王波 崔海濱 孫國林 吳政勛 馮玉濤 崔天宇

（中國一汽集團股份有限公司，長春 130011）

1 前言

近些年，隨著六軸串聯(lián)式工業(yè)機器人（機械手）在汽車焊裝自動生產(chǎn)線的應用增多，在采購機器人之前，其末端執(zhí)行器工具系統(tǒng)的可用負載評估就變得非常緊迫和重要。在工具系統(tǒng)確定的情況下，裕量足夠的負載評估結(jié)果，可以保證機器人按照設計規(guī)定的運動速度和軌跡運行，保證機器人末端（例如第6軸法蘭端面中心）的位置精度[1]，保證單軸電機及關(guān)節(jié)構(gòu)件的可靠運行，可以降低焊裝車間自動化生產(chǎn)線的機器人保養(yǎng)維修費用。

機器人負載是指在規(guī)定的速度和加速度條件下沿著運動的各個方向機械接口處可承受的力或扭矩[2]。有效負載是指機器人末端法蘭上的執(zhí)行器工具系統(tǒng)施于機器人的（外部）負載。額定負載是正常操作條件下作用于機器人機械接口并且不會使機器人性能降低的最大負載，包括末端執(zhí)行器，管線包附件及工具系統(tǒng)的慣性力（或扭矩）[2]?？捎秘撦d是客戶在一定使用條件下的機器人負載?？捎秘撦d包括有效負載和管線包附件引起的附加負載。

機器人可用負載評估即根據(jù)每臺機器人的使用條件，使其適量小于該條件下的額定負載，留出一定的裕量。由于以往在機器人負載評估過程中缺乏詳盡細致的企業(yè)標準，在焊裝共用車型生產(chǎn)線的改造中，導致部分機器人的可用負載裕量偏小，或是負載超限。

為了從源頭上解決機器人可用負載超限的問題，主要研究分析生產(chǎn)現(xiàn)場機器人負載超限導致的軸組構(gòu)件損壞問題，問題涉及的原因、技術(shù)原理及技術(shù)解決途徑，以及負載超限問題解決的橫展和預防3個方面。

2 問題分析

在新車型導入前個別工位機器人的工具系統(tǒng)改造時，機器人比較容易出現(xiàn)可用負載裕量不足，甚至是負載超限的問題。如果不及時加以改進，就會導致機器人傳動軸組構(gòu)件損壞。圖1所示為機器人服役六年后，J6軸組的軸承及傳動軸的異常損壞情況。

圖1 機器人第6軸傳動部件損壞

2.1 典型問題

焊裝自動線中，大總成（工件）的搬運和焊接工序是機器人工具系統(tǒng)負載超出限定范圍的重要風險點。

某新車型X在融入自動線的改造中，遇到了2個較為典型的問題。

a.原生產(chǎn)線機器人的工具系統(tǒng)可用負載裕量偏小，新車型X改造時，其焊接分總成的設計尺寸增大，質(zhì)量增加，在設計改造該分總成的抓具后，導致機器人的X車型的抓具系統(tǒng)的負載超限。

b.采用高電極壓力、大喉深喉寬的輕量化伺服焊鉗替換原有小喉深喉寬伺服焊鉗后，即使低速運行，機器人焊鉗也會在作業(yè)時抖動，同時也能聽到單軸電機的運轉(zhuǎn)異響。

2.2 原因分析

新車型在融入到原有生產(chǎn)線時，其焊接分總成的尺寸增大，或焊接分總成的質(zhì)量增加，超出了原有機器人的負載規(guī)格上限。

生產(chǎn)線改造時，抓具系統(tǒng)的尺寸增大，或工具系統(tǒng)的氣缸夾緊單元增多增重，致使原有機器人的負載超限。

機器人選型的技術(shù)依據(jù)不充分，甲乙雙方的工程協(xié)同工作機制及標準還不完善。

內(nèi)部工藝人員對機器人工具可用負載的技術(shù)原理認知不足，缺乏業(yè)務訓練。外部設計及仿真人員的負載評估存在一些不當之處，例如J4軸和J5軸的轉(zhuǎn)動慣量區(qū)分不清等。

