趙世通

摘 要：焊接機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)線最常用的機(jī)器人之一，在未來的制造業(yè)將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用和前景，這是因?yàn)楹腿斯げ僮飨啾?，焊接機(jī)器人操作更快、效率更高、成本更低、更加精準(zhǔn)，而且比人工操作更為安全。為了確保焊接質(zhì)量和工業(yè)安全，提升焊接機(jī)器人的可靠性就至關(guān)重要，文章從技術(shù)角度對(duì)如何提升焊接機(jī)器人工作的可靠性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；工業(yè)機(jī)器人；可靠性；技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）32-0141-02

Abstract： Welding robot is one of the most commonly used robots in industrial production line. It will have more extensive application and prospect in the future manufacturing industry， because compared with manual operation， welding robots operate faster， more efficiently， more cheaply， more accurately， and are safer than manual operations. In order to ensure the welding quality and industrial safety， it is very important to improve the reliability of the welding robot. This paper analyzes how to improve the reliability of the welding robot from the technical point of view.

Keywords： welding robot； industrial robot； reliability； technology

工業(yè)機(jī)器人是以自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化裝置，過去的焊接機(jī)器人主要基于電氣技術(shù)，沒有對(duì)環(huán)境的應(yīng)對(duì)能力。現(xiàn)在的焊接機(jī)器人利用傳感器功能，對(duì)環(huán)境有著一定適應(yīng)能力，體現(xiàn)出了智能化的趨勢(shì)。而未來的焊接機(jī)器人將會(huì)大大增加視覺、觸覺、聽覺等傳感器功能，大大提升自主工作能力，甚至建立學(xué)習(xí)能力。從1961年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人投入使用以來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展已經(jīng)了有了近60年的歷史。1970年代，焊接機(jī)器人被大量使用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的飛躍，在全球汽車生產(chǎn)線中，焊接機(jī)器人發(fā)揮著不可替代的巨大作用。和人類相比，焊接機(jī)器人穩(wěn)定性好、精確度高、快捷可靠，但是畢竟機(jī)器人不具有人類自動(dòng)識(shí)別故障的智能，而且是一個(gè)集成多種技術(shù)、多自由度高度復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，所以必須要采用可靠性技術(shù)來排除故障。

1 焊接機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 焊接機(jī)器人相對(duì)于人類的優(yōu)勢(shì)

第一，能夠代替人類從事危險(xiǎn)作業(yè)，大幅改善工人的勞動(dòng)條件，降低對(duì)人類的損害，可以從事人類不能到達(dá)的惡劣環(huán)境作業(yè)，比如毒氣坑道、軍事區(qū)域、無氧空間等。第二，在較高生產(chǎn)率下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性生產(chǎn)，統(tǒng)一產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品質(zhì)量具有均一性。這在汽車工業(yè)尤為顯著，自從1969年通用汽車使用了第一批點(diǎn)焊機(jī)器人以來，全球汽車企業(yè)都已經(jīng)大規(guī)模發(fā)展了焊接機(jī)器人技術(shù)。第三，操作簡單，精度高，改變過去了人工操作可能產(chǎn)生誤差的狀況，目前全球數(shù)百萬臺(tái)電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等機(jī)器人在負(fù)載能力、重負(fù)定位精度、作業(yè)范圍、工作穩(wěn)定性等指標(biāo)上不斷刷新記錄；并且在焊接任務(wù)智能規(guī)劃、焊接動(dòng)態(tài)過程傳感與控制、焊接配套設(shè)備（焊接電源、焊槍/焊鉗）等實(shí)現(xiàn)了更高程度的焊接自動(dòng)化與智能化，能在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，并且提供完整參數(shù)，比如，有些機(jī)器人能夠在焊接過程中完成實(shí)時(shí)焊縫跟蹤；此外焊接工作站或生產(chǎn)線的多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)、極限環(huán)境下的機(jī)器人焊接技術(shù)的應(yīng)用，體現(xiàn)了人類無法代替的高強(qiáng)度、高精度、復(fù)雜工序高效作業(yè)、惡劣或極限工況下施焊等方面的決定性優(yōu)勢(shì)。

