淺談機電一體化在焊接生產中的應用

摘 要：隨著機電一體化技術的廣泛應用，制造業逐漸向自動化、智能化發展，焊接生產中通過廣泛應用機器人、自動化生產線，能夠提高生產效率和焊接品質。

關鍵詞：機電一體化；焊接；機器人；生產線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.046

近年來，機電一體化技術飛速發展，在各行各業得到了廣泛應用。通過機電一體化技術在制造業的應用，推動了生產系統向自動化、智能化發展，實現了傳統產業的改造升級。焊接是制造業最重要的工藝技術之一。隨著科學技術的發展，焊接已從簡單的構件連接方法發展成為制造業中生產精密產品的手段，傳統手工焊接已不能滿足現在高技術產品制造的質量、數量要求。因此，焊接生產通過與機器人、生產線等機電一體化技術的融合運用，能夠大幅提高生產效率，得到穩定的產品焊接質量和均衡的生產節奏。

本文將從焊接生產中應用廣泛的焊接機器人和焊接生產線兩方面來探討機電一體化在焊接生產中的應用。

1 焊接機器人

焊接機器人是工業機器人與現代焊接技術相結合，用以完成焊接作業任務的典型的機電一體化產品，是自動化焊接生產線中的基本單元。焊接機器人的出現和應用是焊接過程高度自動化的一個標志。自工業機器人誕生以來，大約有半數是焊接機器人。

焊接機器人的技術發展可分為三代[1]：

第一代是指基于示教再現工作方式的焊接機器人。由于其具有操作簡便、不需要環境模型、示教時可修正機械結構帶來的誤差等特點，在焊接生產中得到大量使用，是目前應用最廣泛的機器人。

第二代是指基于一定傳感器信息的感覺控制型機器人。在第一代機器人上加傳感器系統（視覺、力覺等），對環境的變化可進行一定范圍的適應性調整，目前已進入推廣應用階段。

第三代：智能型機器人。它不僅具有感知功能，還具有一定決策和規劃的能力。能根據人的命令或按照所處環境，自行做出決策，規劃動作，即按任務編程。

焊接機器人是焊接自動化的革命性進步，它突破了焊接剛性自動化的傳統方式，開拓了一種柔性自動化生產方式。剛性自動化設備通常都是專用的，僅適用于大、中批量產品的生產，小批量產品焊接中則以手工焊接為主。而焊接機器人可以替代手工實現小批量產品的自動化焊接生產。

與人工焊接相比，機器人焊接具有明顯的優勢。人工焊接時，焊接工人經常會受到心理、生理條件變化及周圍工作環境的影響，在惡劣的焊接環境下，工人易疲勞，難以長時間保持焊接質量的穩定性和一致性；而焊接機器人不會疲勞，可以24小時連續生產，工作狀態和焊接質量穩定，生產效率高，勞動安全衛生條件得到明顯改善。

焊接機器人按用途分為點焊機器人和弧焊機器人[2]：

（1）點焊機器人。點焊機器人能進行點焊自動作業，受控運動方式是點位控制。點焊機器人按照示教程序規定的動作和參數進行點焊作業，只在目標點位上完成操作。點焊機器人能夠快速完成小節距的多點定位，定位精度高，以保證焊接質量。從最初的增強焊作業發展到定位焊作業，點焊機器人的作業性能更加全面。

（2）弧焊機器人。弧焊機器人受控運動方式是連續軌跡控制，機械手終端按預期的軌跡和速度運行。在弧焊作業中，焊槍跟蹤工件的焊道運動，并不斷填充金屬形成焊縫。由于弧焊過程較復雜，要求機器人運動軌跡的重復精度、焊槍姿態、焊槍參數都要更精確。當焊縫短而多時，引弧和收弧較頻繁，要求弧焊機器人具有可靠地引弧和收弧功能。

隨著社會發展和技術進步，點焊機器人和弧焊機器人單獨工作有時已不能滿足生產要求，需將點焊機器人和弧焊機器人同時運用在同一工站進行協同作業，組成柔性生產系統，可以方便地實現多種不同類型工件的高效焊接加工，特別是在變換工件的適應性方面和生產過程的自動化方面充分顯示其優越性。

2 焊接生產線

焊接生產線[1]，是指將焊接生產所需各種備料、裝配、焊接、無損檢測等設備與焊件的上料、卸料、傳輸等機械裝置，按產品加工工藝程序進行有機排列組合而形成的機電一體化作業線。

焊接生產線按發展趨勢可分為兩種類型[3]：剛性焊接生產線和柔性焊接生產線。

剛性焊接生產線屬于傳統制造系統，通常把作業分為多個簡單工序，按分批投入的方式完成上述各簡單工序，屬于單個工序自動化。

柔性焊接生產線屬于柔性制造系統，用于制造小批量、多品種的產品，不同批次產品的不同工序可以重疊投入，以達到較高的設備利用率，減少加工過程中零件的中間存儲時間，快速響應客戶需求。

柔性焊接生產線采用計算器控制，控制中心顯示各單元的焊接狀況及物料運送等待信息。能實時了解生產狀態、合理進行生產調度，在制品的中間停留時間可減少到最少。在生產時，將工件放在生產線送料平臺，輸送系統自動識別工件類型，并將工件自動運送到相應的焊接單元進行焊接。自動焊接完成后，工件自動運出到下料平臺。工件搬運、上下料均由計算機控制，生產過程自動化程度高，可減少直接人工作業。

當今市場競爭加劇，產品更新周期加快，生產品種越來越多，批量越來越少，而焊接的工件越來越復雜，對焊縫的要求也越來越高。在生產中，焊接生產線的工作單元通過大量采用機器人和計算機控制進行協同作業，可方便實現不同類型工件的高效焊接加工，特別是在變換工件的適應性和自動化方面充分顯示出生產線和機器人柔性化的優越性。

隨著機電一體化技術的廣泛應用，焊接生產已從單一的焊接工序自動化向焊接過程、檢測、傳輸、管理等全系統自動化發展，從單機穩定焊接控制向多機焊接控制和智能化系統自動控制發展。隨著信息技術與制造業的深度融合，制造業已從機械化、自動化向數字化、網絡化、智能化發展，柔性焊接生產線、無人化車間、無人化工廠的應用推廣，將給制造業帶來巨大變革。

參考文獻：

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]林尚揚，陳善本，李成桐.焊接機器人及應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]趙熹華.焊接方法與機電一體化[M].北京：機械工業出版社，2001.

作者簡介：李永兵（1982-），男，山西太原人，機械設計工程師，研究方向：機械設計制造及自動化。