機器人在生產(chǎn)線的布局規(guī)劃時，對臂展的關(guān)注往往多于對負載的關(guān)注。

除此之外，其它例如機器人品牌規(guī)格局限及維護保養(yǎng)的原因，本文不做討論。

3 技術(shù)解決途徑

工程機械類問題的解決須在遵循物理原理或客觀規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠生產(chǎn)實際，找出具體可操作的技術(shù)解決方案。

3.1 評估技術(shù)原理

機器人的負載評估的技術(shù)原理可概括為系統(tǒng)功能平衡原理及剛體系統(tǒng)的廣義力學原理。

3.1.1 系統(tǒng)功能平衡原理

系統(tǒng)功能平衡原理的本質(zhì)是系統(tǒng)能量守恒。機器人系統(tǒng)從生產(chǎn)線供電柜中取電，將大部分電能轉(zhuǎn)換為該系統(tǒng)的動能，機器人六軸末端與工具系統(tǒng)機械聯(lián)接后，機器人系統(tǒng)的動能部分地轉(zhuǎn)換為工具系統(tǒng)的機械能。在焊接分總成定位到工具系統(tǒng)并被抓手夾持之后，工具系統(tǒng)的動能可以部分轉(zhuǎn)換為焊接分總成的機械能，就可以實現(xiàn)焊接分總成的空間轉(zhuǎn)動和移動。

機器人末端的負載，是工具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)施加在機器人本體上的外部載荷。機器人在作業(yè)時，會根據(jù)該功能平衡原理來動態(tài)調(diào)整作業(yè)速度和位置控制參數(shù)。

標準串聯(lián)結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人，是分別由6臺電機驅(qū)動的6個關(guān)節(jié)軸，耦合形成6個自由度的空間機構(gòu)，如圖2所示[3]。機器人工具系統(tǒng)的有效負載與各軸電機的有效功率、機械強度和剛度有關(guān)，需要根據(jù)機器人廠商的測算方法及機器人具體使用條件來評估。如果工具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)的總質(zhì)量超出了機器人廠商規(guī)定的額定載荷，機器人作業(yè)軌跡會發(fā)生偏移，機器人各軸本體會發(fā)生不同程度的變形[1]。

圖2 六軸串聯(lián)式工業(yè)機器人本體及坐標系

3.1.2 剛體系統(tǒng)的廣義力學原理

對剛體而言，牛頓經(jīng)典力學原理證實了力是改變物體（這里指工具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)）運動的原因。如果需要平移這個物體，就需要平衡該物體自身的重力，及其產(chǎn)生的重力矩。

當需要轉(zhuǎn)動該物體時，還需要克服物體轉(zhuǎn)動的慣性（慣性是指物體保持靜止或其回轉(zhuǎn)運動的固有特性）。物體繞軸轉(zhuǎn)動的慣性大小，用轉(zhuǎn)動慣量量度。轉(zhuǎn)動慣量只取決于剛體的形狀、質(zhì)量分布和旋轉(zhuǎn)軸的位置，而與剛體繞軸的轉(zhuǎn)動狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。剛體轉(zhuǎn)動慣量的測算依據(jù)是平行軸定理和垂直軸定理[4]。

3.2 構(gòu)建評估模型

為了簡要分析說明，構(gòu)建機器人單軸（例如腕部J6軸）與工具系統(tǒng)機械連接的力學模型，如圖3所示。

圖3 單軸負載力學模型

建立坐標系Oxyz，固連于圖示的腕部J6軸前端O點。J6軸與工具系統(tǒng)固連于Om點，并且與z軸重合。

工具系統(tǒng)的重力矩M計算如下。

式中，m為工具系統(tǒng)的質(zhì)量；g為重力加速度；L為工具系統(tǒng)重力力臂。

工具系統(tǒng)繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量計算如下。

式中，m為工具系統(tǒng)的質(zhì)量，r為旋轉(zhuǎn)半徑。

在圖3表示的模型中，工具系統(tǒng)重力力臂L與旋轉(zhuǎn)半徑r相等，因此公式（2）轉(zhuǎn)化如下。

3.3 評估技術(shù)指標系統(tǒng)

