鄧海鵬

（海安交睿機(jī)器人科技有限公司，江蘇南通226600）

0 引言

當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇，一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷降低，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)正在由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。這一切預(yù)示著焊接機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。

集焊接工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)、識(shí)別和傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、信息采集和處理等多學(xué)科而形成的高新應(yīng)用技術(shù)，主要是為了解決工業(yè)制造中以焊接工藝為主的自動(dòng)化裝備能夠滿足焊接需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化和智能化，做好焊接質(zhì)量控制和檢測(cè)等基本需求。

1 焊接機(jī)器人的分類及發(fā)展方向

目前機(jī)器人焊接在基本應(yīng)用方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，主要有弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人、摩擦焊接機(jī)器人等類型。焊接機(jī)器人的發(fā)展方向包括以下幾個(gè)方面：

1.1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

焊接過(guò)程是一個(gè)對(duì)動(dòng)作靈敏度反應(yīng)和定位精度要求很高的工藝過(guò)程，因此，輕便巧妙是機(jī)器人作為關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展方向。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)正向著進(jìn)一步模塊化、可重構(gòu)的方向發(fā)展。

1.2 智能傳感技術(shù)

焊接過(guò)程本身就是易受環(huán)境影響的過(guò)程，也是對(duì)工件本身產(chǎn)生變形的過(guò)程。一代示教式編程施焊是一種“盲人式”的機(jī)器人焊接，今后的發(fā)展會(huì)給焊接機(jī)器人加上更多更有效的感覺(jué)，不僅包括視覺(jué)的傳感，還有聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多方位的環(huán)境感知能力。把這些感覺(jué)融入到機(jī)器人系統(tǒng)之中，才能更好地保障機(jī)器人在整個(gè)焊接過(guò)程中的自動(dòng)準(zhǔn)確定位和把控。

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

隨著企業(yè)信息化和自動(dòng)化融合的深入發(fā)展，機(jī)器人焊接不會(huì)成為孤立的一員，需要納入到整個(gè)數(shù)字化工廠的系統(tǒng)中。不僅如此，今后的發(fā)展趨勢(shì)還包括對(duì)機(jī)器人多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。

1.4 VR技術(shù)

VR即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，比如可以使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。

2 典型機(jī)器人焊接系統(tǒng)

機(jī)器人焊接基本系統(tǒng)主要由機(jī)器人、焊接裝備、工裝夾具等構(gòu)成。從技術(shù)構(gòu)成角度來(lái)看，機(jī)器人焊接系統(tǒng)可劃分為“機(jī)器人+焊接”“機(jī)器人+焊接工作站”“機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線”。

2.1 機(jī)器人+焊接

機(jī)器人+焊接主要是就機(jī)器人單體實(shí)現(xiàn)焊接工序自動(dòng)化而言，就是考慮機(jī)器人的動(dòng)作對(duì)焊接過(guò)程的自動(dòng)控制。機(jī)器人本體是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制柜是機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，示教器是機(jī)器人控制系統(tǒng)與操作者的交互界面，機(jī)器人底座是固定承重的載體。焊接電源是焊接系統(tǒng)的能量發(fā)生來(lái)源，焊槍是能量輸出的通路，送絲機(jī)構(gòu)和焊絲盤(pán)架是焊材的供應(yīng)來(lái)源。

2.2 機(jī)器人+焊接工作站

機(jī)器人+焊接工作站是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的焊接工作單元系統(tǒng)，這是從焊接整個(gè)過(guò)程的完成達(dá)成性角度而言。除了機(jī)器人施焊過(guò)程的必要組成部件之外，還要加上諸如外部裝置電氣控制、觸摸屏、工裝夾具、變位機(jī)構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、保護(hù)圍欄、吸塵裝置等等。作為一個(gè)機(jī)器人焊接工作站，其任務(wù)就是能夠獨(dú)立完整地完成對(duì)某一工件的焊接工作，這就不僅對(duì)機(jī)器人如何去焊接提出了要求，而且對(duì)于如何保證機(jī)器人焊接也有所要求。

