点焊机器人概述
点焊机器人的典型应用领域是汽车工业。一般装配每台汽车车体大约需要完成 3000 —4000 个焊点，而其中的 60 ％是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达 150 台。汽车工业引入机器人已取得了下述明显效益：改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量：提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱。 最初，点焊机器人只用于增强焊点作业 ( 往已拼接好的工件上增加焊点 ) 。后来，为了保样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有：安装面积小，工作空间大：快速完成小节距的多点定位 ( 例如每 0 ．3 ～ 0 ．4s 移动 30 ～ 50mm 节距后定位 ) ：定位精度高 ( ±0 ．25mm) ，以确保焊接质量：持重大 (300 ～ 1000N) ，以便携带内装变压器的焊钳；示教简单，节省工时；安全可靠性好。 表 1 列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。在驱动形式方面，由于电伺服
技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电动机驱动方向过渡，随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面日新月异；在机型方面，尽管主流仍是多用途的大型 6 轴垂直多关节机器人，但是，出于机器人加工单元的需要，一些汽车制造厂家也进行开发立体配置 3 ～ 5 轴小型专用机器人的尝试。
表 1 点焊机器、人的分类
分 类 | 特 征 | 用途 |
垂直多关节型（落地式） | 工作空间/安装面积之比大，持重多数为1000N左右，有时还可以附加整机移动自由度 | 主要用语增强焊点作业 |
垂直多关节型（悬挂式） | 工作空间均在机器人的下方 | 车体的拼接作业 |
直角坐标型 | 多数为3、4、5轴，适合于连续直线焊缝，价格便宜 | |
定位焊接用机器人（单向加压） | 能承受500KG加压反力的高刚度机器人。有些机器人本身带加压作业功能 | 车身底板的定位焊 |
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典型点焊机器人的规格。以持重 1000N ，最高速度 4m ／ s ·的 6 轴垂直多关节点焊机器人为例。由于实用中几乎全部用来完成间隔为 30 ～ 50mm 左右的打点作业，运动中很少能达到最高速度，因此，改善最短时间内频繁短节距起、制动：的性能是本机追求的重点 o ：为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重量，增加驱动系统的输出力矩。同时，为了缩短滞后时间，得到高的静态定位精度，该机采用低惯性、高刚度减速器和高功率的无刷伺服电动机。由于在控制回路中采取了加前馈环节和状态观测器等措施，控制性能得到大大改善，50mm 短距离移动的定位时间被缩短到 0．4s 以内。 一般关节式点焊机器人本体的技术指标，见表 2 。
表 2 点焊机器人主要技术指标
结构 | 全关节型 |
自由度 | 6轴 ： |
驱动 | 直流伺服电动杠 |
运 动 范 围 | 腰转 | 范围± 135° | 最大速度50°／s |
大臂转 | 前 50°，后30° | 45°/s |
小臂转 | 下 40°，上20° | 40°／s |
腕摆 | ± 90° | ± 80°／s |
腕转 | ± 90° | ± 80°／s | 机器人焊接系统
腕捻 | ± 170° | ± 80°／s |
最大负荷 | 65kg |
重复精度 | ± 1mm |
控制系统 | 计算伺服控制， 6轴同时控制 |
轨迹控制系统 | PTP及CP |
运动控制 | 直线插补 |
示教系统 | 示教再现 |
内存容量 | 1280步 |
环境要求 | 温度 0～45℃ 湿度 20％～<90％RH |
电源要求 | 220V交流，50Hz三相 |
自重 | 1500kg |
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3 ． 2 点焊机器人及其系统的基本构成
