机器人在工件探伤中的应用

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一、直角坐标机器人介绍
        德国百格拉公司是世界上最著名的机器人供应商之一，生产多种规格的直线运动单元 / 导轨、步进电机、交流伺服电机、直线电机和多轴数控系统。以此为基础，在短时间内可提供各种规格的线性导轨、二维、三维标准机器人及用户专用机器人和生产线。这些机器人可以装备焊枪、通用手爪或专用工具，完成焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂等一系列工作。由于百格拉的导轨、驱动电机、减速机和控制系统等所有部件全部自己生产，使得机器人整体性能更加优异。十多年来，出厂的机器人和生产线全部在正常工作。深受包装机械、印刷机械、机械电子、汽车、食品、药品和化妆品生产等行业新老用户的厚爱。
   百格拉公司的 120 多名专家及工程技术人员成功开发生产了各种规格的线性导轨，并在此基础上与用户密切合作开发通用及专用机器人，已为许多厂家提供了数千台各种专用机器人及生产线。其中一个应用领域是工件无损探伤。
   在直角坐标机器人中各个轴主要是做直线运动，而且运动方向通常是相互垂直的，所以叫直角坐标机器人。直角坐标机器人可分为一维到多维很多种，每一维是一个运动轴，由一个直线运动单元组成。一台喷涂用三维直角坐标机器人由三个直线运动单元组成，而一台码垛机器人根据应用要求通常由几个一维，二维和三维直角坐标机器人组合而成。百格拉公司直角坐标机器人的主要技术数据是运动行程 0 到 18 米；负载 1~180 公斤；重复定位精度 0.05mm ；每个轴运动速度最高可达 5 米 / 秒。
   每个直线运动单元的主要部分是特制高强度高直线度铝型材，横截面积可实现 40× 40mm 2 到 120× 120mm 2 ，也可以由多根组合成为一个大截面的导轨。型材内部配有特殊的钢轨来保证机械强度和长期保持平行度，同时也是运动滑块的载体。配滚珠丝杠和密封轴承导轨的直线运动单元的特点是定位精度高，带负载能力强，速度最大到 1 米 / 秒；滑动方式分为光杠滚轮轴承导轨和密封轴承导轨；优点是钢性好、磨擦系数小、阻力低、精度高；传动方式主要有齿型带、齿条和滚珠丝杠传动；驱动电机主要分为步进电机和伺服电机两种，有时驱动电机配 NEUGART 精密行星减速机来增大出力和减少负载的转动惯量。
　　根据机器人所要完成的工作，首先确定机器人的结构组成。可以是龙门式，挂壁安装式等。再按工作要求所给出各轴的运动行程、负载、运动速度、加速度，动作周期来选每个运动轴直线运动单元的型号，所配驱动电机及所配 NEUGART 精密行星减速机的型号。下图是一个典型三维直角坐标机器人。

