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1 概述

2016年全球工業(yè)機(jī)器人銷量達(dá)24萬臺(tái)，同比增長8%。其中，中國工業(yè)機(jī)器人市場銷量超過6.6萬臺(tái)，已成為機(jī)器人市場第一大國[1]?！?016～2021年中國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：2015年，中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量為32 996臺(tái)，其中，自主品牌工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)銷售達(dá)22 257臺(tái)，同比增長31.3%。國產(chǎn)自主品牌工業(yè)機(jī)器人隨著“中國制造2025”的提出得到了迅猛的發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家相比，仍有一定的差距[2-3]。

工業(yè)機(jī)器人中的弧焊機(jī)器人越來越多地被工廠和車間所采用，特別是隨著中國人口紅利的消失，人力成本不斷增長，為彌補(bǔ)焊工不足、提高工廠生產(chǎn)力和產(chǎn)品品質(zhì)，焊接自動(dòng)化、焊接機(jī)器人化是目前工廠改造，設(shè)備投資的一項(xiàng)十分普遍的舉措。

2 PR1400P機(jī)器人

PR1400P是專門為弧焊領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一款工業(yè)機(jī)器人，如圖1所示，臂展1402mm，手腕載重6 kg，重復(fù)定位精度±0.05 mm，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)。同時(shí)為了滿足不同弧焊工藝需求，特開發(fā)了機(jī)器人擺動(dòng)焊、電弧跟蹤、多層多道、外部軸聯(lián)動(dòng)焊接、離線編程等功能。

3 機(jī)器人弧焊功能

3.1 擺動(dòng)焊

不同類型的焊縫，對機(jī)器人的功能要求不一樣。寬焊縫焊接不僅要求機(jī)器人能夠沿著焊縫往前焊接，還要求機(jī)器人具有擺動(dòng)焊接功能。

機(jī)器人擺動(dòng)焊有直線型、V字形、三角型、圓弧型等多種擺動(dòng)方式，如圖2所示。

圖1 PR1400P弧焊機(jī)器人系統(tǒng)

圖2 機(jī)器人擺動(dòng)焊類型

在擺動(dòng)過程中，頻率、兩邊停止時(shí)間、振幅、行進(jìn)角度、焊槍傾斜角等參數(shù)都可通過示教器進(jìn)行設(shè)置。擺動(dòng)參數(shù)設(shè)定如圖3所示。

圖3 擺動(dòng)參數(shù)設(shè)定

在擺動(dòng)過程中根據(jù)需求，可以設(shè)置是否需要平滑功能，如圖4所示。

圖4 擺動(dòng)過程中是否平滑軌跡示意

設(shè)置參數(shù)時(shí)需注意頻率與兩邊停止時(shí)間無關(guān)，不要計(jì)算在內(nèi)；振幅與頻率有制約關(guān)系，如圖5所示；當(dāng)參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)應(yīng)有“警告”或“錯(cuò)誤”提示。

另外，PR1400P的擺動(dòng)焊還具有定點(diǎn)擺動(dòng)功能，即擺動(dòng)焊接的起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一個(gè)點(diǎn)。定點(diǎn)擺動(dòng)焊接示意如圖6所示。

圖5 擺動(dòng)振幅和頻率制約關(guān)系示意

圖6 定點(diǎn)擺動(dòng)焊接示意

擺動(dòng)焊編程程序如圖7所示。

圖7 擺動(dòng)焊接程序示例

3.2 電弧跟蹤

在機(jī)器人弧焊應(yīng)用中，常常因?yàn)閷?shí)際焊接工件不一致或者變形導(dǎo)致機(jī)器人無法正常使用，究其原因是機(jī)器人沒有一雙能夠判別焊縫偏移的“眼睛”。為了給機(jī)器人加上這雙“眼睛”，目前常用的有電弧跟蹤、激光跟蹤2種方法。電弧跟蹤應(yīng)用范圍較窄，主要應(yīng)用于角焊縫或者開坡口的厚板對接，配合擺動(dòng)焊進(jìn)行使用，優(yōu)點(diǎn)是此方法成本較低；激光跟蹤應(yīng)用較廣，但需要增加價(jià)格昂貴的激光設(shè)備。

PR1400P機(jī)器人的電弧跟蹤原理是利用電弧的特性，通過焊接電流和焊接電壓的變化來計(jì)算擺動(dòng)過程中焊縫發(fā)生的偏移量，并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人加以校正，完成焊接[4]。此方法無需添加其他硬件設(shè)備，只需要添加相應(yīng)的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn)，操作簡便。電弧跟蹤原理如圖8所示。