1.2 國內(nèi)外焊接機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

作為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的誕生地，美國焊接機(jī)器人數(shù)量巨大，在十年前就超過了15萬臺(tái)。而制造業(yè)頂尖的德國在同一時(shí)期焊接工業(yè)機(jī)器人數(shù)量甚至超過美國，受到勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)模式影響，我國的焊接機(jī)器人數(shù)量減少，僅有幾千臺(tái)。在各國的工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，超過一半為焊接機(jī)器人。除了汽車領(lǐng)域，焊接機(jī)器人在能源、建筑、開采、加工、工程、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，這是由于其穩(wěn)定性和高精度決定的。焊接機(jī)器人廣泛推廣的根本原因不僅是其高精度和穩(wěn)定性，更在于高效率和低成本，甚至采用模塊化操作，將機(jī)器臂連接在設(shè)備，并且通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接。目前的焊接機(jī)器人主要應(yīng)用了如下的技術(shù)：可視編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單操作，比

如KUKA機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)將簡單明了的焊接指令和可視操作界面結(jié)合起來，用高分辨率觸摸屏大大增強(qiáng)了操作的方便性。軌度精度技術(shù)，采用焊制工藝確保每條工作都在正確的位置。傳感器技術(shù)，機(jī)器人為各種任務(wù)都準(zhǔn)備了精密的傳感器技術(shù)，確保在焊接過程中實(shí)時(shí)修整機(jī)器人的焊接軌跡。

1.3 焊接機(jī)器人可靠性技術(shù)分析

目前國內(nèi)外焊接機(jī)器人可靠性方面的著作較少，這是因?yàn)榧夹g(shù)保密的緣故，總體來說，電子程序已經(jīng)有了較為成熟的系統(tǒng)模式，但是機(jī)械部件和機(jī)電設(shè)備的可靠性方法還不夠成熟，本文的研究就是致力于這一方面的發(fā)展。目前國內(nèi)外以故障樹分析法（FTA）為主，這種方法的原理是由于多數(shù)安全問題都是零部件或者操作問題所致，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究簡單可靠，清晰明了。目前國外機(jī)器人研究越來越多集中重復(fù)的精度上，在系統(tǒng)程序可靠性提升的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究機(jī)械裝置的操縱可靠性。我國焊接機(jī)器人的可靠性技術(shù)還主要集中在產(chǎn)品生命周期的全過程管理當(dāng)中，通過可靠性設(shè)計(jì)來提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，和國外還有一定差距。

2 焊接機(jī)器人的故障分析

2.1 設(shè)計(jì)因素

焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，機(jī)械性能、成本因素、能耗功率、可移動(dòng)性、動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等都是要充分考慮的。尤其是機(jī)器人要在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作，如何克服噪音和振動(dòng)等因素就是要充分考慮的問題。在機(jī)器人設(shè)計(jì)中，我們?cè)絹碓桨l(fā)現(xiàn)，仿生學(xué)的作用愈發(fā)明顯，機(jī)器人和人類一樣，在本質(zhì)上都是物質(zhì)決定意識(shí)的產(chǎn)物，或者說都是按照一定程式在特定觸發(fā)環(huán)境下去工作的。和人類運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生的各種障礙一樣，機(jī)器人在工作狀態(tài)下也會(huì)遭遇因?yàn)樵荚O(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境考慮不周而發(fā)生的問題。比如人類在進(jìn)化過程中，因?yàn)榄h(huán)境的改變可能會(huì)發(fā)生職業(yè)病，比如闌尾的設(shè)計(jì)就是進(jìn)化的多余產(chǎn)物，機(jī)器人也是如此，設(shè)計(jì)是根據(jù)特定的環(huán)境，可能會(huì)因?yàn)橥话l(fā)環(huán)境的變化而產(chǎn)生故障，因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)器人仍然按照原有程式運(yùn)作。在焊接機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性和機(jī)械可靠性以及操作安全性越來越提高的今天，這種環(huán)境變化而產(chǎn)生故障因?yàn)樵絹碓揭鹑藗兊闹匾?，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人因?yàn)榕袛鄦栴}而錯(cuò)誤操作。

