kuka機器人在焊接中的應(yīng)用

KUKA 機器人在焊接中的應(yīng)用 08406042030840604203 徐曉蕾徐曉蕾 摘要 介紹 KUKA 機器人的特點及在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用 發(fā)展趨勢 關(guān)鍵詞 KUKA 機器人焊接應(yīng)用現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢 引言 德國庫卡公司成立于 1898 年 自 1977 年開始系列化生產(chǎn)各種用途的機器人 至今已 經(jīng)是國際上最大的機器人制造商之一 KUKA Roboter Gmbh 公司位于德國奧格斯堡 是世 界頂級工業(yè)機器人制造商之一 1973 年研制開發(fā) KUKA 的第一臺工業(yè)機器人 該公司工業(yè) 機器人年產(chǎn)量接近 1 萬臺 至今已在全球安裝了超過 10 萬臺工業(yè)機器人 當(dāng)前 KUKA 機 器人已廣泛應(yīng)用在儀器 汽車 航天 食品 制藥 醫(yī)學(xué) 鑄造 塑料等工業(yè)制造中 在 材料處理 機床裝料 裝配 包裝 堆垛 焊接 表面修整等領(lǐng)域大顯身手 KUKA 機器人是一種多用途的機器人 它可以實現(xiàn)點焊 涂膠 電弧焊和搬運等功能 它具有良好的加速性能和速度較快的特點 在點焊方面尤具特色 負(fù)載 125Kg 的機器人 IR761 125 和 II 瑪 60 125 焊點的重復(fù)精度可達(dá) 0 4mm 因此 它廣泛應(yīng)用在汽車行 業(yè) 摩托車行業(yè)進行自動焊接 其中庫卡卸碼垛機器人采用了精巧的 聚碳纖維 材料制造 重量輕 扭力大 韌性 強 具有較高的機械性能和較強的抗震動能力 令機器人在非常輕巧的同時具有更高強度 使其尤其適用于高負(fù)載作業(yè) 而四軸傾斜式的設(shè)計降低了維護保養(yǎng)的成本 總線標(biāo)準(zhǔn)采用 CAN Device Net 及 Ethernet 配有標(biāo)準(zhǔn)局部現(xiàn)場總線 Interbus FIFl0 Profibus 插槽 方便客戶擴展通訊接口 機器人采用 C S 架構(gòu) 可 以通過 INTERNET 進行遠(yuǎn)程診斷 驅(qū)動系統(tǒng)采用機電一體化設(shè)計 所有軸都是由數(shù)字化交流 伺服電機驅(qū)動 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)有過載 過流 缺相 超差等各種保護 性能安全可靠 先進的設(shè)計令機器人能夠高速 精確 穩(wěn)定的運行 并易于維護 機器人運動的軌跡十分 精確 重復(fù)定位精度小于 0 35mm 庫卡機器人采用開放式的操作系統(tǒng) 用戶可以根據(jù)需要 開發(fā)相應(yīng)的功能包 菜單 指令條等 庫卡機器人的另一個顯著特點是采用 PC BASED 控制系統(tǒng)的設(shè)計 PC BASED 系統(tǒng)在微 軟的 Windows 界面下操作 加上標(biāo)準(zhǔn)化的個人電腦硬件和簡單的規(guī)劃設(shè)置 不僅使機器人 的操作能夠靈活適應(yīng)產(chǎn)品的變化 而且其平均故障間隔時間長達(dá) 7 萬多小時 約 8 年 從 而使機器人的平均使用壽命達(dá) 15 年之久 保障了投資價值 除此之外 庫卡機器人的使用和維護成本也很低 此次展出的 4 軸碼垛專用機器人 KRl80PA 采用當(dāng)今世界上先進的碳纖維和優(yōu)質(zhì)航空鑄鋁材料 不但機身更輕巧 快捷 強 健 更重要的是其正常工作耗電僅為 2 5 千瓦 而傳統(tǒng)碼垛機的功耗為 6 11 千瓦 大大降低了能源消耗成本 KUKA機器人的應(yīng)用 1 機器人在汽車車身裝焊生產(chǎn)線中的應(yīng)用 近幾年來 為許多汽車廠 摩托車廠 工程機械廠進行技術(shù)改造工程設(shè)計 采用了許 多焊接機器人 提高了焊接生產(chǎn)線的柔性程度 為制造廠家提供了生產(chǎn)產(chǎn)品多樣化 更新 換型的可能性 在焊接車間 機器人能獨立完成工件的移動搬運 輸送 組裝夾緊定位 可完成工件 的點焊 弧焊 涂控等工作 有的工位上把上件 夾具 工具以機器人為中心布置 以便 機器人能完成多個工序 實現(xiàn)多品種 不同批量的生產(chǎn)自動化 采用機器人使焊接生產(chǎn)線 更具柔性化 自動化 使多種車身成品可在一條車身裝焊生產(chǎn)線上制造 實現(xiàn)多車型混線 生產(chǎn) 因此 焊接牛產(chǎn)線必須很容易地因產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 