焊接機器人及其應用

1．焊接機器人 

   焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術(shù)語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。 

1. 焊接機器人的組成 

   焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。

2．焊接用機器人的主要結(jié)構(gòu)形式及性能 

   世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關節(jié)式機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器人本體的機械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工作空間幾乎能達一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側(cè)置式機器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機器人的剛度，一般適用于負載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂是通過一根拉桿驅(qū)動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較小（局限于機器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人，已能把工作空間擴大到機器人的頂部、背部及底部，又沒有測置式機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負載100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機器人。 

   上述兩種機器人各個軸都是作回轉(zhuǎn)運動，故采用伺取電機通過擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅(qū)動。在80年代中期以前，對于電驅(qū)動的機器人都是用直流伺服電機，而80年代后期以來，各國先后改用交流伺服電機。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加（減）速度也快。一些負載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心點（TCP）的最高運動速度可達3m/s以上，定位準確，振動小。同時，機器人的控制柜也改用32位的微機和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運行軌跡更加貼近示教的軌跡。 

3．點焊機器人的特點 
  （1）點焊機器人的基本功能 點焊對所用的機器人的要求是不很高的。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求。這也是機器人最早只能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準確，以減少移位的時間，提高工作效率。點焊機器人需要有多大的負載能力，取決于所用的焊鉗形式。對于用與變壓器分離的焊鉗，30～45kg負載的機器人就足夠了。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機器人將焊鉗伸入工件內(nèi)部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停擺動，電纜的損壞較快。因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質(zhì)量在70kg左右�？紤]到機器人要有足夠的負載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進行焊接，一般都選用100～150kg負載的重型機器人。為了適應連續(xù)點焊時焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內(nèi)完成50mm位移的功能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。 

  （2）點焊機器人的焊接裝備 點焊機器人的焊接裝備，由于采用了一體化焊鉗，焊接變壓器裝在焊鉗后面，所以變壓器必須盡量小型化。對于容量較小的變壓器可以用50Hz工頻交流，而對于容量較大的變壓器，已經(jīng)開始采用逆變技術(shù)把50Hz工頻交流變?yōu)?00～700Hz交流，使變壓器的體積減少、減輕。變壓后可以直接用600～700Hz交流電焊接，也可以再進行二次整流，用直流電焊接。焊接參數(shù)由定時器調(diào)節(jié)，參見圖1b。新型定時器已經(jīng)微機化，因此機器人控制柜可以直接控制定時器，無需另配接口。點焊機器人的焊鉗，通常用氣動的焊鉗，氣動焊鉗兩個電極之間的開口度一般只有兩級沖程。而且電極壓力一旦調(diào)定后是不能隨意變化的。近年來出現(xiàn)一種新的電伺服點焊鉗。焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅(qū)動，碼盤反饋，使這種焊鉗的張開度可以根據(jù)實際需要任意選定并預置。而且電極間的壓緊力也可以無級調(diào)節(jié)。這種新的電伺服點焊鉗具有如下優(yōu)點： 

1）每個焊點的焊接周期可大幅度降低，因為焊鉗的張開程度是由機器人精確控制的，機器人在點與點之間的移動過程、焊鉗就可以開始閉合；而焊完一點后，焊鉗一邊張開，機器人就可以一邊位移，不必等機器人到位后焊鉗才閉會或焊鉗完全張開后機器人再移動； 

2）焊鉗張開度可以根據(jù)工件的情況任意調(diào)整，只要不發(fā)生碰撞或干涉盡可能減少張開度，以節(jié)省焊鉗開度，以節(jié)省焊鉗開合所占的時間。 

3）焊鉗閉合加壓時，不僅壓力大小可以調(diào)節(jié)，而且在閉合時兩電極是輕輕閉合，減少撞擊變形和噪聲。 

4．弧焊機器人的特點 
  （1）弧焊用機器人的基本功能 弧焊過程比點焊過程要復雜得多，工具中心點（TCP），也就是焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制。所以，弧焊用機器人除了前面所述的一般功能外，還必須具備一些適合弧焊要求的功能。 

