工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)及研究

王立忠

摘要：在我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用愈加廣泛，在節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)的人力成本投入的同時(shí)，也大大提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。而在工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)生產(chǎn)中，焊接工作就是其主要應(yīng)用方向，因此對(duì)工業(yè)機(jī)器人的焊接生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人使用的重要基礎(chǔ)。本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，對(duì)其焊接生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究，為工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人的使用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;焊接生產(chǎn)線(xiàn);設(shè)計(jì);要點(diǎn)

0? 引言

工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)械裝置，是適用于多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或者是多自由度的功能性機(jī)器，具有自動(dòng)執(zhí)行工作的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了高度重視。工業(yè)機(jī)器人中包含移動(dòng)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光加工機(jī)器人、真空機(jī)器人以及潔凈機(jī)器人等等，而在工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的機(jī)器人種類(lèi)就是點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人。在機(jī)器人焊接作業(yè)開(kāi)展中，前提基礎(chǔ)就是對(duì)焊接生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)與研究，是保證機(jī)器人正常運(yùn)行的前提。

1? 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及其焊接工藝介紹

工業(yè)機(jī)器人作為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的現(xiàn)代機(jī)械裝置，為我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展做成了巨大貢獻(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代機(jī)械的重要代表，其主要結(jié)構(gòu)組成分為三個(gè)方面：即主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人的主體就是其基座和執(zhí)行機(jī)械組織，包括機(jī)械臂、機(jī)械腕和機(jī)械手，甚至有部分工業(yè)機(jī)器人還具備行走機(jī)構(gòu)[1]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)，是工業(yè)機(jī)器人正常使用的動(dòng)力基礎(chǔ)。最后的控制系統(tǒng)就是生產(chǎn)指令輸入的程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)工作的指令基礎(chǔ)。

焊接是工業(yè)機(jī)器人主要的生產(chǎn)作業(yè)之一，現(xiàn)階段的工業(yè)機(jī)器人焊接使用中，其主要的焊接工藝就是電阻焊和電弧等，而在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較為廣泛的就是電阻焊和電弧焊。電阻焊的焊接原理就是利用電極電流以工件為載體實(shí)現(xiàn)熱量的傳輸，進(jìn)而給電極之間的焊接結(jié)構(gòu)施加熱能，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接部件的加熱融化，最終實(shí)現(xiàn)金屬焊接。而電弧焊則和電阻焊有一定的區(qū)別，主要就是在其兩者之間的熱效率和焊縫上，電阻焊的熱效率更高，并且焊縫也更為致密，在現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的焊接工藝使用中，如果沒(méi)有特殊要求，多采用電阻焊進(jìn)行作業(yè)，以提升工業(yè)焊接的質(zhì)量。在工業(yè)機(jī)器人的焊接過(guò)程中，多采用點(diǎn)焊的方式進(jìn)行，并且需要對(duì)焊接部件的表面狀態(tài)、焊槍電極壓力以及加熱溫度進(jìn)行全面把控，避免這三方面影響工業(yè)機(jī)器人電阻焊過(guò)程中的接觸電阻。在工業(yè)機(jī)器人的焊接工藝中，需要焊接生產(chǎn)線(xiàn)的前提基礎(chǔ)，為其焊接作業(yè)的開(kāi)展奠定生產(chǎn)線(xiàn)基礎(chǔ)，保證對(duì)焊接部件焊接作業(yè)的順利開(kāi)展，因此在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人焊接使用時(shí)，首要的任務(wù)就是對(duì)工業(yè)機(jī)器人的焊接生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，為工業(yè)機(jī)器人焊接作業(yè)的順利開(kāi)展提供保障。

2? 工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在工業(yè)機(jī)器人的焊接生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其主要的設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容包含了三個(gè)方面，即仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)?；诖?，在工業(yè)機(jī)器人的焊接生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中，就需要對(duì)這三個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)著重考慮，以保證其設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性。