外形的改變而改變 具有較高的柔性 程度 由于柔性車身焊接生產(chǎn)線可以適應(yīng)汽車多品種生產(chǎn)及換型的需要 是汽車車身制造 自動化的必然趨勢 特別是進入上世紀(jì) 90 年代以后 各大汽車生產(chǎn)廠家基本都考慮使新建 的車身焊接生產(chǎn)線柔性化 焊接機器人在汽車裝焊生產(chǎn)線上采用的數(shù)量及機器人類型 自由度數(shù) 工作方式等 反映焊接生產(chǎn)線柔性程度和生產(chǎn)水平 確定選擇合適機器人的類型 是機器人在汽車車身 裝焊生產(chǎn)線上合理應(yīng)用的關(guān)鍵 根據(jù)不同類型的機器人的特點 確定機器人在焊接生產(chǎn)線 上的位置 完成汽車車身不同部位的焊接任務(wù) 1 焊接機器人的選用原則 在設(shè)計汽車及零部件裝焊自動線時 使用的機器人婁型雖然有所不同 但對機器人的 選用基木應(yīng)考慮以下原則 選擇與自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)相匹配 最合適的機器人 根據(jù)能 保證接頭焊點焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率高的焊接工藝 選擇不同的機器人末端軸承載力 選 擇操作范圍和技術(shù)性能參數(shù)能滿足工件施焊位置的機器人 在滿足生產(chǎn)規(guī)模 生產(chǎn)節(jié)拍 保證焊接質(zhì)量前提下 工藝設(shè)計方案既要先進可行 又要經(jīng)濟合理 在關(guān)鍵部件 部位 關(guān)鍵工序位 按需選配機器人數(shù)量 經(jīng)比較后選用各種運動更自由 靈活 性能價格比 更高的機器人 2 應(yīng)用實例 天津微型汽車廠二娟夏利轎車車身總成裝焊線既采用了 4 臺 RH 型點焊機器人 1994 年 筆者在該廠 15 萬輛夏利轎車改擴建項目丁程設(shè)計中 在三廂夏利轎車裝焊斗間后地板 總成焊接生產(chǎn)線的第二位 采用了 4 臺由日本引進的 6 自由度點焊機器人 使三廂夏利轎 車車身裝焊線更具柔性化 為以后產(chǎn)品換型 改造 混線生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件 總之 隨著汽車工業(yè)日益發(fā)展 對裝焊專業(yè)化和自動化程度以及新裝焊工藝和技術(shù)不 斷提出要求 必須進一步研究探索 在保證高質(zhì)量 高效率和高可靠性的前提下 實現(xiàn)裝 焊自動線用最少的投資生產(chǎn)出盡可能多的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品 2 機器人在聚氨酯噴涂中的應(yīng)用 當(dāng)車進入機器人工作區(qū)域前 機器人接收到安裝在噴涂區(qū)域入口處的射頻識別系統(tǒng)自 動識別車型信息 這些信息包括車型代碼 車身序列號 顏色信息 車身信息等 識別車 身信息成功后 系統(tǒng)再將車型信息傳遞給機器人控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)再將車型代碼轉(zhuǎn)換成 機器人能夠識別的機器人代碼 然后機器人再調(diào)用根據(jù)不同車型事先編好的程序完成噴涂 工作 1 聚氨酯噴涂機器人存在的缺陷 機器人進行噴涂前 需要 2 個人在車門部位粘貼上遮蔽紙 噴涂結(jié)束后再由 2 個人揭 掉遮蔽紙 造成了人員以及材料的極大浪費 2 難點 a 質(zhì)量方面 由于聚氨酯材料的特性導(dǎo)致機器人在噴涂后出現(xiàn)針孔 顆粒膠霧等問題 其高發(fā)部位為噴幅的兩端 如果不采用紙進行遮蔽會導(dǎo)致車身出現(xiàn)針孔 b 設(shè)備方面 由于現(xiàn)有的機器人噴涂時存在霧化不良的問題 導(dǎo)致噴涂時過渡不平滑 在無遮蔽的情況下噴涂后的車身有明顯的桔皮現(xiàn)象 c 材料方面 由于噴房內(nèi)溫度變化比較明顯 而聚氨酯特性隨著溫度變化比較明顯導(dǎo) 致噴幅變化 如果沒有遮蔽會導(dǎo)致噴涂不穩(wěn)定 針對以上問題 在研究了機器人的噴涂軌跡及機器人的結(jié)構(gòu)后做如下調(diào)整 a 增加一個固定擋板替代遮蔽紙的功能 b 調(diào)整固定擋板高度和角度后開始調(diào)試機器人噴涂軌跡和角度 使噴槍噴出來的聚 氨酯在一條直線上 同時保證容易出現(xiàn)針孔的部位擋板完全能夠?qū)⒕郯滨踝?