   雖然從理論上講，有5個軸的機器人就可以用于電弧焊，但是對復雜形狀的焊縫，用5個軸的機器人會有困難。因此，除非焊縫比較簡單，否則應盡量選用6軸機器人。 

   弧焊機器人除前面提及的在作“之”字形拐角焊或小直徑圓焊縫焊接時，其軌跡應能貼近示教的軌跡之外，還應具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點處，機器人也應自動停止向前運動，以滿足工藝要求。此外，還應有接觸尋位、自動尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。  
  （2）弧焊機器人用的焊接設備 弧焊機器人多采用氣體保護焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶閘管式、逆變式、波形控制式、脈沖或非脈沖式等的焊接電源都可以裝到機器人上作電弧焊。由于機器人控制柜采用數(shù)字控制，而焊接電源多為模擬控制，所以需要在焊接電源與控制柜之間加一個接口。近年來，國外機器人生產(chǎn)廠都有自己特定的配套焊接設備，這些焊接設備內(nèi)已經(jīng)播人相應的接口板、所以在圖1a中的弧焊機器人系統(tǒng)中并沒有附加接口箱。應該指出，在弧焊機器人工作周期中電弧時間所占的比例較大，因此在選擇焊接電源時，一般應按持續(xù)率100％來確定電源的容量。 

   送絲機構(gòu)可以裝在機器人的上臂上，也可以放在機器人之外，前者焊槍到送絲機之間的軟管較短，有利于保持送絲的穩(wěn)定性，而后者軟管校長，當機器人把焊槍送到某些位置，使軟管處于多彎曲狀態(tài)，會嚴重影響送絲的質(zhì)量。所以送絲機的安裝方式一定要考慮保證送絲穩(wěn)定性的問題。 

2．焊接機器人的應用 
   國際上80年代是焊接機器人在生產(chǎn)中應用發(fā)展最快的10年。我國工廠從90年代開始，應用焊接機器人的步伐也顯著加快。應該明確，焊接機器人必須配備相應的外圍設備組成一個焊接機器人系統(tǒng)才有意義。國內(nèi)外應用較多的焊接機器人系統(tǒng)有如下幾種形式： 

1. 焊接機器人工作站（單元） 
   如果工件在整個焊接過程中無需變位，就可以用夾具把工件定位在工作臺面上，這種系統(tǒng)既是最簡單不過的了。但在實際生產(chǎn)中，更多的工件在焊接時需要變位，使焊縫處在較好的位置（姿態(tài)）下焊接。對于這種情況，變位機與機器人可以是分別運動，即變位機變位后機器人再焊接；也可以是同時運動，即變位機一邊變位，機器人一邊焊接，也就是常說的變位機與機器人協(xié)調(diào)運動。這時變位機的運動及機器人的運動復合，使焊槍相對于工件的運動既能滿足焊縫軌跡又能滿足焊接速度及焊槍姿態(tài)的要求。實際上這時變位機的軸已成為機器人的組成部分，這種焊接機器人系統(tǒng)可以多達7-20個軸，或更多。最新的機器人控制柜可以是兩臺機器人的組合作12個軸協(xié)調(diào)運動。其中一臺是焊接機器人、另一臺是搬運機器人作變位機用。 

2. 焊接機器人生產(chǎn)線 
   焊接機器人生產(chǎn)線比較簡單的是把多臺工作站（單元）用工件輸送線連接起來組成一條生產(chǎn)線。這種生產(chǎn)線仍然保持單站的特點，即每個站只能用選定的工件夾具及焊接機器人的程序來焊接預定的工件，在更改夾具及程序之前的一段時間內(nèi)，這條線是不能焊其他工件的。 

   另一種是焊接柔性生產(chǎn)線（FMS-W）。柔性線也是由多個站組成，不同的是被焊工件都裝卡在統(tǒng)一形式的托盤上，而托盤可以與線上任何一個站的變位機相配合并被自動卡緊。焊接機器人系統(tǒng)首先對托盤的編號或工件進行識別，自動調(diào)出焊接這種工件的程序進行焊接。這樣每一個站無需作任何調(diào)整就可以焊接不同的工件。焊接柔性線一般有一個軌道子母車，子母車可以自動將點固好的工件從存放工位取出，再送到有空位的焊接機器人工作站的變位機上。也可以從工作站上把焊好的工件取下，送到成品件流出位置。整個柔性焊接生產(chǎn)線由一臺調(diào)度計算機控制。因此，只要白天裝配好足夠多的工件，并放到存放工位上，夜間就可以實現(xiàn)無人或少人生產(chǎn)了。 

   工廠選用哪種自動化焊接生產(chǎn)形式，必須根據(jù)工廠的實際情況及素要而定。焊接專機適合批量大，改型慢的產(chǎn)品，而且工件的焊縫數(shù)量較少、較長，形狀規(guī)矩（直線、圓形）的情況；焊接機器人系統(tǒng)一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復雜。柔性焊接線特別適合產(chǎn)品品種多，每批數(shù)量又很少的情況，目前國外企業(yè)正在大力推廣無（少）庫存，按訂單生產(chǎn)（JIT）的管理方式，在這種情況下采用柔性焊接線是比較合適的。