近幾年來，中國工業(yè)正在進(jìn)行著一場“機(jī)器人化”的革命，特別是在弧焊領(lǐng)域，2005年以后，機(jī)器人以平均每年130％的速度遞增。本文對焊接機(jī)器人在自動化生產(chǎn)的優(yōu)勢、焊接機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展、焊接機(jī)器人自動化應(yīng)用的問題與解決、焊接機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用實例四個方面做了簡單的介紹。

 

1、焊接機(jī)器人在自動化生產(chǎn)的優(yōu)勢

 

機(jī)器人從誕生到現(xiàn)在，使用多的是在焊接領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，到2007年底全世界在役的焊接機(jī)器人安裝總量已接近4O萬臺。焊接機(jī)器人作為一種先進(jìn)的焊接設(shè)備，其應(yīng)用得到了大力的推廣，是使我國焊接業(yè)進(jìn)入自動化時代的一個重要標(biāo)志。

 

隨著科技水平的進(jìn)步，人們對焊接質(zhì)量的要求也越來越高。自動化生產(chǎn)要求減少人力，提高產(chǎn)品一致性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更適合大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。而人工焊接時，由于受到技術(shù)水平、疲勞程度、責(zé)任心、生理極限等客觀和主觀因素的應(yīng)影響，難以較長時間保持焊接工作的穩(wěn)定性和一致性。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術(shù)工人更有短缺的趨勢?？梢哉f，焊接機(jī)器人很大程度上滿足了焊接自動化的要求，自動化生產(chǎn)方面的優(yōu)勢可以總結(jié)為以下幾條：

 

(1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度和干伸長量等對焊接結(jié)果有著決定作用。采用機(jī)器人焊接時，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量穩(wěn)定。而人工焊接時，焊接速度、干伸長量等都是變化的，很難做到質(zhì)量的均一性。

 

(2)改善了勞動條件。采用機(jī)器人焊接，工人只需要裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、炯霧和飛濺等。對于點焊來說，工人無需搬運笨重的手工焊鉗，使工人從高強(qiáng)度的體力勞動中解脫出來。

 

(3)提高勞動生產(chǎn)率。機(jī)器人可24h連續(xù)生產(chǎn)。隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，采用機(jī)器人焊接，效率提高得更為明顯。

 

(4)產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是同定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。

 

(5)縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應(yīng)的設(shè)備投資。可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機(jī)器人與專機(jī)的區(qū)別就是可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。

 

2、焊接機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展

 

電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程的自動化提供了有利的條件，并己滲透到焊接的各個領(lǐng)域。從嚴(yán)格意義上講，焊接機(jī)器人是一個焊接機(jī)器人系統(tǒng)或工作站，包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、焊機(jī)系統(tǒng)及送絲單元、變位機(jī)、裝夾具等部件。典型的焊接機(jī)器人系統(tǒng)有三種形式：焊接機(jī)器人工作站、焊接機(jī)器人生產(chǎn)線、焊接專機(jī)。焊接機(jī)器人工作站一般適用于中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜；焊接機(jī)器人生產(chǎn)線特別適合在產(chǎn)品品種多，每批數(shù)量又很少的情況下采用；焊接專機(jī)適用于批量大、改型慢的產(chǎn)品，對焊縫數(shù)量較少，焊縫較長，形狀規(guī)則的工件也較為適用。選用哪種自動化焊接生產(chǎn)形式，需根據(jù)企業(yè)的實際情況而定。

 

近年來，弧焊逆變器的技術(shù)已趨于成熟，機(jī)器人專用弧焊逆變電源大多為單片微機(jī)控制的IGBT弧焊逆變器，并配以精細(xì)的波形控制和模糊控制技術(shù)，工作頻率20-50kHz，可達(dá)220kHz。焊接系統(tǒng)具有優(yōu)良的動特性，適合機(jī)器人自動化和智能化焊接。弧焊電源的發(fā)展不斷向著數(shù)字化方向邁進(jìn)，焊接機(jī)器人焊接電源的發(fā)展方向是采用全數(shù)字化焊機(jī)。這種焊接電源的特點是焊接參數(shù)穩(wěn)定，受網(wǎng)絡(luò)電壓波動、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有較高的重復(fù)性，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成形良好，加之DSP的響應(yīng)速度快，可以根據(jù)主控制系統(tǒng)的指令(給定值)精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能，可以滿足多種焊接方法對電源的要求。

 

曹樂中在《ROMAT76AW焊接機(jī)器人技術(shù)改造》一文中提到變位機(jī)的改造。單臺機(jī)器人在長度方向的焊接范圍只有6800mm，不能完成SS9型等電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接工作。變位機(jī)用于焊接件的旋轉(zhuǎn)變位。變位機(jī)的型號為WPR25000N，頭架固定，尾架可沿導(dǎo)軌移動，承重2．5t，可旋轉(zhuǎn)至任意角度。將變位機(jī)的導(dǎo)軌加長1．6m，要求導(dǎo)軌對接良好。導(dǎo)軌加長后，變位機(jī)的頭架與尾架之間的距離為9．更新變位機(jī)第八軸(變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸)驅(qū)動電機(jī)(原為直流伺服電機(jī))，3m。驅(qū)動形式為交流伺服驅(qū)動，確保工件在變位過程中動作平穩(wěn)、無竄動，從而提高焊縫處于船型位置的焊接性能。

 

3、焊接機(jī)器人自動化應(yīng)用的問題與解決

 

