焊接機(jī)器人在智能制造中的應(yīng)用

胡兆東

摘要： 隨著科技的進(jìn)步，智能制造加快了進(jìn)程。焊接機(jī)器人集數(shù)控、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)于一身，是一種新型焊接方式。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，不僅提升了焊接的品質(zhì)及效率，也改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、有效地控制了企業(yè)的生產(chǎn)成本。本文通過對(duì)焊接機(jī)器人的需求和分類分析提出了其在智能制造中的應(yīng)用及其未來發(fā)展，以期推進(jìn)智能制造的發(fā)展。

Abstract： With the advancement of technology， intelligent manufacturing has accelerated the process. The welding robot integrates numerical control， computer and electronic technology， which is a new type of welding method. The emergence of welding robots has not only improved the quality and efficiency of welding， but also improved the labor intensity of workers and effectively controlled the production costs of enterprises. This article puts forward its application in intelligent manufacturing and its future development through the demand and classification analysis of welding robots， in order to promote the development of intelligent manufacturing.

關(guān)鍵詞： 焊接機(jī)器人;智能制造;技術(shù)

Key words： welding robot;intelligent manufacturing;technology

中圖分類號(hào)：P755.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0203-02

0? 引言

焊接工作是制造業(yè)不可缺少的工作，工作環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，對(duì)職業(yè)技能要求嚴(yán)格，對(duì)操作人員有潛在危害。在這種背景下，焊接機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)有效地解決了供需矛盾，可以節(jié)省大量的人力物力，使操作者能夠全身心投入到更多的創(chuàng)造性工作中。從上世紀(jì)60年代開始，它得到了發(fā)展并逐步投入使用，其關(guān)鍵技術(shù)不斷完善，使其具有性能穩(wěn)定、加工精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1? 焊接機(jī)器人需求分析

在科技變革的浪潮中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為各國(guó)關(guān)注和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)階段，需要提高質(zhì)量和效益。同時(shí)，隨著勞動(dòng)力成本的不斷上升，“機(jī)器換人”現(xiàn)象在工業(yè)領(lǐng)域?qū)乙姴货r。在勞動(dòng)力成本高企的壓力下，利用工業(yè)機(jī)器人改造智能制造已成為發(fā)展趨勢(shì)，也是我國(guó)制造業(yè)的主要戰(zhàn)略之一。

焊接機(jī)器人起源于20世紀(jì)60年代的通用汽車產(chǎn)線，隨后，這種焊接方式在美國(guó)迅速傳播，并快速傳播至歐洲、日本等國(guó)家。中國(guó)市場(chǎng)方面，一汽公司在1984年從德國(guó)引進(jìn)了3臺(tái)庫(kù)卡點(diǎn)焊機(jī)器人，拉開了中國(guó)使用機(jī)器人焊接的序幕;20世紀(jì)90年代，各個(gè)汽車公司都認(rèn)識(shí)到工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)應(yīng)用的好處，開始規(guī)模化的引進(jìn)機(jī)器人。

焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人的末軸裝接焊鉗或焊槍，使之能從事工業(yè)焊接工作，主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。其中，機(jī)器人部分由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成;焊接設(shè)備部分由焊接電源（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。

焊接機(jī)器人是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，開拓了一種柔性自動(dòng)化新方式，其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊接產(chǎn)品的均一性。采用焊機(jī)機(jī)器人焊接時(shí)，對(duì)于每條焊縫、焊點(diǎn)的焊接參數(shù)都是恒定的，焊接質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。②提高焊接生產(chǎn)率。相較于工人，焊接機(jī)器人沒有疲勞度，可連續(xù)一天24小時(shí)工作;此外，隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作，銷量提高更加明顯。③可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作，改善了工人勞動(dòng)條件。④降低了對(duì)工人操作技術(shù)要求，可實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化。⑤產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、存貨等。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，可以將生產(chǎn)計(jì)劃安排的非常明確。

2? 焊接機(jī)器人分類

2.1 按自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展程度分類

自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展程度不同，可以將焊接機(jī)器人分為三類：①示教再現(xiàn)型機(jī)器人，由操作者將完成某項(xiàng)作業(yè)所需的信息通過直接或間接的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行“示教”，由記憶單元將示教過程進(jìn)行記錄，再在一定的精度范圍內(nèi)，重復(fù)再現(xiàn)被示教的內(nèi)容;②具有一定智能、能夠通過傳感手段對(duì)環(huán)境進(jìn)行一定程度的感知，并根據(jù)感知到的信息對(duì)機(jī)器人作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆答伩刂?，?duì)焊槍對(duì)中情況、焊接狀態(tài)等進(jìn)行修正，采用接觸式傳感、結(jié)構(gòu)光視覺等方法實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)尋位與自動(dòng)跟蹤;③除了具有一定的感知能力外，還具有一定的決策和規(guī)劃能力，例如能夠利用計(jì)算機(jī)處理傳感結(jié)果并對(duì)焊接任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。