(1) 点焊机器人的结构形式 点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为 3 大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统，如图 40 — 13 所示。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有 1 ～ 3 个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有 5 ～ 6 个自由度，分 DC 伺服和 AC 伺服两种形式，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。
点焊机器人控制系统由本体控制部分及焊接控制部分组成。本体控制部分主要是实现示封瓦孤．惺占估．罟乃焙彦粹制 ! 惺辖粹制挑分段的时间及程序转换以外，还通过改变主电路晶闸管的导通角而实现焊接电流控制。
(2) 点焊机器人焊接系统 焊接系统主要由焊接控制器、焊钳 ( 含阻焊变压器 ) 及水、电、气等辅助部分组成，系统原理，如图 14 所示。
1) 点焊机器人焊钳 点焊机器人焊钳从用途上可分为 C 形和 X 形两种。 C 形焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊缝： X 形焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊缝。
从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分为分离式、内藏式和一体式 3 种形式。
a ．分离式焊钳 该焊钳的特点是阻焊变压器与钳体相分离，钳体安装在机器人手臂上，而焊接变压器悬挂在机器人的上方，可在轨道上沿着机器人手腕移动的方向移动，二者之间用二次电缆相连，如图 15 所示。其优点是减小了机器人的负载，运动速度高，价格便宜。
图 17 一体式焊钳点焊机器人
2) 焊接控制器 控制器由 Z80CPU 、 EPROM 及部分外围接口芯片组成最小控制系统，它可以根据预定的焊接监控程序，完成点焊时的焊接参数输入，点焊程序控制。焊接电流控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本体计算机及手控示教盒的通信联系。常用的点焊控制器主要有 3 种结构形式。
a ．中央结构型 它将焊接控制部分作为一个模块与机器人大体控制部分共同安排在一个控制柜内，由主计算机统一管理并为焊接模块提供数据，焊接过程控制由焊接模块完成。这种结构的优点是设备集成度高，便于统一管理。
b ．分散结构型 分散结构型是焊接控制器与机器人本体控制柜分开，二者采用应答式通信联系，主计算机给出焊接信号后，其焊接过程由焊接控制器自行控制，焊接结束后给主机发出结束信号，以便主机控制机器人移位，其焊接循环如图 18 所示。这种结构的优点是调试灵活，焊接系统可单独伸用，佃需要一定距离的通信，集成度不如中央结构型高。
图 18 点焊机器人焊接循环
T1- 焊接控制器控制 T2 - 机器人主控计算机控制
T - 焊接周期 F - 电级压力 I - 焊接电流
焊接控制器与本体及示教蜕简的联系信号主要有焊钳大小行程、焊接电流增/减号，焊接时
间增减、焊接开始及结束，焊接系统故障等。
c ．控系统 控就是将多台点焊机器人焊机 ( 或普通焊机 ) 与控计算机相连，以便对同时通电的数台焊机进行控制，实现部分焊机的焊接电流分时交错，限制电网瞬时负载，稳定电网电压保证焊点质量。控系统的出现可以使车间供电变压器容量大大下降。此外，当某台机器人 ( 或点焊机 ) 出现故障时，控系统启动备用的点焊机器人或对剩余的机器人重新分配工作，以保证焊接生产的正常进行。
为了适应控的需要，点焊机器人焊接系统都应增加“焊接请求”及“焊接允许”信号，并与控计算机相连。
(3) 新型点焊机器人系统 最近，点焊机器人与 CAD 系统的通信功能变得重要起来，这种 CAD 系统主要用来离线示教。图 40-19 为含 CAD 及焊接数据库系统的新型点焊机器人系统基本构成。
(4) 点焊机器人对焊接系统的要求
1) 应采用具有浮动加压装置的专用焊钳，也可对普通焊钳进行改装。焊钳重量要轻，可具
有长、短两种行程·，以便于快速焊接及修整、更换电极、跨越障碍等。
2) 一体式焊钳的重心应设计在固定法兰盘的轴心线上。
3) 焊接控制系统应能对阻焊变压器过热、晶闸管过热飞晶闸管短路断路、气网失压、电网电压超限、粘电极等故障进行自诊断及自保护，除通知本体停机外，还应显示故障种类。
图 19 含 CAD 系统的点焊机器人系统
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