2.2 分析原則

機(jī)器人故障分析一般采用故障樹分析法，將系統(tǒng)故障原則從頂層總體到下層細(xì)分，逐個(gè)排查，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，通過對(duì)于多個(gè)故障的分析最終實(shí)現(xiàn)解決問題的目的。故障樹分析法是把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的失效狀態(tài)作為頂事件，分析歸納出所有可能導(dǎo)致頂事件的中間事件，再找出所有可能導(dǎo)致這些中間故障事件的直接原因，以此逐層推導(dǎo)，一直找到所有可能引起部件發(fā)生故障的底事件，并運(yùn)用對(duì)應(yīng)的邏輯門和符號(hào)把頂事件、中間事件及底事件串聯(lián)起來，形成一幅由上到下的樹狀邏輯關(guān)系圖，即故障樹。本文也以故障樹分析法為基本方法，在此基礎(chǔ)稍作改進(jìn)，通過熟悉系統(tǒng)、調(diào)查事故、確定頂事件、分析原因、繪制事故樹、定性分析、計(jì)算頂事件概率、定量分析，結(jié)合模糊分析方法進(jìn)行具體分析。

2.3 分析過程

大部分機(jī)器人由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)等部分構(gòu)成，我們已經(jīng)說過焊接機(jī)器人應(yīng)用最大的領(lǐng)域是汽車領(lǐng)域，主要向各大廠商提供零部件。機(jī)器人的故障的分析首先要確保外磁場(chǎng)穩(wěn)定、系統(tǒng)動(dòng)力供給正常、操作無失誤，然后具體分析機(jī)器人本體故障、控制系統(tǒng)故障、焊接系統(tǒng)故障和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。

3 焊接機(jī)器人可靠性技術(shù)保障

3.1 系統(tǒng)分析

焊接機(jī)器人的本體是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般采用6個(gè)或者7個(gè)焊接自由度關(guān)節(jié)，機(jī)器人末端有復(fù)雜的焊接附件，比如示教器、變壓器、焊槍、送絲機(jī)、保護(hù)氣、焊絲、氣管及各種線纜等?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，設(shè)計(jì)中要保持程序的穩(wěn)定性，確保操作無誤。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)上，一般可以采用直流電機(jī)，這樣噪音小，時(shí)間長，運(yùn)轉(zhuǎn)快，具有速度優(yōu)勢(shì)。一般采用PID控制送絲器，確保焊絲和機(jī)器人的絕緣。焊絲從焊盤上拉取出來的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，焊絲長度越大，送絲阻力越大。這些非線性阻力會(huì)在操作中產(chǎn)生不確定因素，比如加壓滾輪架變形失效、加壓滾輪磨損失效、鉸鏈變形失效、矯直輪變形失效、送絲電機(jī)故障、減速箱故障、送絲輪變形失效、壓簧變形失效、導(dǎo)向部件零件變形失效等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都要予以考慮，確保各個(gè)子系統(tǒng)的獨(dú)立性，通過有效的串聯(lián)模型串聯(lián)各個(gè)模塊。

3.2 工藝可靠性分析

為了確保焊接的穩(wěn)定性，要確保引弧容易，電弧平穩(wěn)，參數(shù)穩(wěn)定，焊弧調(diào)節(jié)范圍一致，保持電源相數(shù)的穩(wěn)定、三相整流橋的完好。要提升可靠性除了編程技術(shù)，更為重要的是傳感器技術(shù)，賦予機(jī)器人足夠的觸覺、視覺和力覺感應(yīng)，比如給予足夠大的感抗是縮小電壓過零熄弧時(shí)間，要確保焊弧回路值能夠自由調(diào)節(jié)，滿足變壓性能，建立傳感器失靈報(bào)警裝置，一旦發(fā)生問題及時(shí)調(diào)節(jié)，要分析伺服驅(qū)動(dòng)器的故障形式，避免機(jī)器人在錯(cuò)誤狀態(tài)下進(jìn)行操作。同時(shí)，還要確保所有產(chǎn)品經(jīng)過合格檢驗(yàn)，控制人為因素，所有部件都要通過嚴(yán)格的測(cè)試和可靠分析，針對(duì)法蘭松動(dòng)、伺服電機(jī)異常噪聲、不能啟動(dòng)等情況重點(diǎn)治理。

4 結(jié)束語

焊接機(jī)器人可靠性技術(shù)關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)階段的嚴(yán)謹(jǐn)和后期操作維護(hù)保養(yǎng)嚴(yán)格遵循操作流程，各個(gè)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)傳感器技術(shù)的研發(fā)，建立傳感器報(bào)警功能，一旦偏離預(yù)定程式就及時(shí)調(diào)整。

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