圖8 電弧跟蹤原理

電弧跟蹤控制系統(tǒng)對焊縫偏移角度8°以內(nèi)、在正常焊接速度下即可實(shí)現(xiàn)電弧跟蹤焊接功能。

機(jī)器人在擺動(dòng)焊接時(shí)，機(jī)器人行走軌跡和焊接電流曲線示意如圖9所示[5]。

焊接開始后，經(jīng)過時(shí)間T0延遲，開始電弧跟蹤處理，執(zhí)行一次以下操作：

（1）連續(xù)采集1個(gè)擺動(dòng)周期的焊接電流值，計(jì)算參考電流值

（2）初始化 Ileft和 Iright，Ileft=Ireference，Iright=Ireference。

（3）每0.5個(gè)擺動(dòng)周期，計(jì)算一次電流平均值

圖9 機(jī)器人行走軌跡和焊接電流曲線示意

式中 T為擺動(dòng)周期；n為自然數(shù)。

根據(jù)計(jì)算得到的電流平均值，計(jì)算上下、左右位置偏移量，修正機(jī)器人行走軌跡。

電弧跟蹤處理流程如圖10所示。

圖10 電弧跟蹤處理流程

在跟蹤過程中，需要對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，如圖11所示。電弧跟蹤參數(shù)界面如圖12所示。使用電弧跟蹤功能的焊接示例程序如圖13所示。關(guān)于電弧跟蹤指令插入位置說明如下：

（1）ARCSENS_SET。必須要在指令A(yù)RCSENS_ON前插入一條，也可在ARCSENS_ON指令后插入，以變更電弧跟蹤條件。（2）ARCSENS_ON。ARC_ON和ARC_OFF間的任意位置。（3）ARCSENS_OFF與ARCSENS_ON指令成對出現(xiàn)在程序中，插入在ARC SENS_ON指令之后、ARC_OFF指令之前。

圖11 實(shí)際焊接電流波形

圖12 電弧跟蹤參數(shù)界面

圖13 電弧跟蹤示例程序

3.3 多層多道焊

中厚板的焊接通常無法一次完成，需經(jīng)過打底、蓋面等多道焊接，機(jī)器人多層多道焊接如圖14所示。

PR1400P的多層多道焊接功能通過一次示教和簡單的參數(shù)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)，避免了多次反復(fù)示教，節(jié)約了大量的示教時(shí)間。底層焊接可以搭配電弧跟蹤功能，上層焊接增加回程焊接功能和坐標(biāo)系的類型選擇功能，回程焊接功能可以使機(jī)器人從始端焊到終點(diǎn)，再從終點(diǎn)焊到始端。若不能回程焊接，將導(dǎo)致起弧端焊道太高而熄弧端焊道太低，嚴(yán)重影響焊道的外觀成形，容易引發(fā)焊接起弧端夾渣等焊接缺陷。

多層多道底層設(shè)置界面如圖15所示，多層多道第二層設(shè)置界面如圖16所示，多層多道示例程序如圖17所示。

圖14 多層多道焊接功能示意

圖15 多層多道底層設(shè)置界面

圖16 多層多道第二層設(shè)置界面

3.4 外部軸聯(lián)動(dòng)焊接

PR1400P機(jī)器人控制器最大能夠?qū)崿F(xiàn)27個(gè)軸的控制，與變位機(jī)的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人與變位機(jī)的同時(shí)開始且同時(shí)結(jié)束。聯(lián)動(dòng)動(dòng)作中機(jī)器人的直線移動(dòng)命令SY_LMOVE是機(jī)器人相對于變位機(jī)進(jìn)行直線插補(bǔ)，以變位機(jī)的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)觀察到的TCP的運(yùn)行軌跡是直線。

為了使機(jī)器人和外部軸能夠聯(lián)動(dòng)，必須獲取機(jī)器人與外部軸間的位置關(guān)系，PR1400P機(jī)器人采用五點(diǎn)法進(jìn)行機(jī)器人與外部軸之間的校準(zhǔn)。通過校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)功能后，機(jī)器人可以進(jìn)行空間復(fù)雜曲線的焊接，最典型的是相貫線的焊接。

機(jī)器人相貫線工作站及焊接完成的工件圖片如圖18和圖19所示。

圖17 多層多道示例程序

圖18 機(jī)器人相貫線焊接

圖19 機(jī)器人相貫線焊接效果

3.5 離線編程

隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，傳統(tǒng)的示教編程在某些場合效率低下。離線編程軟件主要用于方案仿真設(shè)計(jì)和作業(yè)程序的自動(dòng)生成，大大提高了方案設(shè)計(jì)的可靠性和執(zhí)行效率。機(jī)器人行走軌跡模擬和焊接模擬如圖20和圖21所示。

圖20 行走軌跡模擬

圖21 離線編程軟件焊接模擬

4 結(jié)論

目前，機(jī)器人在焊接領(lǐng)域主要還是從事簡單、單一的重復(fù)性工作，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將把智能化引入焊接中，使機(jī)器人能夠真正代替人類從事更加復(fù)雜的焊接任務(wù)，針對環(huán)境變化，能夠靈活調(diào)整作業(yè)，提高機(jī)器人焊接自動(dòng)化水平。