百格拉直角坐标机器人在无损检测行业的部分应用

一 直角坐标 机器人 介绍

机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业 自动化 设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。直角坐标机器人是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。

直角坐标机器人主要由一些直线运动单元，驱动电机，控制系统和末端操作器组成。针对不同的应用，可以方便快速组合成不同维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从食品生产到汽车装配等各行各业的自动化生产线中，都有各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任几乎所有的工业自动化任务。下面是其主要特点：

1任意组合成各种结构样式，带载能力和尺寸的机器人，
2采用多根直线运动单元级连和齿轮齿条传动，可以形成几十米的超大行程机器人。
3采用多根直线运动单元平连及各带多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。
4 其最大运行速度可达到每秒8米，加速度可达到每秒4米。
5 重复定位精度可达到0.05mm或0.01mm。
6 采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂轨迹的工作。

德国百格拉公司是世界上最著名的直角坐标机器人供应商之一，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无损检测。在超大批量生产中，每个产品的主要功能，或整个产品的所有功能都要经过严格的100%的检测。而且检测周期要很短，来满足超大批量生产的要求。下面介绍几个采用直角坐标机器人对产品的检验应用案例。

二 案例一----圆柱形航空部件无损探伤检测

对于一些圆柱形的工件及设备，要达到全方位的检测就非常的困难。本项目中为对航空飞船的圆柱形部件进行无损检测,该部件高1000mm，φ500,需要进行从下到上的360度全面检测。由于需要对该工件进行360度的检测，并且检测头与工件要求时时保持固定的距离，所以对该机器人重复定位精度的要求就比较高，为0.05mm.

机器人方面我们选用的为德国百格拉二维直角坐标机器人, 两个方向均采用PAS42形导轨,其中X方向选择为PAS42BRM1000,Z方向选择为PAS42BRM500.旋转轴为德国百格拉VRDM31117步进电机加减速比为8的NEUGART减速机和一些辅助连接件构成的转台.具体结构如图一所示。

图一

控制系统我们采用的为德国ENGERHART公司的三轴数控系统进行控制,X轴与Z轴电机均采用德国百格拉公司SER31122伺服电机与减速比为8的NEUGART减速机来控制.由于整套设备采用了德国百格拉公司伺服电机与德国百格拉公司直角坐标机器人,所以完全保证了整个系统的精度,甚至于在整个系统重复定位精度检测中多次检测到了u级精度,大大提高了检测的质量. [p]

该系统的整个工作过程如下:首先数控系统控制X,Z两轴联动,运动于最下方的检测位置,到达位置后通过I/O口控制检测头工作,然后控制旋转轴以一定的速度旋转一周进行检测.以上完成了一圈的检测,然后Z轴上移一定距离,进行下一圈的检测,以后以此类推,最后完成整个检测.

三 案例二-----超大型圆柱类钢件无损探伤扫描

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。

机器人方面我们选用的为德国百格拉二维直角坐标机器人, 两个方向均采用PAS42形导轨,其中X方向选择为PAS42BRM1000,Z方向选择为PAS42BRM500.其中X轴我们选择的电机为百格拉SER31122伺服电机加上减速比为的64的NEUGART减速机.Z轴我们选择的电机为百格拉SER31122伺服电机加上减速比为64的NEUGART减速机.控制系统我们选择的德国ENGERHART三轴数控系统。

整个系统的工作过程为旋转轴带动长约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。

四 案例三-----对仪表板进行无损探伤扫描。

该系统要求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。该设备要求可对部件从上到下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。检测工件的最大范围为5400*5400*400 mm.

该套系统选用德国百格拉三维直角坐标机器人,其中X轴选择为PAS44BRM5400,Y轴选择为PAS44BRM5400,Z轴选择为PAS44BRM400,同时,由于跨度为5400,所以对于Y轴我们选择双导轨结构,并且每200mm加固连接板的结构来防止挠度的出现。在Z轴下端上我们装配可旋转超声探头,探头旋转角度是0~360°。具体结构如图三所示，图四为检测后的工件。

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。

五 总结及展望

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大量用于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！