二、百格拉公司机器人在无损检测中的应用案例
       1、在航天飞船部件无损检测中的应用
      (1) 任务：采用超声无损探伤对航天飞船上的许多部件进行无损扫描。
      (2) 机器人型号及设备
       ● 选用百格拉三维直角坐标机器人 PR 6/3 , X ， Y ， Z 轴的有效行程分别为 5400mm ， 5400mm 和 400mm 。在 Z 轴下端上装配旋转超声探头。探头旋转角度是 0~360° 。最大可以被测物体是 5400*5400* 400 mm 。
       ● 可对部件从上到下 360° 无损探伤扫描。扫描密度几乎没有限制，可以非常精密，也可以仅对部件的几个关键部位进行无损探伤扫描。
       ● 右图是对仪表板进行无损探伤扫描。
       (3) 任务描述：控制系统使用百格拉公司 TLCC ，驱动电机是百格拉公司智能伺服控制系统 TLC612 ， TLC411 实现定位控制。 TLCC 是一个专用工控机，通过 CAN 总线控制 TLC 伺服控制系统。 TLCC 可以预存很多部件的几何数据，用于引导超声探头等距离或多方位、多角度的无损探伤扫描。得到的测量数据可以存储在 TLCC 中，可以给出分析探伤的结果，可以打印或上传给上位机，以便进一步保存和分析，也可以显示出探伤扫描图象及对应滤波，增强、放大、旋转、特征提取及分析等。
        2、
       (1) 任务：航天飞船圆柱类部件无损探伤扫描
       (2) 机器人型号及设备
       ● 选用百格拉二维直角坐标机器人 LP-4/2 ，
       ● x 轴行程为 500mm ， z 轴行程为 1300mm ，
        在 Z 轴上装配扫描头，通过可旋转轴可对仪表板由上到下每一个部位进行 360° 扫描。
       ● 旋转轴采用 BERGER LAHR 步进电机 VRDM31117 驱动加 NEUGART 精密行星减速机 PLS90/8 。控制系统使用百格拉公司专用工控机 TLCC 。
       (3) 任务要求：整个过程需要机器人的动作保持高重复性，并且要求定位极其精确，可简便地完成自动和手动操作等功能的转换。这里探头不转，可以上下和前后精密运动。被测部件要转动，其它功能类同前面 1 ）中所描述的。
        3、
       (1) 任务：超大型圆柱类钢件无损探伤扫描。
       (2) 机器人型号及设备
        ● 选用二维直角坐标机器人 LP-8/2 ，
        ● 完成 X 轴和 Z 轴方向上的动作。 X 轴驱动电机采用 BERGER LAHR 伺服电机 SER31122 ， SER31122 驱动一个德国 NEUGART 公司精密行星减速机 PLS90HP 。 Z 轴驱动电机采用 BERGER LAHR 步进电机 VRDM3913 ， VRDM3913 驱动一个德国 NEUGART 公司精密行星减速机 PLS70/64HP 。
        ● 被测物体是 8m 长，直径 600mm 的柱类钢件，放在一个大型液体容器里。大型容器的两端各有一个夹具，用于水平固定柱类钢件。钢件作为转动轴由一台 BERGER LAHR 伺服电机 SER31122 配德国 NEUGART 公司精密行星减速机 PLS115/64HP 驱动。
        (3) 任务要求：
        旋转轴带动长约 8m 的钢件每旋转一个角度 X1 后静止， Z 轴下到钢件表面 X2 毫米高后停止。这时 X 轴开始运动，每移动 X3 毫米探头扫描一次，完成 X 轴方向 8m 长的扫描后 X 轴和 Z 轴都处于静止状态。旋转轴再按原转动方向转动 X1 度停止， X 轴开设扫描运动。这一过程要反复进行到整个钢件表面被均匀扫描一次。
所以整个过程需要机器人的动作保持高重复性，平稳性，并且要求定位极其精确。 X 轴的定位精度如下：电机每转为 16384 点，经行星减速机 64 倍减速后为 16384*64 。 X 轴的驱动轴每转一转， X 轴行走 175mm , 电机每转一步 X 轴走 175000/16384/64 =0.167 μm. X 轴的定位精度如下：电机每转为 16384 点，经行星减速机 64 倍减速后为 16384*64 。旋转轴每转一转对应的周长是 600*3.14 = 1884mm , 电机每转一步旋转轴表面转过 1884000/16384/64 =1.797 μm 。实际上用不着这样高的精度，而用精密行星减速机的目的是为了大量减少驱动电机与负载的转动惯量比，来保证各轴的精确平稳运行。控制系统使用百格拉公司专用工控机 TLCC ，其功能同前面的两个应用。

三、结束语：
本文讲述了德国百格拉公司的直角坐标机器人配套超声波扫描仪，在工件探伤中的三例应用。此外，德国百格拉公司的直角坐标机器人还被打量用于 X 射线探伤扫描。类似的应用还有配备 CCD 摄像机来检验和识别一些印刷品的质量。配备激光高度测量仪来对超大物体的三维形状进行测量和检验，如大型铸件和飞机上许多三维铝板等。在许多测量工作中，德国百格拉公司的直角坐标机器人多年来运行非常稳定可靠。用德国百格拉公司的直角坐标机器人和直线运动单元可以很快组装成几乎所需的各种样式尺寸的测试专用机器人，节省时间，人力和费用。北京两家用户用德国百格拉公司的直角坐标机器人和 CCD 摄像机来检验物体，两年来机器人运行非常平稳。随着大批量全自动化生产的迅猛发展及很多产品要在许多生产环节 100% 被检测，这类直角坐标机器人将具有更加广范的市场前景和发展潜力！

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