怎樣應(yīng)對焊接機器人應(yīng)用中的問題

1、前言

　　隨著社會的發(fā)展和科技的進步，機器人在社會各個領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，而應(yīng)用最多的則是工業(yè)機器人。工業(yè)機器人自60年代初問世以來，經(jīng)過了40多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，成為汽車制造業(yè)生產(chǎn)自動化中主要的機電一體化設(shè)備。

制造行業(yè)應(yīng)用機器人的主要目的在于削減生產(chǎn)人員編制、提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強度及提高產(chǎn)品質(zhì)量。機器人與傳統(tǒng)的機器相比，具有兩個主要優(yōu)點：

1) 容易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動化。
2) 對生產(chǎn)設(shè)備的高度適應(yīng)能力。

2、焊接機器人

　　焊接機器人是目前最大的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域。由于汽車制造業(yè)對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等指標提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時的火花及煙霧等，對人體造成危害，因此，焊接過程的完全自動化已成為重要的研究課題，其中，最為重要的就是要應(yīng)用焊接機器人。

3、接機器人在長安汽車股份公司的應(yīng)用

3．1、KUKA機器人在十萬輛面包車焊接線上的應(yīng)用

　　1996年，長安汽車股份公司新建十萬輛SC6331系列微型面包車焊接生產(chǎn)線，該線首次引進德國KUKA公司的KRC32型6軸氣動點焊機器人，應(yīng)用在工藝要求最高的車架和成車焊接線上。在原有手工焊接線上，車架增焊工位和成車增焊工位由于焊點數(shù)量多、焊接零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是制約全線生產(chǎn)的瓶頸工位，工人作業(yè)時間長、勞動強度大、設(shè)備故障率高、焊點質(zhì)量不穩(wěn)定且容易造成碰壓傷，嚴重制約了全線的生產(chǎn)速度，產(chǎn)品質(zhì)量也得不到保證。

　　引進KUKA點焊機器人后，首先，十萬輛焊接線的生產(chǎn)節(jié)拍大幅提高，微型面包車的單班生產(chǎn)數(shù)量大幅增加，達到手工焊接線產(chǎn)量的5倍；其次，工人的勞動強度得到大幅降低，工作時間大大縮短，工作條件得到極大改善；第三、微型面包車質(zhì)量得到顯著提高，車身碰壓傷大為降低；第四、KUKA焊接機器人故障率極低，備件供應(yīng)充足，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，操作維護容易，大量節(jié)約了設(shè)備維護人員，節(jié)約了人力資源。

3．2、COMAU、KUKA、OTC機器人在8萬輛長安之星焊接線上的應(yīng)用

　　在成功引進KUKA焊接機器人后，長安汽車股份公司在SC6350－“長安之星”八萬輛焊接生產(chǎn)線上再次引進焊接機器人，其中包括意大利COMAU公司H4型伺服點焊機器人，意大利COMAU公司H1型螺柱焊機器人，日本OTC弧焊機器人，KUKA公司KRC型檢測機器人。

　　SC6350八萬輛焊接線上機器人的應(yīng)用水平先進，伺服焊鉗機器人、弧焊機器人、檢測機器人都是目前國內(nèi)汽車行業(yè)機器人應(yīng)用水平最先進的代表。

　　其中，檢測機器人采用目前國際上先進的在線檢測方式，應(yīng)用檢測技術(shù)世界領(lǐng)先的德國Perceptron公司的檢測設(shè)備與系統(tǒng)穩(wěn)定性最高的德國KUKA機器人相整合，在主線（成車）焊接線的最后一個工位在線實時檢測每一個“長安之星”白車身，以控制車身尺寸精度。檢測系統(tǒng)設(shè)計白車身正常尺寸偏差±2mm，白車身尺寸超差時，生產(chǎn)線將要報警提示，并且檢測系統(tǒng)中將存儲每個白車身的測量數(shù)據(jù)，以供離線分析。

