焊接機器人可靠性技術(shù)的研究

趙世通

摘 要：焊接機器人是工業(yè)生產(chǎn)線最常用的機器人之一，在未來的制造業(yè)將會有更廣泛的應(yīng)用和前景，這是因為和人工操作相比，焊接機器人操作更快、效率更高、成本更低、更加精準(zhǔn)，而且比人工操作更為安全。為了確保焊接質(zhì)量和工業(yè)安全，提升焊接機器人的可靠性就至關(guān)重要，文章從技術(shù)角度對如何提升焊接機器人工作的可靠性進行了分析。

關(guān)鍵詞：焊接機器人；工業(yè)機器人；可靠性；技術(shù)

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0141-02

Abstract： Welding robot is one of the most commonly used robots in industrial production line. It will have more extensive application and prospect in the future manufacturing industry， because compared with manual operation， welding robots operate faster， more efficiently， more cheaply， more accurately， and are safer than manual operations. In order to ensure the welding quality and industrial safety， it is very important to improve the reliability of the welding robot. This paper analyzes how to improve the reliability of the welding robot from the technical point of view.

Keywords： welding robot； industrial robot； reliability； technology

工業(yè)機器人是以自動化技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化裝置，過去的焊接機器人主要基于電氣技術(shù)，沒有對環(huán)境的應(yīng)對能力?，F(xiàn)在的焊接機器人利用傳感器功能，對環(huán)境有著一定適應(yīng)能力，體現(xiàn)出了智能化的趨勢。而未來的焊接機器人將會大大增加視覺、觸覺、聽覺等傳感器功能，大大提升自主工作能力，甚至建立學(xué)習(xí)能力。從1961年第一臺工業(yè)機器人投入使用以來，機器人技術(shù)發(fā)展已經(jīng)了有了近60年的歷史。1970年代，焊接機器人被大量使用，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)自動化的飛躍，在全球汽車生產(chǎn)線中，焊接機器人發(fā)揮著不可替代的巨大作用。和人類相比，焊接機器人穩(wěn)定性好、精確度高、快捷可靠，但是畢竟機器人不具有人類自動識別故障的智能，而且是一個集成多種技術(shù)、多自由度高度復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，所以必須要采用可靠性技術(shù)來排除故障。

1 焊接機器人的技術(shù)特點分析

1.1 焊接機器人相對于人類的優(yōu)勢

第一，能夠代替人類從事危險作業(yè)，大幅改善工人的勞動條件，降低對人類的損害，可以從事人類不能到達的惡劣環(huán)境作業(yè)，比如毒氣坑道、軍事區(qū)域、無氧空間等。第二，在較高生產(chǎn)率下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性生產(chǎn)，統(tǒng)一產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品質(zhì)量具有均一性。這在汽車工業(yè)尤為顯著，自從1969年通用汽車使用了第一批點焊機器人以來，全球汽車企業(yè)都已經(jīng)大規(guī)模發(fā)展了焊接機器人技術(shù)。第三，操作簡單，精度高，改變過去了人工操作可能產(chǎn)生誤差的狀況，目前全球數(shù)百萬臺電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等機器人在負載能力、重負定位精度、作業(yè)范圍、工作穩(wěn)定性等指標(biāo)上不斷刷新記錄；并且在焊接任務(wù)智能規(guī)劃、焊接動態(tài)過程傳感與控制、焊接配套設(shè)備（焊接電源、焊槍/焊鉗）等實現(xiàn)了更高程度的焊接自動化與智能化，能在短時間內(nèi)完成任務(wù)，并且提供完整參數(shù)，比如，有些機器人能夠在焊接過程中完成實時焊縫跟蹤；此外焊接工作站或生產(chǎn)線的多機器人協(xié)作技術(shù)、極限環(huán)境下的機器人焊接技術(shù)的應(yīng)用，體現(xiàn)了人類無法代替的高強度、高精度、復(fù)雜工序高效作業(yè)、惡劣或極限工況下施焊等方面的決定性優(yōu)勢。