由于線體集成商和機器人廠商的評估標準還存在不一致的情況，需要找到機器人負載的評估指標，進而規(guī)范機器人的負載評估及選型工作。

機器人可用負載的評估主要有3項技術(shù)指標：工具質(zhì)量百分比p、重力矩M和單軸轉(zhuǎn)動慣量I。除此之外，工具系統(tǒng)相對于機器人默認工具坐標系（TCP0）[5]的重心矢量也需要關(guān)注，在歐幾里得空間中一般以G（Gx，Gy，Gz）表示。

工具質(zhì)量百分比是指工具系統(tǒng)的總質(zhì)量與某規(guī)格機器人額定負載質(zhì)量的比值。例如工具系統(tǒng)的質(zhì)量為140 kg，選用額定負載質(zhì)量為200 kg規(guī)格的機器人時，p值為70%。注意p值判定的前提是，工具系統(tǒng)的重心處于額定負載所設定的空間可行域范圍之內(nèi)。

為了將工具質(zhì)量百分比p、重力矩M和單軸轉(zhuǎn)動慣量I的參數(shù)同時展現(xiàn)在一張圖表中，需要分別將M和I的估算值與機器人腕部軸的標稱值的比值作為觀測指標。

3.4 評估測算步驟

機器人可用負載包括實際裝配工具的有效負載及管線包組件的附加負載2部分。考慮到這2部分負載對機器人位置精度和作業(yè)效率的影響，及其對機器人J4-J6軸構(gòu)成的腕部軸的影響，負載評估需要運用正確的測算工具，準確的輸入數(shù)據(jù)及規(guī)范的評估步驟，才能得出接近實際工況的可用負載。評估機器人可用負載時，應先測算機器人工具系統(tǒng)的質(zhì)量百分比技術(shù)參數(shù)，評估使之處于合理區(qū)間；然后測算機器人臂部軸上附帶的管線包附加質(zhì)量對機器人關(guān)節(jié)軸組的影響，提前識別負載超限的風險。

3.4.1 測算工具

機器人負載的評估工具一般可借助于機器人廠商提供的軟件及圖表。使用這些工具之前，需要估算出準確的輸入數(shù)據(jù)。得到這些輸入數(shù)據(jù)后，按照軟件或圖表的指導要求，才能得出接近實際運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

對于Y品牌機器人負載的評估，主要是針對腕部軸（J4～J6軸進行），可以通過負載曲線圖、計算表格及軟件評估。管線包評估需要咨詢廠商技術(shù)人員。

A品牌機器人通過軟件評估負載時，可以評估J2～J6軸的重力矩比值和J5～J6軸的轉(zhuǎn)動慣量比值。管線包負載在咨詢廠商技術(shù)人員后，可以輸入軟件一并測出。負載測算報告中缺乏J4軸的轉(zhuǎn)動慣量結(jié)果，即J4的評判結(jié)果，需要機器人制造商更新軟件包。

3.4.2 評估具體步驟

步驟1：仿真得出工具在機器人機械原點（TCP0）的安裝位姿。

仿真環(huán)境中將機器人置為HOME位（機械原點），得出工具（焊鉗或抓手）系統(tǒng)在機器人末端的安裝位姿，如圖4所示。

圖4 工具系統(tǒng)的安裝位姿

如果沒有按照此步驟做，測出的負載一般會使J4軸和J5軸的轉(zhuǎn)動慣量值顛倒，從而不能正確地反映機器人軸組的負載結(jié)果。

步驟2：機械設計人員測算或讀取工具設計數(shù)據(jù)，輸入給仿真人員測算負載。

a.在CATIA等3D設計環(huán)境中的原點上插入軸系，使機器人TCP0坐標系的坐標方向與軸系的3個坐標方向重合。然而不同品牌的機器人，其TCP0的方位各有不同，需要首先確認。