2.2 按性能指標(biāo)分類

按照機(jī)器人性能指標(biāo)的不同，可將其分為五種：超大型焊接機(jī)器人、大型焊接機(jī)器人、中型焊接機(jī)器人、小型焊接機(jī)器人、超小型焊接機(jī)器人。詳見表1。

2.3 按照機(jī)器人作業(yè)中所采用的焊接方法分類

2.3.1 點(diǎn)焊機(jī)器人

具有有效載荷大、工作空間大的特點(diǎn)，配備有專用的點(diǎn)焊槍，并能實(shí)現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)點(diǎn)焊作業(yè)的要求，其最典型的應(yīng)用是用于汽車車身的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。

2.3.2 弧焊機(jī)器人

因弧焊的連續(xù)作業(yè)要求，需實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，也可利用插補(bǔ)功能根據(jù)示教點(diǎn)生成連續(xù)焊接軌跡，弧焊機(jī)器人除機(jī)器人本體、示教器與控制柜之外，還包括焊槍、自動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)、焊接電源、保護(hù)氣體相關(guān)部件等，根據(jù)熔化極焊接與熔化極焊接的區(qū)別，其送絲機(jī)構(gòu)在安裝位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也有不同的要求。

2.3.3 攪拌摩擦焊機(jī)器人

因其焊接過程中產(chǎn)生的振動(dòng)、對(duì)焊縫施加的壓力、攪拌主軸尺寸、垂向和側(cè)向的軌跡偏轉(zhuǎn)等原因?qū)C(jī)器人提供的正壓力、扭矩，以及機(jī)器人的力覺傳感能力、軌跡控制能力等都提出了較高的要求。

3? 焊接機(jī)器人在智能制造中的主要應(yīng)用

3.1 焊接跟蹤技術(shù)

焊接機(jī)器人能因地制宜地在焊接空間中自動(dòng)尋找與跟蹤焊縫，對(duì)焊縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)實(shí)施跟蹤，實(shí)現(xiàn)焊槍能夠自動(dòng)的對(duì)焊縫的位置實(shí)施自適應(yīng)的控制。焊縫跟蹤技術(shù)的使用，能夠跟蹤傳感電弧電壓，這樣就能夠自動(dòng)的尋找焊縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)，并為焊接的弧長(zhǎng)提供參考點(diǎn)，這樣，在焊接的過程中，機(jī)器人就可以根據(jù)弧長(zhǎng)的變化來感應(yīng)焊接的起點(diǎn)與終點(diǎn)，自動(dòng)的采用電弧傳感器控制電壓自適應(yīng)的對(duì)焊接過程進(jìn)行控制。這種方法可以有效的應(yīng)用于角接接頭的焊接方式，對(duì)于轎車的底盤零件中大量薄板搭接進(jìn)行焊接，也能夠有效的焊接弧長(zhǎng)進(jìn)行控制。

3.2 路徑規(guī)劃及離線編程技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)器人離線編程主要利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)及圖形技術(shù)，通過機(jī)器人能夠識(shí)別的程序語(yǔ)言，構(gòu)建一個(gè)虛擬作業(yè)的工作環(huán)境，在未使用機(jī)器人狀態(tài)之下，進(jìn)行空間及運(yùn)動(dòng)路徑的模擬，從而使機(jī)器人的程序變得更加完善。科學(xué)水平的不斷提升，焊接機(jī)器人智能化已經(jīng)成為社會(huì)建設(shè)工作開展的必然選擇。