目前應(yīng)用中的焊接機(jī)器人仍然是“示教再現(xiàn)型”，其焊接路徑和工藝參數(shù)是預(yù)先設(shè)置的，對作業(yè)條件的一致性要求非常嚴(yán)格，并且在焊接過程中缺少對外部信息傳感反饋和實時調(diào)節(jié)的功能。然而，實際焊接過程中的環(huán)境和條件的變化是不可避免的，如焊接工件加工和裝配誤差造成接頭位置、焊縫間隙和尺寸的分散性，示教軌跡與實際焊縫的差異、焊接過程中熱變形、熔透及焊縫成形不穩(wěn)定等因素都會引起焊接質(zhì)量的波動，并導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。為了克服焊接過程中各種不確定性因素對精密焊接質(zhì)量的影響，迫切需要采用信息反饋、智能控制等技術(shù)提高現(xiàn)行焊接機(jī)器人的適應(yīng)性或智能化水平，使之能實現(xiàn)初始焊位識別與自主導(dǎo)引、實時焊縫糾偏與跟蹤，焊接熔池動態(tài)特征信息獲取、工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)和焊縫成形的實時控制，即實現(xiàn)機(jī)器人焊接過程的自主智能控制，從而彌補(bǔ)焊接機(jī)器人在自動焊接方面的不足。

 

陳善本等人運用人工智能技術(shù)模擬實現(xiàn)焊工觀察、判斷與操作行為功能，研究基于視覺信息傳感的焊接機(jī)器人對初始焊接位置識別與自主導(dǎo)引、焊縫跟蹤、熔池動態(tài)過程及焊縫成形智能控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制局部環(huán)境自主智能焊接機(jī)器人LAIWR（局部環(huán)境自主智能焊接機(jī)器人即Local Autonomous Intelligent Welding Robot）集成系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于航天裝備重要結(jié)構(gòu)件的焊接制造。為了實現(xiàn)對LAIWR系統(tǒng)諸多硬件組件和功能軟件的優(yōu)化管理和協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的自主控制智能功能。

 

隨著對機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人領(lǐng)域的不斷拓展，機(jī)器人仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計和研究的安全可靠、靈活方便的工具，在本領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。《OPENGL在工業(yè)機(jī)器人動態(tài)仿真中的應(yīng)用》一文結(jié)合6R(旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))焊接機(jī)器人，對6R機(jī)器人仿真系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行了探討。并給出了開發(fā)的仿真界面和系統(tǒng)圖形交互的過程。實現(xiàn)多自由度、多關(guān)節(jié)機(jī)器人的動態(tài)仿真，達(dá)到考查研究多自由度、多關(guān)節(jié)機(jī)器人的目的。

 

《視覺傳感鋁合金脈沖MIG焊熔寬控制系統(tǒng)》一文中，描述了針對鋁合金在焊接過程中熱積累作用強(qiáng)、恒參數(shù)焊接時容易產(chǎn)生各種缺陷的問題，設(shè)計了模糊專家控制系統(tǒng)。通過CCD獲得熔池的圖像以及相應(yīng)的圖像處理軟件計算出熔寬的大小，然后該模糊控制器控制焊接熱輸入，專家系統(tǒng)負(fù)責(zé)脈沖參數(shù)匹配，從而維持熔寬不變，即保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，適應(yīng)于自動化的生產(chǎn)要求。

 

其他的措施包括對焊接機(jī)器人外圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造、焊接工藝改造、。在鋼結(jié)構(gòu)等現(xiàn)場施工中，結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，除常規(guī)的圓形、方形的工件外，還有間斷不連續(xù)的、橢圓形的、外形漸變的工件以及厚壁、大型工件，要想根本解決現(xiàn)場的自動化焊接，充分發(fā)揮焊接機(jī)器人的現(xiàn)場施工利用率，提高焊接效率，難度是比較大的。通過總結(jié)“鳥巢”的現(xiàn)場焊接實踐和后續(xù)大量的焊接工程實踐，研發(fā)了RHC-2、RHC-3系列柔性軌道焊接機(jī)器人，可選用直導(dǎo)軌、圓導(dǎo)軌、柔性導(dǎo)軌實現(xiàn)各種復(fù)雜曲面的全位置焊接，設(shè)計出在線焊縫軌跡示教、在線全位置焊接參數(shù)控制、離線焊接參數(shù)設(shè)置等職能控制程序，并開發(fā)自主學(xué)習(xí)開放式專家系統(tǒng)，可以適應(yīng)不規(guī)則焊縫的軌跡跟蹤，實現(xiàn)多層多道焊及全位置焊的自動化焊接。

 

4、焊接機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用實例

 

弧焊機(jī)器人工業(yè)中的主要應(yīng)用分布在船舶的制造、汽車零部件、摩托車、自行車、薄板五金等行業(yè)，另外在以工程機(jī)械為豐的中厚板行業(yè)也在不斷擴(kuò)大弧焊機(jī)器人的應(yīng)用。

 

焊接自動化是船舶產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和升級的關(guān)鍵。經(jīng)過十多年艱苦不懈的努力，我國造船自動焊接技術(shù)取得了長足進(jìn)步和豐碩成果。眾所周知，造船焊接技術(shù)是現(xiàn)代船舶制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，在船體建造中，焊接工時約占船體建造總工時的30％~40％，焊接成本約占船體建造總成本的30％-50％。船舶焊接質(zhì)量是評價船舶質(zhì)量的重要指標(biāo)，焊接效率直接影響到造船周期和船舶建造成本。因此焊接自動化將是船舶產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和升級的關(guān)鍵，也是造船行業(yè)的一大趨勢，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展這種趨勢還將越來越明顯。