使其不噴 涂到車身上 噴涂最低位置距離擋板 10mm c 在機器人末端執(zhí)行器上自行設(shè)計安裝了一套刮涂裝置 當(dāng)機器人噴涂完畢后 通過 刮涂裝置將擋板上的余膠刮干凈 以免下次噴涂時余膠污染車身 KUKA 機器人通過與總線控制 網(wǎng)絡(luò)通訊 射頻識別等國際先進技術(shù)相結(jié)合 使機器人 的功能更加強大 操作更加方便 同時將工人從高溫 繁重 單調(diào) 危險的工作環(huán)境中解 放出來 極大地提高了工作效率 3 不同型號雙焊接機器人協(xié)調(diào)控制 kuka 和 Motoman 大型厚板構(gòu)件在船舶 高壓容器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 厚板傳統(tǒng)焊接工藝選用非對稱坡口 先焊接正面坡口 從反面進行碳弧氣刨清根 刨槽 打磨 預(yù)熱后再進行焊接 工序多 質(zhì)量穩(wěn)定性差 生產(chǎn)效率低 只適合應(yīng)用于手工焊和半自動焊中 厚板雙面雙弧焊接方法 是一種新的高效高質(zhì)焊接方法 焊接過程不用清根 相比傳統(tǒng)厚板焊接工藝 大大簡化了 工序 能大幅提高焊接生產(chǎn)率 減小變形和改善焊縫質(zhì)量 并且這種工藝非常適合于機器 人焊接 將這種高效的雙面雙弧厚板焊接工藝與機器人智能化焊接技術(shù)相結(jié)合 給出了厚 板雙機器人雙面雙弧焊的系統(tǒng)方案 即由兩臺機器人按照一定的路徑規(guī)劃和時序規(guī)劃對厚 板對稱坡口完成協(xié)調(diào)焊接 故本文提出了對雙面雙機器人協(xié)調(diào)運動控制的要求 1 雙機器人協(xié)調(diào)控制策略和算法 厚板雙面艱弧焊工藝采用對稱 x 型坡口 打底焊采用脈沖 TIG 焊 兩側(cè)焊槍在焊接方 向保持一定間距 而填充焊采用 MAG 焊 兩側(cè)焊槍保持對稱姿態(tài)同步焊接 這就提出了對 雙面雙機器人進行協(xié)調(diào)運動控制的要求 采用主從協(xié)調(diào)控制策略解決這一問題 目前 針 對主手把持工件 從手進行裝配或焊接的雙機器協(xié)調(diào)運動模式的研究比較多 系統(tǒng)以 KUKA 機器人為主機器人執(zhí)行焊接運動 Motoman 機器人作為從機器人跟隨主機器人運動并進行 焊接 2 主從協(xié)調(diào)算法仿真 在基于 SolidWorks 的離線編程系統(tǒng)中對雙機器人主從協(xié)調(diào)算法進行仿真驗證 KUKA 機器人作為主機器人 Motoman 機器人為從機器人 測試中使 KUKA 機器人 TCP 運動任意一 段軌跡 根據(jù)主從協(xié)調(diào)算法計算出 Motoman 機器人的目標(biāo)軌跡 使 Motoman 機器人按此軌 跡進行隨動 觀察 Motoman 機器人的隨動軌跡是否符合雙面焊接協(xié)調(diào)運動的要求 從而測 試主從協(xié)調(diào)算法能否實現(xiàn)對雙機器人雙面焊接悱調(diào)運動的控制 3 主從協(xié)調(diào)運動及焊接實驗 實驗中首先測試一下主從協(xié)調(diào)運動的實時性和穩(wěn)定性 不起弧焊接 對 KUKA 機器人示 教一段程序使之運動 該程序中 KUKA 機器人的姿態(tài) 運動速度都有變化 主從協(xié)調(diào)運動中 觀察到 Motoman 機器人能精確地跟隨 KUKA 機器人在相應(yīng)的路徑運動 且其姿態(tài)和速度也能 跟隨 KUKA 機器人進行改變 但是主從協(xié)調(diào)運動過程中也存在一些問題 Motoman 機器人在 跟隨運動過程中相比 KUKA 機器人有大約 200 500ms 的延時 經(jīng)測試 延時主要是 Motoman 機器人 RS232 串口通信的固有延時 在實現(xiàn)雙機器人主從協(xié)調(diào)運動的基礎(chǔ)上 再進行主從協(xié)調(diào)焊接實驗 主從協(xié)調(diào)焊接相 比主從協(xié)調(diào)運動 實現(xiàn)上更為復(fù)雜 不僅要實時獲取主機器人的位姿并發(fā)送給從機器人使 之跟隨運動 還需要判斷焊接過程何時開始 何時結(jié)束 及時控制從機器人起弧和熄弧 實驗中 KUKA 機器人焊接一段預(yù)先示教的由兩段圓弧軌跡組成的 S 型焊縫 Motoman 機器人在主從運動模式下跟隨 KUKA 機器人進行焊接 結(jié)果表明 主從協(xié)調(diào)焊接過程中 雙 機協(xié)調(diào)動作穩(wěn)定可靠 Moloman 機器人能精確跟隨 KUKA 機器人軌跡進行同步焊接 焊接運 動穩(wěn)定 焊縫成形良好 機器人的發(fā)展趨勢 機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明 它在提高生產(chǎn)自動化水平 提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn) 品質(zhì)量以及經(jīng)濟效益 