b.將抓手和零部件的數(shù)模導入，其方位按照步驟1中的仿真位姿調(diào)整完畢。

c.將抓手構(gòu)件和零部件賦以相關(guān)的材料數(shù)據(jù)，如鐵和鋁等材料的物理參數(shù)。

d.抓手結(jié)構(gòu)的設計人員將抓手和工件的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動慣量數(shù)據(jù)，輸出給仿真人員。焊鉗的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動慣量數(shù)據(jù)需要從焊鉗制造商的圖紙說明中讀取或轉(zhuǎn)換?？鞊Q盤的輸入數(shù)據(jù)也需要從生產(chǎn)商的設計圖表中讀取。

在此步驟中，常見的問題是工具的方位坐標沒有以機器人末端法蘭端面中心點的坐標系（簡記為TCP0）為參照進行轉(zhuǎn)換，因而會導致測算不準。

步驟3：仿真人員梳理收到的數(shù)據(jù)后，測算負載數(shù)據(jù)，并且判別超載風險。

在3D設計軟件中，抓手的構(gòu)件分別賦以相關(guān)的材料數(shù)據(jù)后，可以稱重得出抓手的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動慣量數(shù)據(jù)。

圖5所示為三維設計軟件CATIA中稱重得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，需將圖中右側(cè)框中的數(shù)據(jù)作為輸入信息，輸入到機器人負載測算軟件中。這里不建議將圖中的重心主慣量矩[M1,M2,M3]的數(shù)據(jù)填入負載測算軟件中。

圖5 抓手的稱重數(shù)據(jù)

追加管線包對J3軸的附加質(zhì)量后，得到的機器人可用負載結(jié)果如圖6所示。

圖6 機器人抓手負載結(jié)果

焊鉗及快換盤的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動慣量數(shù)據(jù)從焊鉗制造商的圖紙說明中直接讀取后，還需要將其方位坐標以機器人坐標系TCP0為參照進行比對、轉(zhuǎn)換，之后測算得出負載評估結(jié)果。

3.4.3 管線包加載模型

加載機器人管線包質(zhì)量時，特別是加載到腕部軸和J3軸的附加質(zhì)量，當評估的負載指標接近標準的閾值時，會對機器人負載能力評估有顯著的影響。建立機器人管線包質(zhì)量加載的力學模型就很有必要，如圖7所示。

圖7 管線包質(zhì)量加載模型

圖中，m1是管線包支撐機構(gòu)的集中質(zhì)量，m2是管線包線纜的集中質(zhì)量，m3是管線包支撐環(huán)的集中質(zhì)量，質(zhì)心位置需要根據(jù)管線包廠商的圖紙或數(shù)模測量得出。

3.5 機器人型譜選型

對某一確定規(guī)格的機器人，其有效負載與工具系統(tǒng)的重心位置強相關(guān)。工具系統(tǒng)的設計重心在TCP0坐標系中的方位和坐標位置，可參考圖6中的負載曲線圖。

機器人負載評估及選型方案確定時，機器人規(guī)格也是非常重要的考量。重復定位精度在0.3 mm以下的，額定負載規(guī)格在150 kg以上的雙品牌六軸工業(yè)機器人型譜如圖8所示。圖中可以看出，Y品牌和A品牌額定負載在[150,235]kg區(qū)間的機器人分布比較密集。Y品牌在500 kg（第11號）和800 kg（第13號）的規(guī)格上沒有滿足區(qū)分條件的機器人對應，而A品牌在800 kg以上也沒有對應。

