焊接機器人推動焊接自動化的發展

近幾年來，中國工業正在進行著一場“機器人化”的革命，特別是在弧焊領域，2005年以后，機器人以平均每年130％的速度遞增。本文對焊接機器人在自動化生產的優勢、焊接機器人系統的發展、焊接機器人自動化應用的問題與解決、焊接機器人在工業中的應用實例四個方面做了簡單的介紹。

 

1、焊接機器人在自動化生產的優勢

 

機器人從誕生到現在，使用多的是在焊接領域。據統計，到2007年底全世界在役的焊接機器人安裝總量已接近4O萬臺。焊接機器人作為一種先進的焊接設備，其應用得到了大力的推廣，是使我國焊接業進入自動化時代的一個重要標志。

 

隨著科技水平的進步，人們對焊接質量的要求也越來越高。自動化生產要求減少人力，提高產品一致性，提高產品質量，更適合大批量生產，降低生產成本，提高生產效率。而人工焊接時，由于受到技術水平、疲勞程度、責任心、生理極限等客觀和主觀因素的應影響，難以較長時間保持焊接工作的穩定性和一致性。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，熟練的技術工人更有短缺的趨勢。可以說，焊接機器人很大程度上滿足了焊接自動化的要求，自動化生產方面的優勢可以總結為以下幾條：

 

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

 

(2)改善了勞動條件。采用機器人焊接，工人只需要裝卸工件，遠離了焊接弧光、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，使工人從高強度的體力勞動中解脫出來。

 

(3)提高勞動生產率。機器人可24h連續生產。隨著高速高效焊接技術的應用，采用機器人焊接，效率提高得更為明顯。

 

(4)產品周期明確，容易控制產品產量。機器人的生產節拍是同定的，因此安排生產計劃非常明確。

 

(5)縮短產品改型換代的周期，減小相應的設備投資。可實現小批量產品的焊接自動化。機器人與專機的區別就是可以通過修改程序以適應不同工件的生產。

 

2、焊接機器人系統的發展

 

電子技術、計算機技術、數控及機器人技術的發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域。從嚴格意義上講，焊接機器人是一個焊接機器人系統或工作站，包括機器人本體、機器人控制柜、焊機系統及送絲單元、變位機、裝夾具等部件。典型的焊接機器人系統有三種形式：焊接機器人工作站、焊接機器人生產線、焊接專機。焊接機器人工作站一般適用于中、小批量生產，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復雜；焊接機器人生產線特別適合在產品品種多，每批數量又很少的情況下采用；焊接專機適用于批量大、改型慢的產品，對焊縫數量較少，焊縫較長，形狀規則的工件也較為適用。選用哪種自動化焊接生產形式，需根據企業的實際情況而定。

 

近年來，弧焊逆變器的技術已趨于成熟，機器人專用弧焊逆變電源大多為單片微機控制的IGBT弧焊逆變器，并配以精細的波形控制和模糊控制技術，工作頻率20-50kHz，可達220kHz。焊接系統具有優良的動特性，適合機器人自動化和智能化焊接。弧焊電源的發展不斷向著數字化方向邁進，焊接機器人焊接電源的發展方向是采用全數字化焊機。這種焊接電源的特點是焊接參數穩定，受網絡電壓波動、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有較高的重復性，焊接質量穩定、成形良好，加之DSP的響應速度快，可以根據主控制系統的指令(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定調節的功能，可以滿足多種焊接方法對電源的要求。

 

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

 

3、焊接機器人自動化應用的問題與解決

 

目前應用中的焊接機器人仍然是“示教再現型”，其焊接路徑和工藝參數是預先設置的，對作業條件的一致性要求非常嚴格，并且在焊接過程中缺少對外部信息傳感反饋和實時調節的功能。然而，實際焊接過程中的環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定等因素都會引起焊接質量的波動，并導致焊接缺陷的產生。為了克服焊接過程中各種不確定性因素對精密焊接質量的影響，迫切需要采用信息反饋、智能控制等技術提高現行焊接機器人的適應性或智能化水平，使之能實現初始焊位識別與自主導引、實時焊縫糾偏與跟蹤，焊接熔池動態特征信息獲取、工藝參數自適應調節和焊縫成形的實時控制，即實現機器人焊接過程的自主智能控制，從而彌補焊接機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模擬實現焊工觀察、判斷與操作行為功能，研究基于視覺信息傳感的焊接機器人對初始焊接位置識別與自主導引、焊縫跟蹤、熔池動態過程及焊縫成形智能控制等關鍵技術，研制局部環境自主智能焊接機器人LAIWR（局部環境自主智能焊接機器人即Local Autonomous Intelligent Welding Robot）集成系統，并將該系統關鍵技術應用于航天裝備重要結構件的焊接制造。為了實現對LAIWR系統諸多硬件組件和功能軟件的優化管理和協調控制，實現機器人系統的自主控制智能功能。

 

隨著對機器人研究的不斷深入和機器人領域的不斷拓展，機器人仿真系統作為機器人設計和研究的安全可靠、靈活方便的工具，在本領域發揮著重要作用。《OPENGL在工業機器人動態仿真中的應用》一文結合6R(旋轉關節)焊接機器人，對6R機器人仿真系統的開發進行了探討。并給出了開發的仿真界面和系統圖形交互的過程。實現多自由度、多關節機器人的動態仿真，達到考查研究多自由度、多關節機器人的目的。

 

《視覺傳感鋁合金脈沖MIG焊熔寬控制系統》一文中，描述了針對鋁合金在焊接過程中熱積累作用強、恒參數焊接時容易產生各種缺陷的問題，設計了模糊專家控制系統。通過CCD獲得熔池的圖像以及相應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，專家系統負責脈沖參數匹配，從而維持熔寬不變，即保證了焊接質量的穩定性，適應于自動化的生產要求。

 

其他的措施包括對焊接機器人外圍結構進行改造、焊接工藝改造、。在鋼結構等現場施工中，結構件形狀復雜，除常規的圓形、方形的工件外，還有間斷不連續的、橢圓形的、外形漸變的工件以及厚壁、大型工件，要想根本解決現場的自動化焊接，充分發揮焊接機器人的現場施工利用率，提高焊接效率，難度是比較大的。通過總結“鳥巢”的現場焊接實踐和后續大量的焊接工程實踐，研發了RHC-2、RHC-3系列柔性軌道焊接機器人，可選用直導軌、圓導軌、柔性導軌實現各種復雜曲面的全位置焊接，設計出在線焊縫軌跡示教、在線全位置焊接參數控制、離線焊接參數設置等職能控制程序，并開發自主學習開放式專家系統，可以適應不規則焊縫的軌跡跟蹤，實現多層多道焊及全位置焊的自動化焊接。

 

4、焊接機器人在工業中的應用實例

 

弧焊機器人工業中的主要應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，另外在以工程機械為豐的中厚板行業也在不斷擴大弧焊機器人的應用。

 

焊接自動化是船舶產業進步和升級的關鍵。經過十多年艱苦不懈的努力，我國造船自動焊接技術取得了長足進步和豐碩成果。眾所周知，造船焊接技術是現代船舶制造的關鍵工藝技術，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％。船舶焊接質量是評價船舶質量的重要指標，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業進步和升級的關鍵，也是造船行業的一大趨勢，隨著焊接技術的發展這種趨勢還將越來越明顯。