高级。目前广泛应用的焊接机器人多属示教再现型机器人，它是一种能按示教编程输入工作程序、自动重复地进行工作的机器人，它对环境变化没有应变能力；感觉控制型机器人则具有感知功能（有视觉和触觉等），利用感觉信息进行动作控制，对环境变化有应变能力；智能机器人则由人工智能决定行动的机器人，能理解人的命令、感知周围环境、识别操作对象，并能自行规划操作顺序以完成赋予的任务，属于功能更完善，更接近人的高级机器人。