改善工人勞動條件等方面 有著令世人矚目的作用 引起了世界各國和 社會各層人士的廣泛關(guān)注 在新的世紀(jì) 機器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的 應(yīng)用 1 機器人的技術(shù)發(fā)展趨勢 從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看 機器人技術(shù)正在向智能化 模塊化和系統(tǒng)化的方 向發(fā)展 其發(fā)展趨勢主要為 結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化 控制技術(shù)的開放化 PC 化和網(wǎng)絡(luò) 化 伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化 多傳感器融合技術(shù)的實用化 工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和 作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面 2 工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 據(jù) UNECE IFR 預(yù)測 至 2007 年 全球新安裝裝機器人的數(shù)量將從 2003 年的 81800 套增 至 2007 年的 106000 套 年平均增長 7 其中 日本 2003 2007 年工業(yè)機器人的銷售將從 2003 年的 31600 增長至 2007 年的 41000 套 歐洲 2003 2007 年工業(yè)機器人將從 2003 年的 27100 套增長至 2007 年的 34000 套 北美 2003 2007 年工業(yè)機器人市場每年平均增長 5 8 至 2007 年將增長到 16000 套 以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司 已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu) 拓展了機器人的工作范圍 加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用 大大提高了機器人的性能 此外 采用先進的 RV 減速器及交流伺服電機 使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng) 近年來 人類的活動領(lǐng)域不斷擴大 機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展 像 海洋開發(fā) 宇宙探測 采掘 建筑 醫(yī)療 農(nóng)林業(yè) 服務(wù) 娛樂等行業(yè)都提出了自動化和 機器人化的要求 這些行業(yè)與制造業(yè)相比 其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性 因而對機器人的要求更高 需要機器人具有行走功能 對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃 能力等 是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向 可以預(yù)見 在 21 世紀(jì)各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域 成為人類 良好的助手和親密的伙伴 結(jié)束語 新中國成立后 經(jīng)過 50 年的艱苦努力 中國焊接生產(chǎn)機械化自動化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用 取 得了很大的成就 焊接生產(chǎn)過程機械化與自動化程度已達(dá)到 20 在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制 造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè) 焊接生產(chǎn)過程綜合機械化與自動化程度已達(dá)到 40 45 在機床 鍋爐 汽車 化工機械 工程機械和重型機械等國家重點骨干企業(yè) 通過引進國 外先進技術(shù)及相應(yīng)配套的自動化焊機 成套焊接設(shè)備 焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng) 使焊 接生產(chǎn)機械化與自動化技術(shù)達(dá)到了國際 90 年代初的先進水平 進入世界先進之列 工業(yè)機器人技