首先，工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的仿真設(shè)計(jì)中，主要是通過(guò)ROBCAD進(jìn)行的，是一種現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)軟件，主要應(yīng)用在生產(chǎn)線(xiàn)的概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及仿真設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[2]。工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，就要應(yīng)用ROBCAD的仿真3D模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)修改，保證焊接生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的整體效果。在工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要包含對(duì)ROBCAD中仿真模型的夾具運(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)構(gòu)和機(jī)械工具運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)步驟就是在ROBCAD的Modeling模塊中打開(kāi)動(dòng)作設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)，然后分別創(chuàng)建Link、Axis以及Joint，Link創(chuàng)建中要設(shè)計(jì)兩個(gè)Link，然后通過(guò)Axis對(duì)焊接生產(chǎn)線(xiàn)仿真系統(tǒng)中的機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行定義，然后以Joint定義運(yùn)動(dòng)步驟，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人夾具運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的設(shè)計(jì)。在工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還要根據(jù)其焊接作業(yè)的實(shí)際情況對(duì)機(jī)器人的焊槍類(lèi)型進(jìn)行選擇，主要有同樣長(zhǎng)度上下電極臂構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)形式呈現(xiàn)為張開(kāi)式上下弧形運(yùn)動(dòng)的X型焊槍和上下電極臂直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的C型焊槍?zhuān)鶕?jù)機(jī)器人的實(shí)際焊接作業(yè)進(jìn)行科學(xué)化的設(shè)計(jì)選擇。然后，還要在ROBCAD中對(duì)機(jī)器人和焊槍的結(jié)合以及生產(chǎn)線(xiàn)中的布局進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，機(jī)器人與焊槍結(jié)合中主要是采用ROBCAD中的Mount功能實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合，保證焊槍隨機(jī)器人軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)焊接作業(yè)的實(shí)際需求，在ROBCAD中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行布局，并要進(jìn)行機(jī)器人碰撞區(qū)測(cè)試，以保證工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)作業(yè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)碰撞的情況。

其次，工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)所在，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)焊接作業(yè)自動(dòng)化控制的重要基礎(chǔ)。在工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)硬件組態(tài)設(shè)計(jì)是首要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是以機(jī)器人臺(tái)數(shù)以及CPU作為系統(tǒng)PLC的從站和主站進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。以我國(guó)工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中常用的CPU為例：其CPU型號(hào)為416F-3PN/DP作為工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的PLC主控制器，將所需要的機(jī)器人臺(tái)數(shù)進(jìn)行編號(hào)作為從站，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PLC對(duì)機(jī)器人的外圍設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行全面控制，以實(shí)現(xiàn)其焊接作業(yè)。在硬件組態(tài)設(shè)計(jì)完成后，就要以圖形編程語(yǔ)言進(jìn)行PLC順序控制流程的設(shè)計(jì)，目前階段使用的主要圖形編程語(yǔ)言就是S7-GRAPH。在順序控制流程設(shè)計(jì)結(jié)束后，就要對(duì)工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的焊接作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)、區(qū)分，以保證每臺(tái)焊接機(jī)器人都能夠完成其焊接作業(yè)。這時(shí)，就要使用到Graph程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，然后分別根據(jù)焊接生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中每臺(tái)機(jī)器人焊接作業(yè)的區(qū)分，對(duì)其焊接作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

最后，工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用ROBCAD機(jī)器人仿真軟件對(duì)焊接生產(chǎn)線(xiàn)的主要模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括了夾具、焊槍以及模型動(dòng)作，將設(shè)計(jì)好的動(dòng)作模型與機(jī)器人進(jìn)行的結(jié)合，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人布局和控制進(jìn)行了分析。然后又在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)器人的控制程序進(jìn)行了順序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的全面控制。這些都屬于工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的離線(xiàn)設(shè)計(jì)，主要實(shí)地焊接生產(chǎn)線(xiàn)的布局以及機(jī)器人的作業(yè)動(dòng)作等進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在最后，就是要將離線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)施到現(xiàn)場(chǎng)之中，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施期，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中對(duì)設(shè)計(jì)不足的位置進(jìn)行修正。要先根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備的安裝，然后將ROBCAD的仿真數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器人設(shè)置之中，并將離線(xiàn)程序也下載到機(jī)器人控制之中。完成后，還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以保證仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行。在PLC離線(xiàn)控制程序的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中也是如此，但是相比較于ROBCAD的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般修改較小，具有很高的適用性。

3? 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中焊接作業(yè)的主要從業(yè)機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要從仿真系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及最后系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的修正三個(gè)方面著手，保證生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李恒，張翅，黃智泉，等.中部槽機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2019，38（5）：145-146.

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