焊接机器人：优化焊接生产的首选

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接机器人突破了焊接刚性自动化的传统生产方式，开拓了一种柔性自动化生产方式，使小批量产品自动化焊接生产成为可能。典型的焊接机器人组成如图8-9所示。为了使机械手充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当其中一台进行焊接作业时，另一台则完成工件的装卸，从而提高整个系统效率。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。此外，还有激光焊接机器人。

焊接机器人突破了焊接刚性自动化的传统生产方式，开拓了一种柔性自动化生产方式，使小批量产品自动化焊接生产成为可能。由于机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需要示教一次，随后即可以准确地再现示教动作。如果机器人去做另一项焊接工作，只需置新示教即可。

焊接机器人可以稳定和提高焊接质量，保证其均匀性；提高劳动生产率，一天可保证24 h连续生产，改善工人劳动条件，可在有害环境下工作，降低对工人操作技术的要求；缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；可实现小批量产品的焊接自动化，能在空间站建设、核设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业；为焊接柔性生产线提供技术基础。

在实际焊接过程中，作业条件是经常变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置与尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均。为了克服机器人焊接工作中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。

1.焊接机器人的系统组成

焊接机器人系统一般由机械手，变位机，控制器，焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等），焊接传感器，中央控制计算机和相应的安全设备等组成。典型的焊接机器人组成如图8-9所示。

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图8-9　典型的焊接机器人组成

机械手是焊接机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、连杆、关节及内部传感器（编码盘）等组成。由于具有6个旋转关节的关节式机器人已被证明能在机构尺寸相同情况下其工作空间最大，并且能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而在焊接领域中得到广泛应用。

变位机作为机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊工件旋转（平移）到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具来装卡和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机械手充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当其中一台进行焊接作业时，另一台则完成工件的装卸，从而提高整个系统效率。

机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢，其组成如图8-10所示，它由计算机硬件、软件和一些专用电路组成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。

焊接系统是焊接机器人完成作业的核心装备，由焊钳（点焊机器人）、焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通信联系。用于弧焊机器人的焊接电源及送丝设备由于参数选择的需要，必须由机器人控制器直接控制。

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图8-10　焊接机器人控制系统的组成

在焊接过程中，尽管机械手、变位机等能达到很高的精度，但由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差，以及焊接过程中产生的热引起工件的变形，传感器仍是焊接过程中（尤其是焊接大厚工件时）不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。

安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停等。

2.点焊机器人

在我国，点焊机器人约占焊接机器人总数的46%，主要应用在汽车、农机、摩托车等行业，就其发展而言，尚处于第一代机器人阶段，对环境的变化没有应变能力。

点焊机器人有直角坐标式、极坐标式、圆柱坐标式和关节式等，最常用的是直角坐标式简易型（2～4个自由度）和关节式（5～6个自由度）点焊机器人。关节式机器人既有落地式安装，也有悬挂式安装，占用空间比较小，驱动系统多采用直流或交流伺服电动机。

引入点焊机器人可以取代笨重、单调、重复的体力劳动，能更好地保证点焊质量，可长时间重复工作，提高工作效率30%以上；可以组成柔性自动生产系统，特别适合新产品开发和多品种生产，增强企业应变能力。

目前，正在开发一种新的点焊机器人系统，该系统可把焊接技术与CAD／CAM技术完美地结合起来，以提高生产准备工作的效率，缩短产品设计投产的周期，使整个机器人系统取得更高的效益。这种系统拥有关于汽车车身结构信息、焊接条件计算信息和机器人机构信息等数据库，CAD系统利用该效据库可方便地进行焊钳选择和机器人配置方案设计，采用离线编程的方式规划路径；控制器具有很强的数据转换功能，能针对机器人本身不同的精度和工件之间的相对集合误差及时进行补偿，以保证足够的工作精度。

3.弧焊机器人

弧焊机器人的应用范围很广，除了汽车行业之外，在通用机械、金属结构、航空、航天、机车车辆及造船等行业都有应用。目前应用的弧焊机器人适应多品种中小批量生产，配有焊缝自动跟踪（如电弧传感器、激光视觉传感器等）和熔池形状控制系统等，可对环境的变化进行一定范围的适应性调整。

弧焊机器人机械本体常用的是关节式（5～6个自由度）机械手。对于特大型工件（如机车车辆、船体、锅炉、大电动机等）的焊接作业，为加大工作空间往往将机器人悬挂起来，或安装在运载小车上使用；驱动方式多采用直流或交流伺服电动机驱动。按焊接工艺又常将弧焊机器人分为熔化极（CO2，MAG／MIG，药芯焊丝电弧焊）弧焊机器人和非熔化极（TIG）弧焊机器人。此外，还有激光焊接机器人。弧焊机器人的组成如图8-11所示，影响弧焊机器人发挥作用的因素如图8-12所示。

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图8-11　弧焊机器人的组成

1—机械手；2—工作台；3—焊枪；4—防撞传感器；5—送丝机；6—焊丝盘；7—气瓶；8—焊接电源；9—电源；10—机器人控制柜；11—示教盒

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图8-12　影响弧焊机器人发挥作用的因素

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图8-13　弧焊机器人柔性加工单元组成

当前，作为焊接生产自动化的主要标志之一是焊接生产系统柔性化，其发展方向是以弧焊机器人为主体，配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制设备、先进的弧焊电源，在计算机的综合控制下实现对空间焊缝的精确跟踪及焊接参数的在线调整，实现对熔池形状动态过程的智能控制，这使机器人制造厂家也面临着严峻的挑战。图8-13所示为弧焊机器人柔性加工单元（工作站）组成，该系统由中央控制计算机、机器人控制器、弧焊电源、焊缝跟踪系统和熔透控制系统五部分组成，各部分由独立的计算机控制，通过总线实现各部分与中央控制计算机之间的双向通信。机器人具有6个自由度，采用交流伺服驱动，基于工业PC构成机器人控制系统。弧焊电源采用专用的IGBT逆变电源，利用单片机实现焊接电流波形的实时控制，可满足TIG和MIG（MAG）焊接工艺的要求。焊缝跟踪系统采用基于三角测量原理的激光扫描式视觉传感器，除完成焊缝自动跟踪外，尚可同时具备焊缝接头起始点的寻找、焊枪高度的控制及焊缝接头剖面信息的获取等功能，熔透控制系统是利用焊接熔池谐振频率与熔池体积之间存在的函数关系，采用外加激振脉冲的方法实现TIC焊缝熔透情况的实时检测与控制。

焊接机器人：优化焊接生产的首选

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