　　弧焊機器人采用日本OTC公司的DR系列七軸焊機器人，OTC機器人本體設(shè)計小巧，結(jié)構(gòu)簡單明了，弧焊功能齊全，特別適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件氣體保護焊接。如SC6350系列微車構(gòu)架總成上的連接橫梁的弧焊，由于該橫梁為圓形，需要進行圓周焊接，且該部件位置較低，人工焊接勞動強度極大，氣體保護焊又屬于有毒作業(yè)，采用OTC弧焊機器人克服了這些嚴重制約生產(chǎn)、無法保證產(chǎn)品質(zhì)量、損害操作者身體健康的缺點。

　　另一個值得關(guān)注的是高精度、高可靠性的伺服點焊機器人的引進，該型號機器人選用COMAU公司H4型點焊機器人，整合SIAKY伺服焊鉗系統(tǒng)，焊點焊接質(zhì)量穩(wěn)定、定位精確。伺服焊鉗與氣動焊鉗相比最突出的特點，是在焊接過程中，伺服焊鉗的焊接質(zhì)量高，焊點成形好，極大改善了白車身的焊接質(zhì)量，使“長安之星”當之無愧成為中國的微車精品。

4、焊接機器人的應(yīng)用經(jīng)驗

　　焊接機器人在長安公司汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用已有七年時間，根據(jù)實際應(yīng)用，以下一些經(jīng)驗供大家一起研究：

4．1、焊接機器人的使用，必須滿足安全要求

　　焊接機器人能夠代替人類在危險、有害的惡劣環(huán)境中作業(yè)，同時又帶來了另一種潛在的危險，即機器人傷人事故。為此，在焊接機器人在線運行時，絕對不能有人進入其運動安全范圍所在區(qū)域，并且其運動區(qū)域內(nèi)應(yīng)該保證無干涉，這是焊接機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意焊接機器人的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對策。例如現(xiàn)在我們正在使用的安全措施：

(1)為焊接機器人及其周邊設(shè)備安裝安全防護欄，以防止有人進入危險區(qū)域造成意外傷害。

(2)在安全護欄入口的安全門上設(shè)置插拔式電接點開關(guān)，該開關(guān)與焊接機器人的安全回電路相連接，一旦安全門打開，機器人控制器將切斷機器人的驅(qū)動電源，機器人立即停止運動。

(3)在距焊接機器人所在工位最近的地方，安裝多個緊急停止開關(guān)，一旦發(fā)生緊急或危險情況，工作人員可以就近按下急停，讓機器人停止運動。

(4)示教作業(yè)時降低焊接機器人的運動速度，并由經(jīng)過專業(yè)技術(shù)操作培訓(xùn)的人員進行示教。

(5)焊接機器人安全電路與生產(chǎn)線安全電路聯(lián)為一體，當生產(chǎn)線遇到緊急情況時，生產(chǎn)工人可以按下該線上任何工位的緊急停止開關(guān)，讓機器人停止運動。

4．2、焊接機器人的控制裝置

　　雖然焊接機器人本身擁有非常完善的控制系統(tǒng)，但每臺焊接機器人作為一個獨立的自動化設(shè)備系統(tǒng)，在一條生產(chǎn)線或一個生產(chǎn)系統(tǒng)中永遠都只是一個從屬的工作站，必須要有相應(yīng)的外部控制裝置對其進行遠程控制，以適應(yīng)自動化流水作業(yè)生產(chǎn)線上各種自動化設(shè)備之間同步、有序的生產(chǎn)要求。

　　焊接機器人常用的相關(guān)控制裝置有可編程序控制器和在線監(jiān)控裝置。

　　可編程控制器對生產(chǎn)線上包括焊接機器人在內(nèi)的各種自動化設(shè)備的工作進行協(xié)調(diào)與配合，從而有序地實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。

　　在線監(jiān)控裝置是操作者與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的人機接口，它從生產(chǎn)系統(tǒng)中采集實時數(shù)據(jù)，并可以有條件地對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實時修改，因而達到實時監(jiān)視生產(chǎn)線現(xiàn)場情況、遠程實時控制生產(chǎn)線運行的目的。使用在線監(jiān)控裝置能夠方便地發(fā)出作業(yè)指令，啟動或停止包括焊接機器人在內(nèi)的所有自動化設(shè)備，并實時了解生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)。

