工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化焊接工藝開發(fā)

關(guān)紅剛 寧紅巖

【摘 要】焊接機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)線最常用的機(jī)器人之一，在未來的制造業(yè)將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用和前景，這是因?yàn)楹腿斯げ僮飨啾?，焊接機(jī)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。因此，闡述了工業(yè)機(jī)器人的概念、未來發(fā)展特點(diǎn)，研究了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的范圍，從焊接、裝配、搬運(yùn)和檢測(cè)四個(gè)方面分析了工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；焊接；開發(fā)

引言

工業(yè)機(jī)器人是以自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化裝置，過去的焊接機(jī)器人主要基于電氣技術(shù)，沒有對(duì)環(huán)境的應(yīng)對(duì)能力?，F(xiàn)在的焊接機(jī)器人利用傳感器功能，對(duì)環(huán)境有著一定適應(yīng)能力，體現(xiàn)出了智能化的趨勢(shì)。而未來的焊接機(jī)器人將會(huì)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(tái)工業(yè)機(jī)器人投入使用以來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展已經(jīng)了有了近60年的歷史。

1、工業(yè)機(jī)器人分類

工業(yè)機(jī)器人是一種在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)化加工設(shè)備，根據(jù)其技術(shù)等級(jí)、結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)類型及功能可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行不同分類。按其技術(shù)等級(jí)，工業(yè)機(jī)器人可分為：示教再現(xiàn)機(jī)器人、感知機(jī)器人及智能機(jī)器人。其中，示教再現(xiàn)機(jī)器人是一種可重復(fù)再現(xiàn)通過示教編程存儲(chǔ)起來的作業(yè)程序的機(jī)器人；感知機(jī)器人具有一定的環(huán)境感知能力，在一定程度上能適應(yīng)環(huán)境變化的一類機(jī)器人；智能機(jī)器人一般指具有感覺要素、運(yùn)動(dòng)要素以及思考要素能自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。按結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系，工業(yè)機(jī)器人可分為：直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、極坐標(biāo)型機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；極坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

2、工業(yè)機(jī)器人發(fā)展特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人是為工業(yè)生產(chǎn)制造服務(wù)的，它主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。第一，可以編程。生產(chǎn)自動(dòng)化還可以進(jìn)一步發(fā)展，以此達(dá)到柔性啟動(dòng)化。這樣。工業(yè)機(jī)器人就可以隨著生產(chǎn)場(chǎng)景的變化進(jìn)行程序的二次開發(fā)和在編寫，這對(duì)于柔性制造具有重要作用。第二，可以擬人。工業(yè)機(jī)器人的主要用途為代替人員進(jìn)行重復(fù)和重負(fù)荷的操作，特別是操作一些高精度要求，還有高危險(xiǎn)性的工作[1]。因此，工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中充分參考人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)功能，像機(jī)器人都有類似人的大臂、小臂、手腕、手爪等。隨著技術(shù)的精進(jìn)，現(xiàn)在很多工業(yè)機(jī)器人配備了“生物傳感器”，通過對(duì)觸感、力量、視覺、聲音、語言等的感知，增強(qiáng)對(duì)周遭環(huán)境的判斷與適應(yīng)能力。第三，具有通用性，這是根據(jù)機(jī)器人的作用范圍而言的。工業(yè)機(jī)器人作為成熟的標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其自身結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)均為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。通過更換不同末端執(zhí)行器，可使工業(yè)機(jī)器人完成不同作業(yè)任務(wù)。此外，縱觀工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，我們可以看到它是多種技術(shù)綜合起作用的。它的發(fā)展，必將還會(huì)反作用于這些技術(shù)，推動(dòng)它們不斷前進(jìn)。

3、焊接機(jī)器人的故障分析

焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，機(jī)械性能、成本因素、能耗功率、可移動(dòng)性、動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等都是要充分考慮的。尤其是機(jī)器人要在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作，如何克服噪音和振動(dòng)等因素就是要充分考慮的問題。在機(jī)器人設(shè)計(jì)中，我們?cè)絹碓桨l(fā)現(xiàn)，仿生學(xué)的作用愈發(fā)明顯，機(jī)器人和人類一樣，在本質(zhì)上都是物質(zhì)決定意識(shí)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(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生的各種障礙一樣，機(jī)器人在工作狀態(tài)下也會(huì)遭遇因?yàn)樵荚O(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境考慮不周而發(fā)生的問題。比如人類在進(jìn)化過程中，因?yàn)榄h(huán)境的改變可能會(huì)發(fā)生職業(yè)病，比如闌尾的設(shè)計(jì)就是進(jìn)化的多余產(chǎn)物，機(jī)器人也是如此，設(shè)計(jì)是根據(jù)特定的環(huán)境，可能會(huì)因?yàn)橥话l(fā)環(huán)境的變化而產(chǎn)生故障，因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)器人仍然按照原有程式運(yùn)作。在焊接機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性和機(jī)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?yàn)樵絹碓揭鹑藗兊闹匾?，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人因?yàn)榕袛鄦栴}而錯(cuò)誤操作。