1.2 國內(nèi)外焊接機器人發(fā)展現(xiàn)狀

作為工業(yè)機器人技術(shù)的誕生地，美國焊接機器人數(shù)量巨大，在十年前就超過了15萬臺。而制造業(yè)頂尖的德國在同一時期焊接工業(yè)機器人數(shù)量甚至超過美國，受到勞動密集型產(chǎn)業(yè)模式影響，我國的焊接機器人數(shù)量減少，僅有幾千臺。在各國的工業(yè)機器人當(dāng)中，超過一半為焊接機器人。除了汽車領(lǐng)域，焊接機器人在能源、建筑、開采、加工、工程、農(nóng)業(yè)、運輸、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，這是由于其穩(wěn)定性和高精度決定的。焊接機器人廣泛推廣的根本原因不僅是其高精度和穩(wěn)定性，更在于高效率和低成本，甚至采用模塊化操作，將機器臂連接在設(shè)備，并且通過現(xiàn)場總線接口與機器人控制系統(tǒng)連接。目前的焊接機器人主要應(yīng)用了如下的技術(shù)：可視編程技術(shù)實現(xiàn)簡單操作，比

如KUKA機器人可以實現(xiàn)將簡單明了的焊接指令和可視操作界面結(jié)合起來，用高分辨率觸摸屏大大增強了操作的方便性。軌度精度技術(shù)，采用焊制工藝確保每條工作都在正確的位置。傳感器技術(shù)，機器人為各種任務(wù)都準(zhǔn)備了精密的傳感器技術(shù)，確保在焊接過程中實時修整機器人的焊接軌跡。

1.3 焊接機器人可靠性技術(shù)分析

目前國內(nèi)外焊接機器人可靠性方面的著作較少，這是因為技術(shù)保密的緣故，總體來說，電子程序已經(jīng)有了較為成熟的系統(tǒng)模式，但是機械部件和機電設(shè)備的可靠性方法還不夠成熟，本文的研究就是致力于這一方面的發(fā)展。目前國內(nèi)外以故障樹分析法（FTA）為主，這種方法的原理是由于多數(shù)安全問題都是零部件或者操作問題所致，在此基礎(chǔ)上進行研究簡單可靠，清晰明了。目前國外機器人研究越來越多集中重復(fù)的精度上，在系統(tǒng)程序可靠性提升的基礎(chǔ)上，重點研究機械裝置的操縱可靠性。我國焊接機器人的可靠性技術(shù)還主要集中在產(chǎn)品生命周期的全過程管理當(dāng)中，通過可靠性設(shè)計來提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，和國外還有一定差距。

2 焊接機器人的故障分析

2.1 設(shè)計因素

焊接機器人的設(shè)計越來越復(fù)雜，機械性能、成本因素、能耗功率、可移動性、動態(tài)特性和動力驅(qū)動等都是要充分考慮的。尤其是機器人要在高速運轉(zhuǎn)下工作，如何克服噪音和振動等因素就是要充分考慮的問題。在機器人設(shè)計中，我們越來越發(fā)現(xiàn)，仿生學(xué)的作用愈發(fā)明顯，機器人和人類一樣，在本質(zhì)上都是物質(zhì)決定意識的產(chǎn)物，或者說都是按照一定程式在特定觸發(fā)環(huán)境下去工作的。和人類運動能夠產(chǎn)生的各種障礙一樣，機器人在工作狀態(tài)下也會遭遇因為原始設(shè)計對環(huán)境考慮不周而發(fā)生的問題。比如人類在進化過程中，因為環(huán)境的改變可能會發(fā)生職業(yè)病，比如闌尾的設(shè)計就是進化的多余產(chǎn)物，機器人也是如此，設(shè)計是根據(jù)特定的環(huán)境，可能會因為突發(fā)環(huán)境的變化而產(chǎn)生故障，因為此時機器人仍然按照原有程式運作。在焊接機器人系統(tǒng)穩(wěn)定性和機械可靠性以及操作安全性越來越提高的今天，這種環(huán)境變化而產(chǎn)生故障因為越來越引起人們的重視，這可能會導(dǎo)致機器人因為判斷問題而錯誤操作。