　　長安公司8萬輛長安之星焊接線上，采用西門子WINCC在線監(jiān)控系統(tǒng)和西門子可編程控制器，所有的焊接機器人除了受自身控制系統(tǒng)的控制自動運行外，還必須接受可編程控制器和WINCC在線監(jiān)控系統(tǒng)的遠程控制，以保證與生產(chǎn)線其它自動設(shè)備的同步運行。

4．3、焊接機器人系統(tǒng)的擴展

　　為了滿足長安公司八萬輛“長安之星”焊接線的實際需求，COMAU公司在進行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，同時考慮到了生產(chǎn)線系統(tǒng)的穩(wěn)定性與白車身產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，最終選用的焊接機器人具有以下擴展功能：

(1)增加外部滑動軸

　　焊接機器人的外部滑動軸與其它6個基本軸一樣，均含有伺服驅(qū)動器和伺服電機，與相應(yīng)的機械傳動裝置相配合，可以有效擴大機器人的活動范圍，并且能夠在復(fù)雜或狹窄的空間內(nèi)達到最佳的作業(yè)姿態(tài)，還可以通過示教來任意定位，以保持最高的定位精度。在點焊實際應(yīng)用中，包含外部軸驅(qū)動的焊接機器人能夠準確到達所需焊點位置，并達到最佳焊接姿態(tài)，因而點焊效果更好而無噪聲和焊滴飛濺，焊接后的焊點外形美觀、焊接質(zhì)量高。

　　例如，八萬輛焊接線主線730總拼工位，采用全自動的零部件裝配與焊接工藝，該工位共有6臺COMAU焊接機器人，要完成左/右側(cè)圍與車架的裝配及整個白車身的焊接，加之工位包含了頂蓋裝配、車架裝配及其它零件的裝配，夾具、輸送裝置、自動焊鉗等裝置眾多，空間極其有限，為了保證成車組焊，共有4臺機器人采用了滑臺式外部軸，以在狹窄的空間內(nèi)，高質(zhì)量、高速度、最安全地完成所有工作。

(2)弧焊中的擺動焊接

　　弧焊機器人通過軟件的正確設(shè)置，可以在沿焊縫前進的同時，焊絲尖端實現(xiàn)橫向擺動，擺動的方式、頻率及幅度等均可按工藝要求進行設(shè)定，從而達到提高弧焊質(zhì)量的目的。

(3)機器人的工具自動切換

　　同樣是在八萬輛焊接線730工位，為了節(jié)約工作場地、縮短工作時間，15號(16號)焊接機器人同時要完成總拼工位白車身的焊接工作，又要負責從側(cè)圍生產(chǎn)線將側(cè)圍部件抓起來并放到主線與車架、頂蓋組裝，因而這兩臺焊接機器人采用了世界領(lǐng)先的“槍/手”自動切換技術(shù)，由可編程控制器在生產(chǎn)線需要時控制機器人進行伺服焊鉗和抓手工具的自動切換。這樣，一臺機器人可以完成兩臺機器人需要完成的工作，既節(jié)約了成本又節(jié)約了場地。

4．4、機器人的編程

　　長安公司十萬輛焊接線上的KUKA機器人，其編程采用WINDOWS操作系統(tǒng)下的APS軟件，必須在WINDOWS環(huán)境下進行運動程序的上載及下載；八萬輛焊接線上的COMAU機器人的編程采用任意文本編輯器，再經(jīng)過編譯后，用PCINT計算機仿真軟件將程序下載到機器人控制器。這兩種機器人編程的共同特點是均可以實現(xiàn)離線編程、在線示教，為生產(chǎn)線的設(shè)計與仿真提供了有力幫助。不同之處在于，COMAU機器人采用了類似PASCAL高級編程語言的語言結(jié)構(gòu)，對于學(xué)習(xí)過計算機編程語言的人來說，可以非�？焖佟⑷菀椎乩斫�，接受一些最基本的培訓(xùn)后，即可以編制相當完善的機器人控制程序。而KUKA機器人采用其專用的機器人編程語言，技術(shù)人員必須接受KUKA公司專業(yè)的編程培訓(xùn)，才能勝任編程工作。OTC機器人的控制程序編程則相對容易，基本采用簡單、易懂的運動指令，意義一目了然。

