焊接機(jī)器人設(shè)計時需要注意的問題

張炯　陳韶飛

摘 要：文章就焊接機(jī)器人的設(shè)計要點(diǎn)，控制系統(tǒng)，以及對機(jī)器人焊接設(shè)計時需要注意問題進(jìn)行的闡述。焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于流水線作業(yè)，例如汽車加工中的焊接操作等，焊接機(jī)器人具有焊接穩(wěn)定，成品率高的特點(diǎn)，越來越為人們所接受。

關(guān)鍵詞：焊接；機(jī)器人；研究分析

焊接工作由于工作量大，焊接產(chǎn)生的氣體會對人體產(chǎn)生危害等，現(xiàn)如今，在焊接過程中產(chǎn)生了焊接機(jī)器人來替代人來進(jìn)行焊接，焊接機(jī)器人主要由機(jī)械部分和電氣控制部分組成，機(jī)械部分包括機(jī)器人本身和焊接部分，電氣控制等主要是由計算機(jī)控制的電機(jī)來帶動機(jī)器人運(yùn)動到程序指定的位置并通過測量反饋來精確控制運(yùn)動從而完成焊接。

1 焊接機(jī)器人的設(shè)計情報收集

焊接機(jī)器人在設(shè)計時要根據(jù)焊接的實際需要，了解焊件的材料特性，焊縫的要求，以及工序的安排的情況，在了解到這些信息后結(jié)合實際進(jìn)行設(shè)計。

1.1 設(shè)計初步選型

焊接機(jī)器人為達(dá)到在空間位置移動的目的一般設(shè)計為六軸，在設(shè)計之初需要了解到機(jī)器人將要完成什么樣的焊接，結(jié)合焊件的材質(zhì)，對焊縫的要求，以及采用什么樣的焊接方式，機(jī)器人以什么樣的行動軌跡來達(dá)到程序制定的位置，怎么實現(xiàn)以上這些要求等，初步估計出機(jī)器人的定位方式，焊接夾具大小和質(zhì)量等。從以上這些來選用相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動方式，檢測及方式等。

焊接機(jī)器人通常是成套協(xié)作來完成焊接，根據(jù)用戶提供的焊接流程，所需完成的焊接等來確定機(jī)器人的布置方式，例如（立式、側(cè)壁、倒掛）等，通過使用相應(yīng)的模擬軟件來查看前后工序之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動，依據(jù)軟件顯示的模擬結(jié)果，來明確機(jī)器人的布置方式是否合理。

1.2 焊接工藝裝備確定

1.2.1 工裝夾具。焊接機(jī)器人由于其具有的成品率高，焊接速度快，焊接穩(wěn)定等特點(diǎn)可用于大批量焊接作業(yè)，但是以上這些都是建立在焊件的裝夾穩(wěn)定，裝夾精度高的基礎(chǔ)上的，所以合理的焊件裝夾工具，以及裝配模臺對焊接具有很重要的影響意義。

1.2.2 變位機(jī)。焊接輸送線上裝配著焊件和裝夾工具等，其要求具有很高的定位能力和運(yùn)動的平穩(wěn)性，來保證焊件能夠精確地運(yùn)動到制定的位置不能由大的傳動誤差，因此輸送線的定位精度對焊接的精度具有和高的影響作用，因此在設(shè)計時要對這些方面重點(diǎn)關(guān)注。

1.2.3 機(jī)器人工作滑臺。在焊接的過程中，機(jī)器人由于本身結(jié)構(gòu)的原因，焊接的某些位置無法達(dá)到，只能通過改變機(jī)器人的位置從而達(dá)到使機(jī)器人的焊槍達(dá)到指定的位置從而進(jìn)行焊接。這些位置的改變是通過滑臺來達(dá)到目的的。

1.2.4 焊接系統(tǒng)。下面將介紹焊接系統(tǒng)，以上介紹的是機(jī)器人通過移動和定位從而使焊槍能夠達(dá)到指定的位置，而到達(dá)指定位置以后就需要焊接系統(tǒng)來進(jìn)行焊接。

2 焊接機(jī)器人的安裝調(diào)試

2.1 抗干擾措施

在焊接機(jī)器人焊接過程中由于焊接系統(tǒng)需要通過很大的電流來進(jìn)行焊接，這些將對機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、以及位置檢測裝置等進(jìn)行影響，同時這些干擾也會對機(jī)器人的運(yùn)算控制部分產(chǎn)生影響，雖然在設(shè)計時就這些影響因素進(jìn)行了考慮，采取了濾波、接地等一系列的干擾措施，但是安裝說明上明確要求對高頻干擾進(jìn)行防范。在鋪設(shè)地線時用搖表進(jìn)行電阻測量，達(dá)到不大于4.0Ω的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 機(jī)器人外部軸標(biāo)定

焊接機(jī)器人采用的六個軸一般在在制造時已經(jīng)進(jìn)行了定義，而在實際運(yùn)行時建立的空間直角坐標(biāo)則需要進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。