圖8 雙品牌機器人額定負載比較

4 改善實踐案例

通過如下技術(shù)措施解決及改善圖1所示問題。

a.清洗相關(guān)構(gòu)件，更換軸承及傳動軸。

b.對焊鉗及抓具進行輕量化設計。

c.優(yōu)化機器人和凸焊機的相對位置布局，并調(diào)整優(yōu)化焊接機器人的作業(yè)姿態(tài)。

4.1 搬運機器人有效負載改善

新車型X融入地板前部自動線中，由于焊接分總成的設計尺寸和質(zhì)量變大，搬運機器人260 kg機器人的評估負載，出現(xiàn)預警。圖9為地板前部抓手的機械安裝位姿。經(jīng)過軟件的稱重計算，得出機器人坐標系TCP0下的工具系統(tǒng)重心矢量G（18.0，0.5，309.5）mm，轉(zhuǎn)動慣量I（66.09,93.13,120）kg·m2。

圖9 抓手的安裝位姿

根據(jù)測算分析，在不考慮抓手質(zhì)量預留的情況下，機器人的工具質(zhì)量百分比已達到96%，已經(jīng)很接近機器人的額定負載。而且機器人J4-J6軸的轉(zhuǎn)動慣量均已超限，其各自的百分數(shù)為100%，118%，133%，需要立即采取技術(shù)措施。

圖11 更換完成的搬運機器人

經(jīng)過技術(shù)方案論證，需要更換腕部軸許用轉(zhuǎn)動慣量更大的機器人，原有260 kg機器人通過辦理利舊手續(xù)，移至其它小負載的工位上。在項目實施中，新采購400 kg的機器人替換了原有機器人，解決了J4-J6軸轉(zhuǎn)動慣量超限的問題，如圖10所示。測算的結(jié)果即使考慮抓手的質(zhì)量預留15 kg，也完全勝任此搬運工位的工作負載（p=66%，Mmax=53%，Imax=38%）。

圖10 抓手測算結(jié)果對比

在這個案例中，通過提升機器人規(guī)格（260 kg提升為400 kg），提高了該生產(chǎn)線的改造裕量，同時也從根本上避免了搬運機器人可用負載裕量不足或負載超限的情況，延長了機器人的使用壽命。

4.2 焊接機器人有效負載改善

自動焊接工位的改造中，機器人的負載也會出現(xiàn)風險預警。本案例發(fā)生在地板總成補焊工位左右兩側(cè)的2臺機器人（200 kg）上。焊鉗的機械安裝位姿如圖12所示。

圖12 R12機器人工具裝配姿態(tài)

經(jīng)過軟件的稱重計算，得出機器人TCP0下的工具系統(tǒng)重心矢量G（-313.5，-167.1，345）mm，轉(zhuǎn)動慣量I（23.95,37.95,31.7）kg·m2。

從分析測算結(jié)果(圖13)來看，機器人工具側(cè)的焊鉗工具質(zhì)量百分比為80%，比較理想。但是機器人J5軸的轉(zhuǎn)動慣量的百分數(shù)為91%，已超出設定目標85%，需要立即制定技術(shù)方案改進。

圖13 焊鉗測算結(jié)果對比

該方案實施后，盡管J4和J5軸的重力矩較大，但是通過提升機器人規(guī)格（200kg提升為215 kg）的辦法，改善了機器人J5軸作業(yè)的動態(tài)負載能力，提高了該生產(chǎn)線工位的負載改造裕量，同時也消除了工位上焊鉗抖動及電機異響現(xiàn)象。需要提及的是，本案例的機器人規(guī)格提升是利用了原有閑置的2臺搬運機器人，通過改造其系統(tǒng)配置實現(xiàn)的。同時還優(yōu)化了改造焊鉗的重心與J5軸在Z向的距離（Gz減小60 mm）。

圖14 更換完成的機器人

在解決以上問題的過程中，鍛煉了內(nèi)部工程人員負載分析及評判的專業(yè)能力，也增強了整車廠、線體商及機器人供應商多方技術(shù)管理人員的響應和協(xié)作能力。

5 預防經(jīng)驗應用

發(fā)現(xiàn)問題是改進負載評估工作的機會。以問題為導向，解決問題，總結(jié)經(jīng)驗，預防再發(fā)并持續(xù)改進是工程技術(shù)人員的不斷追求和價值體現(xiàn)。