4．5、伺服焊鉗的成功引進

　　十萬輛焊接線上應(yīng)用的5臺KUKA點焊機器人，均采用氣動點焊鉗進行車體焊接，由于焊鉗電極帽存在磨損的問題，控制系統(tǒng)采用計算焊點數(shù)，對焊接電流進行遞增式補償?shù)姆椒�。從原理上講，這是一種開環(huán)方式的補償方法，并不能實際反映焊鉗電極帽的真實損耗情況，因而車體焊接質(zhì)量存在一定的不穩(wěn)定性。

　　八萬輛焊接線上，所有COMAU點焊機器人均采用SIAKY的伺服焊鉗及控制系統(tǒng)。伺服焊鉗作為機器人的一個外部軸存在，在機器人控制系統(tǒng)中增加一套驅(qū)動軟件，該外部軸就與其它六個基本軸一樣，完全受機器人控制器的控制。這樣，該外部軸與其它六軸一起融為一體，機器人控制系統(tǒng)通過外部軸的驅(qū)動軟件，可以實時計算該軸的真實位置。實際應(yīng)用中，在完成每一個車體的焊接工作后，機器人控制系統(tǒng)將對這個外部軸-伺服焊鉗，執(zhí)行自動校正功能，通過檢查該軸(伺服焊鉗)的實際零點位置是否發(fā)生變化來確認電極帽是否磨損，這樣確保了焊接壓力的自動閉環(huán)控制，使車體焊接質(zhì)量穩(wěn)定性大幅提高。

4．6、應(yīng)用焊接機器人實現(xiàn)柔性生產(chǎn)

　　長安公司微型汽車種類多、品種復(fù)雜，在以往手工生產(chǎn)線上，如果需要混線生產(chǎn)同一型號不同種類的車型，人工焊接速度因工件、工具的差別而大大降低，生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品質(zhì)量也隨之呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

　　引進焊接機器人后，只需預(yù)先編制好適應(yīng)不同車型生產(chǎn)所需的若干套不同的運動與焊接程序，機器人將根據(jù)生產(chǎn)線的工作指令，自動調(diào)用相應(yīng)的工作程序與不同車體焊接所需的工具，即能自動適應(yīng)生產(chǎn)線上車型的復(fù)雜變化，即使是八萬輛焊接線上高頻次、多種類車型的混線生產(chǎn)，也能應(yīng)付自如。絕不會因為單班多種車型混線生產(chǎn)而產(chǎn)生手工線極易出現(xiàn)的錯焊、漏焊以及誤調(diào)整或不調(diào)整焊接規(guī)范等經(jīng)常出現(xiàn)的車體焊接質(zhì)量事故，生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)速度也絲毫不會降低。焊接機器人的廣泛應(yīng)用，為長安公司的汽車制造實現(xiàn)柔性自動化生產(chǎn)帶來了前所未有的生機。

5、焊接機器人在應(yīng)用中存在的問題

　　盡管焊接機器人在長安公司的汽車制造生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，使汽車焊接質(zhì)量得到了極大改善，有效提高了企業(yè)的勞動生產(chǎn)效率，但仍有很多方面的問題值得我們?nèi)ミM一步研究和改善。

5．1、位置偏移后重新示教的問題

　　示教再現(xiàn)型焊接機器人如果發(fā)生焊接位置偏移時，必須進行在線示教然后再現(xiàn)運行，這個工作現(xiàn)在需要占用大量的生產(chǎn)時間。如果能夠利用先進的計算機動態(tài)仿真技術(shù)對其進行離線示教和仿真，將是焊接機器人應(yīng)用的一次革命性的改善。

5．2、弧焊機器人焊縫跟蹤的問題。

　　示教再現(xiàn)型弧焊機器人進行弧焊時，不能對焊縫進行動態(tài)跟蹤反饋，因而焊縫有細微變化時，不能保證焊縫質(zhì)量，如果能夠應(yīng)用智能技術(shù)，動態(tài)跟蹤焊縫狀態(tài)，就能有效保證弧焊質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