2.4 焊接試驗

在以上這些安裝步驟完成后將進(jìn)行試焊接，在花盤或夾緊工具上放置焊件并夾緊，編制一定的焊接程序，采用測量工具檢測機(jī)器人在運(yùn)動的過程中的偏差看是否在允許的誤差范圍內(nèi)，檢測看能否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，如不能達(dá)到則需要對工具中心點(diǎn)CP進(jìn)行校準(zhǔn)，直到滿足要求為止。

3 實際應(yīng)用

焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于流水線等大批量等焊接，而在單件、大型結(jié)構(gòu)件、小批量生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人由于投入成本過高投入和產(chǎn)出不成正比往往應(yīng)用不多，焊接機(jī)器人對使用環(huán)境等要求過高造成很多企業(yè)更傾向于使用人工焊接這種靈活性高，使用要求低的方式。

3.1 對這些可能存在的問題進(jìn)行分析

（1）變位機(jī)設(shè)計不到位，具體體現(xiàn)在傳動無法達(dá)到精確定位，同時機(jī)器人本身的剛性較差，機(jī)器人通常選用的是伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，伺服電機(jī)具有體積小，響應(yīng)準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)，較之于一般電機(jī)，具有更好的可操作性，可以靈活的調(diào)節(jié)電機(jī)對于控制響應(yīng)的速度。（2）機(jī)器人使用自由度不夠，焊接機(jī)器人由于采用了六個軸的設(shè)計，這種設(shè)計在達(dá)到靈活的同時也會造成控制復(fù)雜的影響，在焊接時，有時需要采沿著某一直線或者是曲線來連續(xù)工作，由于是空間移動，需要六個軸同時進(jìn)行協(xié)調(diào)移動，這就需要大量插補(bǔ)計算，六個軸在運(yùn)動的過程中可能會出現(xiàn)突然出現(xiàn)速度急劇上升或下降趨勢，而造成的電機(jī)電流過大，系統(tǒng)報警等從而影響焊接的進(jìn)行，這種位置一般稱為奇點(diǎn)，這就要求在設(shè)計時避開這些點(diǎn)，從而保證焊接的進(jìn)行。（3）焊件裝夾工具的設(shè)計不合理，在設(shè)計時并未結(jié)合機(jī)器人的焊接實際進(jìn)行考慮，從而造成機(jī)器人造價的上升。（4）焊件要求的加工精度高，機(jī)器人焊接不同于人工焊接，人工焊接時，可以通過實際情況采用相應(yīng)的應(yīng)對措施，例如，根據(jù)熔池液面狀況，隨時調(diào)整焊槍移動量、送絲量。而在機(jī)器人焊接時，其都是通過程序控制，控制其走多少，怎么走等，根據(jù)實際情況來更改焊接工藝要么是很難以實現(xiàn)，要么就是實現(xiàn)的成本過高，這都造成焊接時對焊件的加工要求高。

3.2 針對問題的解決方法

對于變位機(jī)出現(xiàn)的定位不準(zhǔn)或者是重復(fù)定位的問題，可以通過進(jìn)行增加軌跡點(diǎn)的問題來進(jìn)行解決。而在對于焊接時出現(xiàn)的抖動問題可以通過采用焊頭通過伺服電機(jī)來跟隨焊件進(jìn)行平焊，當(dāng)遇到上坡焊與下坡焊時，通過采用伺服控制來使焊頭進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，是指盡量與焊件保持平緩的姿態(tài)從而減少抖動的。

3.3 焊接的控制系統(tǒng)

從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個方面。下面將介紹移動式焊接機(jī)器人的焊縫跟蹤系統(tǒng)。 在整個焊接過程中，焊接機(jī)器人要自動尋找焊縫，施焊縫的自動跟蹤和機(jī)器人位姿的自動調(diào)整。顯然焊接機(jī)器系統(tǒng)是一個復(fù)雜的實時多任務(wù)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)選用DSP作為整個控制系統(tǒng)的核心，運(yùn)行速度快，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和豐富的外圍資源，可以大大簡化電路設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力和運(yùn)算能力，便于各種先進(jìn)的控制算法和跟蹤算法在系統(tǒng)上的實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的智能化程度。

3.4 機(jī)器人的使用安全

焊接機(jī)器人是高度集成化的工業(yè)結(jié)晶，是機(jī)械、電子、數(shù)控及計算機(jī)技術(shù)等的完美結(jié)合，其具有本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成化程度高等的特點(diǎn)，通過使用焊接機(jī)器人是能夠達(dá)到生產(chǎn)速度快、焊接品質(zhì)高等，但是在操作使用焊接機(jī)器人時也是具有一定的安全風(fēng)險，一點(diǎn)使用不當(dāng)，則會發(fā)生碰撞焊槍，更甚至是機(jī)器人進(jìn)行碰撞，這就度操作人員提出了更高的要求，對操作人員的職業(yè)素養(yǎng)和技能提出了更高的要求。在使用時必須建立完善的管理機(jī)制，防止意外事故發(fā)生。

4 結(jié)束語

文章就焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意的一些問題以及使用的安全問題進(jìn)行了介紹。

參考文獻(xiàn)

[1]李永明，王健.焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究[J].儀表技術(shù)，2009.