更重要的是，這項工作也要以工藝的先期規(guī)劃設計為主線，完善機器人選型和引進的準入程序，充實相關(guān)的管理機制和技術(shù)依據(jù)，力爭從前期的負載評估環(huán)節(jié)中杜絕這些典型問題再發(fā)。

5.1 前期橫展應用

截止到目前，在焊裝工藝生產(chǎn)準備的項目中，采用本評估方法，識別出機器人可用負載的重要風險共132項，其中采取技術(shù)改進措施的已經(jīng)達到111項，其余21項需交由工廠設備保全工程師通過預測性維護技術(shù)加以監(jiān)控。

5.2 標準化預防

從問題解決邏輯來看，標準化的應用意義重大。問題解決取得初效后，工程技術(shù)團隊成員從問題起因出發(fā)，對車型項目實施提出了具體的技術(shù)及管理要求。例如，在先期機器人采購或改造之前，整車廠工程技術(shù)人員須對負責區(qū)域的初版機器人清單（含負載能力報告）、初版抓手及焊鉗清單進行逐一確認。原有機器人其對應的工具系統(tǒng)改造時，負載能力目標閾值上限推薦為（85%,90%,90%）。同時對新采購的標準六軸串聯(lián)型工業(yè)機器人，不論品牌，其可用負載的3項技術(shù)指標（工具質(zhì)量百分比p、單軸轉(zhuǎn)動慣量百分比、重力矩百分比）的目標閾值上限（80%,85%，85%），推薦為機器人單軸的可用負載上限。這樣就可以較好地提高生產(chǎn)線機器人的可用負載裕量，提升機器人系統(tǒng)運行的可靠度，以及自動生產(chǎn)線融入新車型的柔性。

同時，對外部的仿真及設計人員，編制了操作指導書，在工藝設計起初通過多方會簽機制及問題清單跟蹤解決遇到的各種具體問題。

5.3 精益化預防

在機器人負載評估過程中，精益化的技術(shù)管理能夠?qū)⒃u估工作做得更有效、更扎實。

在工藝方案規(guī)劃階段，提出了搬運機器人布局的邊界，機器人A品牌水平臂展建議不超出2 800 mm，Y品牌機器人水平臂展建議不超出2 942 mm。因為這樣可以解決機器人臂展大和額定負載小的矛盾。

在工裝結(jié)構(gòu)設計階段，收集梳理了同平臺參考車型的工裝數(shù)據(jù)圖表，為選型版機器人負載評估報告提供充分的技術(shù)依據(jù)，便于及時準確地開展評估工作。

5.4 知識化預防

為了讓工程技術(shù)團隊成員快速地掌握機器人可用負載評估技能，克服團隊成員的學科背景不一的困難，作者將遇到問題的解決方案及時總結(jié)成培訓材料，與成員分享、討論、探究，并同時交流想法意見，不斷改進。

6 結(jié)束語

生產(chǎn)現(xiàn)場是實踐真知的第一場所。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)線中遇到的機器人負載問題，從問題發(fā)生的原因和技術(shù)原理進行具體解析，制定問題解決措施，并在實際改善中落實。

通過對Y和A兩種品牌機器人的負載測算過程的梳理，提出了機器人腕部軸可用負載是由有效負載和附加負載組成的基本判斷；歸納總結(jié)了單關(guān)節(jié)軸可用負載評估的基本模型和管線包加載模型，以及可用負載評估的方法步驟；同時也指出了評估過程中一些常見的不足。

在機器人可用負載的實際案例分析的基礎(chǔ)之上，圍繞新改車型項目的焊裝工藝規(guī)劃設計，梳理了機器人作業(yè)負載評估的橫向展開做法，并且提出了機器人可用負載評估的標準化、精益化和知識化的預防性建議，以點帶面地推動該負載評估工作的持續(xù)開展和進一步落實。

車身焊裝專業(yè)的機器人使用點位較多，需要工程技術(shù)團隊和合作伙伴共同付出努力，才能達成機器人可用負載評估的預設目標。