焊接機(jī)器人及其應(yīng)用

1．焊接機(jī)器人 

   焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個軸的機(jī)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(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。 

1. 焊接機(jī)器人的組成 

   焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人由機(jī)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(diǎn)焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機(jī)器人還應(yīng)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(jī)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(jī)器人基本上都屬關(guān)節(jié)式機(jī)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(jī)器人本體的機(jī)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(diǎn)是上、下臂的活動范圍大，使機(jī)器人的工作空間幾乎能達(dá)一個球體。因此，這種機(jī)器人可倒掛在機(jī)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(jī)器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機(jī)器人的剛度，一般適用于負(fù)載較小的機(jī)器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機(jī)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(jī)器人工作空間比較小（局限于機(jī)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(jī)器人，已能把工作空間擴(kuò)大到機(jī)器人的頂部、背部及底部，又沒有測置式機(jī)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(jī)器人。近年來點(diǎn)焊用機(jī)器人（負(fù)載100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人。 

   上述兩種機(jī)器人各個軸都是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，故采用伺取電機(jī)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(jī)器人都是用直流伺服電機(jī)，而80年代后期以來，各國先后改用交流伺服電機(jī)。由于交流電機(jī)沒有碳刷，動特性好，使新型機(jī)器人不僅事故率低，而且免維修時(shí)間大為增長，加（減）速度也快。一些負(fù)載16kg以下的新的輕型機(jī)器人其工具中心點(diǎn)（TCP）的最高運(yùn)動速度可達(dá)3m/s以上，定位準(zhǔn)確，振動小。同時(shí)，機(jī)器人的控制柜也改用32位的微機(jī)和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運(yùn)行軌跡更加貼近示教的軌跡。 

3．點(diǎn)焊機(jī)器人的特點(diǎn) 
  （1）點(diǎn)焊機(jī)器人的基本功能 點(diǎn)焊對所用的機(jī)器人的要求是不很高的。因?yàn)辄c(diǎn)焊只需點(diǎn)位控制，至于焊鉗在點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動軌跡沒有嚴(yán)格要求。這也是機(jī)器人最早只能用于點(diǎn)焊的原因。點(diǎn)焊用機(jī)器人不僅要有足夠的負(fù)載能力，而且在點(diǎn)與點(diǎn)之間移位時(shí)速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準(zhǔn)確，以減少移位的時(shí)間，提高工作效率。點(diǎn)焊機(jī)器人需要有多大的負(fù)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(fù)載的機(jī)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(jī)器人將焊鉗伸入工件內(nèi)部焊接；另一方面電纜線隨機(jī)器人運(yùn)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。考慮到機(jī)器人要有足夠的負(fù)載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進(jìn)行焊接，一般都選用100～150kg負(fù)載的重型機(jī)器人。為了適應(yīng)連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機(jī)器人增加了可在0.3s內(nèi)完成50mm位移的功能。這對電機(jī)的性能，微機(jī)的運(yùn)算速度和算法都提出更高的要求。 

  （2）點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接裝備 點(diǎn)焊機(jī)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(jìn)行二次整流，用直流電焊接。焊接參數(shù)由定時(shí)器調(diào)節(jié)，參見圖1b。新型定時(shí)器已經(jīng)微機(jī)化，因此機(jī)器人控制柜可以直接控制定時(shí)器，無需另配接口。點(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)焊鉗。焊鉗的張開和閉合由伺服電機(jī)驅(qū)動，碼盤反饋，使這種焊鉗的張開度可以根據(jù)實(shí)際需要任意選定并預(yù)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(diǎn)焊鉗具有如下優(yōu)點(diǎn)： 

1）每個焊點(diǎn)的焊接周期可大幅度降低，因?yàn)楹搞Q的張開程度是由機(jī)器人精確控制的，機(jī)器人在點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動過程、焊鉗就可以開始閉合；而焊完一點(diǎn)后，焊鉗一邊張開，機(jī)器人就可以一邊位移，不必等機(jī)器人到位后焊鉗才閉會或焊鉗完全張開后機(jī)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(shí)間。 