4、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

4.1、機(jī)器人焊接應(yīng)用

焊接機(jī)器人承擔(dān)的就是焊接工作。根據(jù)焊接工藝的不同，可以選擇不同類型的焊接機(jī)器人。在工業(yè)生產(chǎn)中，常見的焊接機(jī)器人一般包括點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人以及激光焊接機(jī)器人等。汽車制造是其應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，點(diǎn)焊以及弧焊機(jī)器人使用的頻率很高。在汽車制造中，車輛整體的焊接點(diǎn)大約有四千個(gè)。且不說焊接難度，只從數(shù)量上看，車輛焊接任務(wù)量就非常龐大。如果依靠人工，那就需要投入非常多的勞動(dòng)力。焊接工作本就要求精細(xì)，車輛作為人的代步工具，它對(duì)焊接的質(zhì)量要求就更高。所以，為節(jié)約時(shí)間、節(jié)省勞動(dòng)力資源以及保障車輛焊接質(zhì)量，在汽車焊接工作中就可以充分利用焊接機(jī)器人。還要加大研發(fā)力度，加強(qiáng)焊接機(jī)器人在其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.2、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(jī)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(shí)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(bào)警裝置，一旦發(fā)生問題及時(shí)調(diào)節(jié)，要分析伺服驅(qū)動(dòng)器的故障形式，避免機(jī)器人在錯(cuò)誤狀態(tài)下進(jìn)行操作。同時(shí)，還要確保所有產(chǎn)品經(jīng)過合格檢驗(yàn)，控制人為因素，所有部件都要通過嚴(yán)格的測(cè)試和可靠分析，針對(duì)法蘭松動(dòng)、伺服電機(jī)異常噪聲、不能啟動(dòng)等情況重點(diǎn)治理。

4.3、機(jī)器人裝配應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中，零部件安裝也是一項(xiàng)任務(wù)量龐大的工作。這就需要大量的勞動(dòng)力參與。機(jī)器人作為節(jié)省人力的重要手段，可以科學(xué)研發(fā)能夠承擔(dān)此項(xiàng)工作的機(jī)器人。所以，裝配機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生。它最主要的功能就是用于生產(chǎn)線上的零部件安裝。裝配機(jī)器人的研發(fā)綜合了多種技術(shù)，包括通訊、光學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械和微電子技術(shù)。研發(fā)人員根據(jù)相應(yīng)的安裝流程，給機(jī)器人編寫合適的程序。就目前在工業(yè)生產(chǎn)來說，安裝機(jī)器人主要用于電器制造業(yè)、汽車制造業(yè)。這兩個(gè)行業(yè)普遍的特點(diǎn)就是零部件安裝任務(wù)量大，而且復(fù)雜。安裝機(jī)器人功能完備，在安裝時(shí)精準(zhǔn)度強(qiáng)悍，靈活性也大，所以我們選用這種方式。如汽車的后視鏡、前后擋風(fēng)玻璃等零件的生產(chǎn)。

4.4、系統(tǒng)分析

焊接機(jī)器人的本體是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般采用6個(gè)或者7個(gè)焊接自由度關(guān)節(jié)，機(jī)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(jī)、保護(hù)氣、焊絲、氣管及各種線纜等。控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，設(shè)計(jì)中要保持程序的穩(wěn)定性，確保操作無誤。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)上，一般可以采用直流電機(jī)，這樣噪音小，時(shí)間長，運(yùn)轉(zhuǎn)快，具有速度優(yōu)勢(shì)。一般采用PID控制送絲器，確保焊絲和機(jī)器人的絕緣。焊絲從焊盤上拉取出來的時(shí)候會(huì)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(huì)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(jī)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(jì)中都要予以考慮，確保各個(gè)子系統(tǒng)的獨(dú)立性，通過有效的串聯(lián)模型串聯(lián)各個(gè)模塊。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）