5．3、焊接機器人的備件問題。

　　目前，由于國內(nèi)機器人的應(yīng)用還不是非常廣泛，國內(nèi)機器人技術(shù)還有待于長足進步，機器人的專用部件國內(nèi)還不能自行設(shè)計制造，長安公司大量應(yīng)用焊接機器人后，配件問題成為機器人應(yīng)用中最令人頭痛的問題。因為機器人的部件多屬專用部件(尤其是電器控制部分)，技術(shù)水平要求相當高，因而必須從國外進口，而進口的機器人備件價格高企，國內(nèi)代理公司大多不愿因大量預(yù)采購而造成資金積壓，進口備件的時間周期又長，給汽車生產(chǎn)線造成了相當大的困難。

5．4、機器人的校軸過程占用過多時間。

　　長安公司所應(yīng)用的KUKA、COMAU、OTC機器人，其軸的校正過程均需耗費比較長的時間，對于流水化的自動生產(chǎn)線來說，其停機所造成的經(jīng)濟損失非常巨大。如果能夠應(yīng)用高智能化的檢測手段，使機器人在其軸的基本參數(shù)丟失或變化后，能夠自動快速恢復(fù)到發(fā)生故障前的狀態(tài)，將給自動化生產(chǎn)線帶來巨大的生產(chǎn)效益

5．5、機器人電器控制系統(tǒng)的問題。

　　長安公司所應(yīng)用的三種焊接機器人，其本體的機械可靠性及制造水平均相當高，本體出現(xiàn)故障(指機械故障)的概率極其微小。然而，相比之下，電氣控制系統(tǒng)的故障率卻非常高，最容易出現(xiàn)的部分是驅(qū)動部分的電路及元器件，另外接插件的故障頻率也相當高。

　　當今世界上的機器人控制電路集成化程度已越來越高，控制技術(shù)的不斷進步已使控制部分故障率大為降低。但對于汽車制造中的焊接作業(yè)這種環(huán)境惡劣、作業(yè)強度極大、電壓波動較大的應(yīng)用來說，如果能針對汽車生產(chǎn)的具體情況，進一步提高系統(tǒng)集成化程度，進一步增強系統(tǒng)抗干擾的能力，長安公司在未來應(yīng)用大量機器人實現(xiàn)完全無人化生產(chǎn)線的理想將變?yōu)楝F(xiàn)實。

5．6、機器人與其它設(shè)備或工位上障礙物碰撞問題。

　　在長安公司的兩條焊接線上，均出現(xiàn)過多次因為信號交換失誤而發(fā)生機器人與機器人碰撞、機器人與其它設(shè)備或障礙物碰撞的事故。經(jīng)過事后分析機器人工作程序，發(fā)現(xiàn)目前機器人控制系統(tǒng)在處理信號交換時，都采用外部I/O信號來交換彼此的工作狀態(tài)，信號檢測還只是以一個“點”的方式測量，即在某一運動程序行中，確認某一個交換信號是否存在來決定機器人是否繼續(xù)下面的工作，而不是在一個運動區(qū)域中持續(xù)檢測其它障礙物或機器人狀態(tài)，這樣，一旦檢測過程結(jié)束而機器人的運動軌跡發(fā)生錯誤或信號交換不正常時，碰撞就發(fā)生了。

　　現(xiàn)在機器人的應(yīng)用規(guī)模越來越大，多臺機器人在狹窄空間內(nèi)協(xié)同工作的場合越來越多，彼此之間信號交換已變得極其平常，如果能夠在機器人的控制系統(tǒng)中，采用類似微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的后臺處理方式來實時監(jiān)測其它障礙物或機器人的工作狀態(tài)，以決定機器人是否應(yīng)該繼續(xù)在有可能干涉的區(qū)域內(nèi)工作，碰撞問題應(yīng)能夠得到有效的控制，甚至徹底解決這個問題。

　　綜上所述，焊接機器人使汽車制造業(yè)大批量、高效率、高質(zhì)量進行流水線汽車制造提供了有利保障，同時，焊接機器人在實際應(yīng)用中暴露出來的問題，也促使我們不斷努力學(xué)習(xí)先進技術(shù)，不斷尋求更加有效的手段，讓焊接機器人為中國的汽車制造業(yè)做出更大貢獻。