2.2 分析原則

機器人故障分析一般采用故障樹分析法，將系統(tǒng)故障原則從頂層總體到下層細分，逐個排查，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，通過對于多個故障的分析最終實現(xiàn)解決問題的目的。故障樹分析法是把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的失效狀態(tài)作為頂事件，分析歸納出所有可能導(dǎo)致頂事件的中間事件，再找出所有可能導(dǎo)致這些中間故障事件的直接原因，以此逐層推導(dǎo)，一直找到所有可能引起部件發(fā)生故障的底事件，并運用對應(yīng)的邏輯門和符號把頂事件、中間事件及底事件串聯(lián)起來，形成一幅由上到下的樹狀邏輯關(guān)系圖，即故障樹。本文也以故障樹分析法為基本方法，在此基礎(chǔ)稍作改進，通過熟悉系統(tǒng)、調(diào)查事故、確定頂事件、分析原因、繪制事故樹、定性分析、計算頂事件概率、定量分析，結(jié)合模糊分析方法進行具體分析。

2.3 分析過程

大部分機器人由機器人本體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)等部分構(gòu)成，我們已經(jīng)說過焊接機器人應(yīng)用最大的領(lǐng)域是汽車領(lǐng)域，主要向各大廠商提供零部件。機器人的故障的分析首先要確保外磁場穩(wěn)定、系統(tǒng)動力供給正常、操作無失誤，然后具體分析機器人本體故障、控制系統(tǒng)故障、焊接系統(tǒng)故障和驅(qū)動系統(tǒng)故障。

3 焊接機器人可靠性技術(shù)保障

3.1 系統(tǒng)分析

焊接機器人的本體是執(zhí)行機構(gòu)，一般采用6個或者7個焊接自由度關(guān)節(jié)，機器人末端有復(fù)雜的焊接附件，比如示教器、變壓器、焊槍、送絲機、保護氣、焊絲、氣管及各種線纜等?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于機器人的大腦，設(shè)計中要保持程序的穩(wěn)定性，確保操作無誤。動力驅(qū)動上，一般可以采用直流電機，這樣噪音小，時間長，運轉(zhuǎn)快，具有速度優(yōu)勢。一般采用PID控制送絲器，確保焊絲和機器人的絕緣。焊絲從焊盤上拉取出來的時候會產(chǎn)生一定的阻力，焊絲長度越大，送絲阻力越大。這些非線性阻力會在操作中產(chǎn)生不確定因素，比如加壓滾輪架變形失效、加壓滾輪磨損失效、鉸鏈變形失效、矯直輪變形失效、送絲電機故障、減速箱故障、送絲輪變形失效、壓簧變形失效、導(dǎo)向部件零件變形失效等。在系統(tǒng)設(shè)計中都要予以考慮，確保各個子系統(tǒng)的獨立性，通過有效的串聯(lián)模型串聯(lián)各個模塊。

3.2 工藝可靠性分析

為了確保焊接的穩(wěn)定性，要確保引弧容易，電弧平穩(wěn)，參數(shù)穩(wěn)定，焊弧調(diào)節(jié)范圍一致，保持電源相數(shù)的穩(wěn)定、三相整流橋的完好。要提升可靠性除了編程技術(shù)，更為重要的是傳感器技術(shù)，賦予機器人足夠的觸覺、視覺和力覺感應(yīng)，比如給予足夠大的感抗是縮小電壓過零熄弧時間，要確保焊弧回路值能夠自由調(diào)節(jié)，滿足變壓性能，建立傳感器失靈報警裝置，一旦發(fā)生問題及時調(diào)節(jié)，要分析伺服驅(qū)動器的故障形式，避免機器人在錯誤狀態(tài)下進行操作。同時，還要確保所有產(chǎn)品經(jīng)過合格檢驗，控制人為因素，所有部件都要通過嚴(yán)格的測試和可靠分析，針對法蘭松動、伺服電機異常噪聲、不能啟動等情況重點治理。

4 結(jié)束語

焊接機器人可靠性技術(shù)關(guān)鍵在于設(shè)計階段的嚴(yán)謹(jǐn)和后期操作維護保養(yǎng)嚴(yán)格遵循操作流程，各個控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，加強傳感器技術(shù)的研發(fā)，建立傳感器報警功能，一旦偏離預(yù)定程式就及時調(diào)整。

參考文獻：

[1]曾聲奎.可靠性設(shè)計與分析[M].國防工業(yè)出版社，2011.

[2]史志勇.工業(yè)弧焊機器人可靠性分析[D].東北大學(xué)，2011.

[3]張炯，陳韶飛.焊接機器人設(shè)計時需要注意的問題[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（18）：88.

[4]汪吉東.焊接夾具在焊接機器人當(dāng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（29）：160-161.