在焊接工件完成過(guò)程中，需要工件的位置固定并控制所需的工裝夾具和變位機(jī)構(gòu)，也需要圍欄、吸塵裝置等人身安全健康保護(hù)裝置。所有這些配套與機(jī)器人焊接的協(xié)調(diào)統(tǒng)一得靠一個(gè)整體的控制系統(tǒng)，目前較多的是采用PLC進(jìn)行控制，而觸摸屏就是作為人機(jī)交互的界面。這樣就是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立、可以完成機(jī)器人焊接的工作站主要構(gòu)成。本文后面介紹的工程案例就是采用此模式進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用的。

2.3 機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線

機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線是就側(cè)重機(jī)器人焊接生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化而言的。一方面，在機(jī)器人焊接工作站的基礎(chǔ)上，在機(jī)器人工作站上會(huì)有所增加，形成多個(gè)焊接工作站所組成的生產(chǎn)線。另一方面，從焊接生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化角度來(lái)看，包括了備料、組對(duì)、上料、焊接、檢驗(yàn)、下料、分揀等一系列工序的焊接產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程自動(dòng)化。如此一來(lái)，整個(gè)工作環(huán)境的情況更為復(fù)雜，不僅是對(duì)生產(chǎn)線上各工作單元的要求更高，而且對(duì)整體協(xié)作的統(tǒng)一性和高效性提出了要求。只有多個(gè)自動(dòng)化工作站之間工作形成高效對(duì)接和統(tǒng)一控制，才能發(fā)揮整體生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，并改善操作環(huán)境。這涉及智能化、數(shù)字化的生產(chǎn)規(guī)劃，是一個(gè)信息化和自動(dòng)化統(tǒng)一協(xié)作的簡(jiǎn)單組合。機(jī)器人焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)的過(guò)程與質(zhì)量信息、生產(chǎn)管理信息等還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字一體化管理。

3 智能焊接技術(shù)的集成應(yīng)用

下面介紹一個(gè)采用智能焊接工作站模式的案例，該項(xiàng)目目的是為江蘇南通某生產(chǎn)垃圾焚燒設(shè)備的集團(tuán)公司實(shí)現(xiàn)中厚板組合焊接件的柔性化生產(chǎn)。由于客戶對(duì)產(chǎn)品種類、焊縫質(zhì)量、工件焊接位置以及焊接安全防護(hù)等方面都提出了相關(guān)指標(biāo)要求，因此我們推薦采用獨(dú)立焊接工作站的模式應(yīng)用到此項(xiàng)目。下面介紹該系統(tǒng)的具體組成及其功能。

3.1 智能焊接站系統(tǒng)的主要組成

本案例中的智能焊接工作站主要包括：機(jī)器人系統(tǒng)（機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、示教器）、焊接電源系統(tǒng)（焊機(jī)、送絲機(jī)、焊槍、焊絲盤(pán)）、控制系統(tǒng)（PLC控制柜、HMI觸摸屏、操作臺(tái)）、焊槍防碰撞傳感器、變位機(jī)及工裝夾具、機(jī)器人移動(dòng)軌道、清槍站、安全系統(tǒng)（升降防護(hù)門(mén)、安全光幕）和排煙除塵系統(tǒng)等。弧焊機(jī)器人工作站采用雙工位設(shè)計(jì)，氣動(dòng)/液壓焊接夾具，機(jī)器人焊接與操作者上下工件在各工位交替工作，這種方式可以避免或減少機(jī)器人的等待時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。焊接工作站的整體布局如圖1所示。

圖1 智能焊接工作站布局

（1）機(jī)器人系統(tǒng)：采用ABB專用弧焊機(jī)器人1660ID，同時(shí)配置TBI的水冷焊槍，焊槍自帶碰撞傳感器檢測(cè)，能夠有效地在機(jī)器人移動(dòng)或焊接時(shí)對(duì)焊槍進(jìn)行保護(hù)。

（2）焊接電源系統(tǒng)：焊接電源采用美國(guó)林肯的全數(shù)字式焊機(jī)R500，該焊機(jī)可提供全套的焊接工藝，能夠滿足不同工件的焊接工藝需求。

（3）控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的控制器采用德國(guó)西門(mén)子的PLC，該控制器能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)的主要元件進(jìn)行組網(wǎng)通信，穩(wěn)定可靠地控制系統(tǒng)的整個(gè)自動(dòng)化運(yùn)行，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)。

（4）變位機(jī)及夾具：變位機(jī)是本系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，變位機(jī)上安裝有專用的工裝夾具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的快速定位；變位機(jī)自身是可旋轉(zhuǎn)軸，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)變換角度。