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

4．弧焊機(jī)器人的特點(diǎn) 
  （1）弧焊用機(jī)器人的基本功能 弧焊過程比點(diǎn)焊過程要復(fù)雜得多，工具中心點(diǎn)（TCP），也就是焊絲端頭的運(yùn)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(jī)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(jī)器人就可以用于電弧焊，但是對復(fù)雜形狀的焊縫，用5個軸的機(jī)器人會有困難。因此，除非焊縫比較簡單，否則應(yīng)盡量選用6軸機(jī)器人。 

   弧焊機(jī)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(shí)，其軌跡應(yīng)能貼近示教的軌跡之外，還應(yīng)具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時(shí)選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點(diǎn)處，機(jī)器人也應(yīng)自動停止向前運(yùn)動，以滿足工藝要求。此外，還應(yīng)有接觸尋位、自動尋找焊縫起點(diǎn)位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。  
  （2）弧焊機(jī)器人用的焊接設(shè)備 弧焊機(jī)器人多采用氣體保護(hù)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(jī)器人上作電弧焊。由于機(jī)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(jī)器人生產(chǎn)廠都有自己特定的配套焊接設(shè)備，這些焊接設(shè)備內(nèi)已經(jīng)播人相應(yīng)的接口板、所以在圖1a中的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)中并沒有附加接口箱。應(yīng)該指出，在弧焊機(jī)器人工作周期中電弧時(shí)間所占的比例較大，因此在選擇焊接電源時(shí)，一般應(yīng)按持續(xù)率100％來確定電源的容量。 

   送絲機(jī)構(gòu)可以裝在機(jī)器人的上臂上，也可以放在機(jī)器人之外，前者焊槍到送絲機(jī)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(dāng)機(jī)器人把焊槍送到某些位置，使軟管處于多彎曲狀態(tài)，會嚴(yán)重影響送絲的質(zhì)量。所以送絲機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用 
   國際上80年代是焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中應(yīng)用發(fā)展最快的10年。我國工廠從90年代開始，應(yīng)用焊接機(jī)器人的步伐也顯著加快。應(yīng)該明確，焊接機(jī)器人必須配備相應(yīng)的外圍設(shè)備組成一個焊接機(jī)器人系統(tǒng)才有意義。國內(nèi)外應(yīng)用較多的焊接機(jī)器人系統(tǒng)有如下幾種形式： 

1. 焊接機(jī)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(shí)際生產(chǎn)中，更多的工件在焊接時(shí)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(jī)與機(jī)器人可以是分別運(yùn)動，即變位機(jī)變位后機(jī)器人再焊接；也可以是同時(shí)運(yùn)動，即變位機(jī)一邊變位，機(jī)器人一邊焊接，也就是常說的變位機(jī)與機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動。這時(shí)變位機(jī)的運(yùn)動及機(jī)器人的運(yùn)動復(fù)合，使焊槍相對于工件的運(yùn)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(shí)際上這時(shí)變位機(jī)的軸已成為機(jī)器人的組成部分，這種焊接機(jī)器人系統(tǒng)可以多達(dá)7-20個軸，或更多。最新的機(jī)器人控制柜可以是兩臺機(jī)器人的組合作12個軸協(xié)調(diào)運(yùn)動。其中一臺是焊接機(jī)器人、另一臺是搬運(yùn)機(jī)器人作變位機(jī)用。 

2. 焊接機(jī)器人生產(chǎn)線 
   焊接機(jī)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(diǎn)，即每個站只能用選定的工件夾具及焊接機(jī)器人的程序來焊接預(yù)定的工件，在更改夾具及程序之前的一段時(shí)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(jī)相配合并被自動卡緊。焊接機(jī)器人系統(tǒng)首先對托盤的編號或工件進(jìn)行識別，自動調(diào)出焊接這種工件的程序進(jìn)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(diǎn)固好的工件從存放工位取出，再送到有空位的焊接機(jī)器人工作站的變位機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)際情況及素要而定。焊接專機(jī)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(jī)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(fù)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。