3.3 多機(jī)器人協(xié)作控制技術(shù)的應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，單臺(tái)機(jī)器人往往不能充分發(fā)揮作用，不能同時(shí)完成多項(xiàng)工作，這就要求能夠有多臺(tái)機(jī)器人共同協(xié)調(diào)完成焊接工作，因此，對(duì)焊接機(jī)器人與變位機(jī)、弧焊電源等周邊設(shè)備之間進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)焊接過程的柔性化集成，并能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。焊接機(jī)器人與周邊設(shè)備進(jìn)行柔性化協(xié)調(diào)控制，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人的協(xié)調(diào)工作，對(duì)于焊接技術(shù)來說，在施工的過程中，工件的焊縫總會(huì)出現(xiàn)在平焊、橫焊、立焊等焊接位置，如果不能經(jīng)過高效的處理就會(huì)影響工件的焊接品質(zhì)，但是僅僅依靠調(diào)節(jié)焊接機(jī)器人的方位與焊接的姿勢(shì)來進(jìn)行施工，往往是很難達(dá)到滿意的焊接要求，而這些焊縫對(duì)焊接品質(zhì)和焊縫成形都有很大的影響，因此，在焊接的過程中，采用機(jī)器人協(xié)調(diào)控制變位機(jī)能夠有效的調(diào)節(jié)機(jī)器人的焊接位置，能夠有效的對(duì)弧焊電源與工裝夾具進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，這樣就會(huì)提高焊接的效率與焊縫的質(zhì)量。

4? 焊接機(jī)器人未來發(fā)展

4.1 融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與焊接機(jī)器人技術(shù)融合，模擬仿真焊接過程，并通過計(jì)算機(jī)將工藝過程轉(zhuǎn)化成數(shù)字化操作叫在焊接操作之前，進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同的工作狀況，對(duì)各種焊接工藝方案進(jìn)行比較，然后通過分析，選取出最優(yōu)化的方案讓機(jī)器人來進(jìn)行焊接。與真實(shí)焊接相比，虛擬技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以方便的模擬任何訓(xùn)練科目，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以仿真各種復(fù)雜、突發(fā)情況，從而有針對(duì)性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與處理相關(guān)問題的技能。

4.2 自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

智能系統(tǒng)通過對(duì)固有程序以及外部環(huán)境的感知，在不需要任何人員示教的基礎(chǔ)上，機(jī)器人的智能系統(tǒng)進(jìn)行自主判斷并完成思考及學(xué)習(xí)，使人工編程、程序輸入的工作量大幅降低，且在工序復(fù)雜及工作量大的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效焊接，可有效解決人工控制焊接機(jī)器人操作繁瑣、程序繁雜、定位困難、自主性差等問題。通過運(yùn)用自學(xué)習(xí)體系，在特殊工況中，機(jī)器人能根據(jù)實(shí)際情況，逬行數(shù)據(jù)整理分析，合理規(guī)劃出最佳焊接路徑和焊接方法，從而實(shí)現(xiàn)全智能自主化運(yùn)行。

4.3 多智能體系統(tǒng)

多智能體系統(tǒng)將復(fù)雜、單一的操控系統(tǒng)規(guī)劃成具有多元化、層次化、模塊化、能互相傳遞數(shù)據(jù)資料與信息，彼此協(xié)調(diào)，易于管理的智能系統(tǒng)。將其充分融合于焊接工作中，適用于流水線式的焊接工作，以焊接工作站為基礎(chǔ)單元，系統(tǒng)通過統(tǒng)一管理，使多個(gè)智能機(jī)器人之間產(chǎn)生緊密群體合作，共同完成復(fù)雜的目標(biāo)任務(wù)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)操作流水線時(shí)需要對(duì)每個(gè)機(jī)器人單獨(dú)控制，編程的弊端，多智能體技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)解決綜合問題的能力大大提高，打破了人類對(duì)人工智能領(lǐng)域的固化思維，使得流水線焊接機(jī)器人技術(shù)得到飛速發(fā)展。

4.4 多傳感器融合技術(shù)

焊接機(jī)器人需要多傳感信息融合技術(shù)對(duì)工作環(huán)境中的信息進(jìn)行收集和分析來提高焊接系統(tǒng)的精確性、高效性、快速性和可靠性。綜合運(yùn)用全方位視覺傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等先進(jìn)技術(shù)對(duì)于焊接機(jī)器人感知外部環(huán)境、獲取數(shù)據(jù)信息都具有非常重要的作用，最大程度上使機(jī)器人在任何狀況下都能通過反饋數(shù)據(jù)、信息做出相應(yīng)的調(diào)整，零誤差、精準(zhǔn)地完成焊接，這也將大力推動(dòng)未來焊接機(jī)器人向自主化、智能化的發(fā)展。

5? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在智能制作中的相關(guān)分析，認(rèn)識(shí)到焊接機(jī)器人應(yīng)用的能更好保證了勞動(dòng)者的健康、提升焊接的品質(zhì)、保證生產(chǎn)的效能，隨著科技的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)會(huì)得到更好的運(yùn)用，提升智能制造的效率，為制造業(yè)發(fā)展提供更加強(qiáng)大的助力。

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