（5）機(jī)器人外部軌道：主要是對(duì)機(jī)器人整體位置的快速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工件不同位置的焊接，從而進(jìn)一步增加機(jī)器人的工作范圍。

（6）封閉式焊房及排煙系統(tǒng)：焊房前后有可升降的焊接幕簾，在工件焊接時(shí)將焊接區(qū)域完全隔離，從而阻擋焊接弧光對(duì)外面操作人員的傷害；排煙系統(tǒng)采用高速電機(jī)控制的高負(fù)壓高效排煙過(guò)濾，能有效凈化焊接時(shí)產(chǎn)生的煙塵。

3.2 控制系統(tǒng)軟件單元的組成

控制系統(tǒng)由PLC、人機(jī)界面（HMI）、工裝定位軸、機(jī)器人移動(dòng)外部軸、ABB弧焊機(jī)器人系統(tǒng)、電焊機(jī)系統(tǒng)以及夾具氣缸通信閥島實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，該控制方案是目前工業(yè)通信技術(shù)應(yīng)用中比較穩(wěn)定可靠的一套系統(tǒng)架構(gòu)。PLC作為主控制器負(fù)責(zé)伺服軸的運(yùn)動(dòng)定位、夾具氣缸的控制以及與焊接機(jī)器人的協(xié)調(diào)作業(yè)，HMI觸摸屏用來(lái)對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行選擇，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控以及將設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)反饋給上位機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)的搭建，該公司的生產(chǎn)車間已經(jīng)升級(jí)成為一個(gè)自動(dòng)化、智能化、信息化，集多種先進(jìn)技術(shù)于一體的亮點(diǎn)工程。

3.3 智能焊接功能說(shuō)明

在該智能焊接工作站項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中采用了許多前沿的機(jī)器人焊接技術(shù)，下面對(duì)部分焊接技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

（1）智能尋位功能：利用噴嘴或焊絲碰觸工件，可確定真實(shí)焊縫位置，尋位精度±0.25 mm。

（2）電弧跟蹤功能：系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)焊接中的電流、電壓信號(hào)采樣，根據(jù)因下料不規(guī)則及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形分析得出的數(shù)據(jù)修改機(jī)器人路徑，能夠自行適應(yīng)焊接過(guò)程中的工件變形。

（3）臨時(shí)停點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)功能：焊接中發(fā)生電弧異常和暫時(shí)停止的時(shí)候，去除錯(cuò)誤因素或者暫時(shí)停止原因后，在再啟動(dòng)時(shí)調(diào)用命令，自動(dòng)從任意位置向電弧切斷位置恢復(fù)，同時(shí)還可通過(guò)設(shè)定對(duì)于電弧切斷位置的偏置量（以電弧切斷位置為基準(zhǔn)的焊接線方向的平移量），指定焊縫的重疊和焊接剩余部分。

智能焊接技術(shù)的集成應(yīng)用已經(jīng)成為焊接行業(yè)的“新式武器”，自該公司智能焊接站驗(yàn)收投產(chǎn)以來(lái)，車間的焊接件焊接效率、焊接質(zhì)量、生產(chǎn)環(huán)境以及企業(yè)形象都得到了很大提升。引進(jìn)智能制造，提高企業(yè)軟實(shí)力的先進(jìn)水平，表現(xiàn)了企業(yè)強(qiáng)大的生產(chǎn)和科研能力，也增加了客戶的信賴度，增強(qiáng)了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，國(guó)內(nèi)的工業(yè)改革也在發(fā)生翻天覆地的變化，本文介紹的智能焊接技術(shù)的集成應(yīng)用只是智能焊接技術(shù)的冰山一角，未來(lái)智能焊接還有更遠(yuǎn)的發(fā)展前景。智能制造技術(shù)水平的提高不僅僅是某一方面的提高，而是一個(gè)全局性的提高，期待未來(lái)能夠看到更多智能制造、智能焊接的新技術(shù)、新應(yīng)用。

[1]曾孔庚，李永剛.新一代焊接機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展[J].電焊機(jī)，2009，39（4）：14-17.

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[3]劉圣祥，高洪明，張廣軍，等.弧焊機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].焊接，2007（7）：21-25.

[4]ABB Inc.Operator’s manual IRC5 with FlexPendant[Z]，2009.