智能制造與機器人焊接技術(shù)的集成與應(yīng)用

鄧海鵬

（海安交睿機器人科技有限公司，江蘇南通226600）

0 引言

當(dāng)前焊接機器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機遇，一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷降低，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國正在由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強企業(yè)競爭力。這一切預(yù)示著焊接機器人的應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。

集焊接工藝、機械設(shè)計、識別和傳感技術(shù)、自動控制、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化裝備能夠滿足焊接需求，實現(xiàn)自動化、信息化和智能化，做好焊接質(zhì)量控制和檢測等基本需求。

1 焊接機器人的分類及發(fā)展方向

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

1.1 機器人本體結(jié)構(gòu)

焊接過程是一個對動作靈敏度反應(yīng)和定位精度要求很高的工藝過程，因此，輕便巧妙是機器人作為關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)的重要發(fā)展方向。機器人本體結(jié)構(gòu)正向著進一步模塊化、可重構(gòu)的方向發(fā)展。

1.2 智能傳感技術(shù)

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

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

隨著企業(yè)信息化和自動化融合的深入發(fā)展，機器人焊接不會成為孤立的一員，需要納入到整個數(shù)字化工廠的系統(tǒng)中。不僅如此，今后的發(fā)展趨勢還包括對機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行研究。

1.4 VR技術(shù)

VR即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，比如可以使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。

2 典型機器人焊接系統(tǒng)

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

2.1 機器人+焊接

機器人+焊接主要是就機器人單體實現(xiàn)焊接工序自動化而言，就是考慮機器人的動作對焊接過程的自動控制。機器人本體是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，控制柜是機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，示教器是機器人控制系統(tǒng)與操作者的交互界面，機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)生來源，焊槍是能量輸出的通路，送絲機構(gòu)和焊絲盤架是焊材的供應(yīng)來源。

2.2 機器人+焊接工作站

機器人+焊接工作站是一個相對獨立的焊接工作單元系統(tǒng)，這是從焊接整個過程的完成達成性角度而言。除了機器人施焊過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、變位機構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、保護圍欄、吸塵裝置等等。作為一個機器人焊接工作站，其任務(wù)就是能夠獨立完整地完成對某一工件的焊接工作，這就不僅對機器人如何去焊接提出了要求，而且對于如何保證機器人焊接也有所要求。

在焊接工件完成過程中，需要工件的位置固定并控制所需的工裝夾具和變位機構(gòu)，也需要圍欄、吸塵裝置等人身安全健康保護裝置。所有這些配套與機器人焊接的協(xié)調(diào)統(tǒng)一得靠一個整體的控制系統(tǒng)，目前較多的是采用PLC進行控制，而觸摸屏就是作為人機交互的界面。這樣就是一個相對獨立、可以完成機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行設(shè)計應(yīng)用的。

2.3 機器人+焊接生產(chǎn)線

機器人+焊接生產(chǎn)線是就側(cè)重機器人焊接生產(chǎn)過程的自動化而言的。一方面，在機器人焊接工作站的基礎(chǔ)上，在機器人工作站上會有所增加，形成多個焊接工作站所組成的生產(chǎn)線。另一方面，從焊接生產(chǎn)過程自動化角度來看，包括了備料、組對、上料、焊接、檢驗、下料、分揀等一系列工序的焊接產(chǎn)品生產(chǎn)全過程自動化。如此一來，整個工作環(huán)境的情況更為復(fù)雜，不僅是對生產(chǎn)線上各工作單元的要求更高，而且對整體協(xié)作的統(tǒng)一性和高效性提出了要求。只有多個自動化工作站之間工作形成高效對接和統(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，是一個信息化和自動化統(tǒng)一協(xié)作的簡單組合。機器人焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)的過程與質(zhì)量信息、生產(chǎn)管理信息等還可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字一體化管理。

3 智能焊接技術(shù)的集成應(yīng)用

下面介紹一個采用智能焊接工作站模式的案例，該項目目的是為江蘇南通某生產(chǎn)垃圾焚燒設(shè)備的集團公司實現(xiàn)中厚板組合焊接件的柔性化生產(chǎn)。由于客戶對產(chǎn)品種類、焊縫質(zhì)量、工件焊接位置以及焊接安全防護等方面都提出了相關(guān)指標(biāo)要求，因此我們推薦采用獨立焊接工作站的模式應(yīng)用到此項目。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：機器人系統(tǒng)（機器人本體、機器人控制柜、示教器）、焊接電源系統(tǒng)（焊機、送絲機、焊槍、焊絲盤）、控制系統(tǒng)（PLC控制柜、HMI觸摸屏、操作臺）、焊槍防碰撞傳感器、變位機及工裝夾具、機器人移動軌道、清槍站、安全系統(tǒng)（升降防護門、安全光幕）和排煙除塵系統(tǒng)等?；『笝C器人工作站采用雙工位設(shè)計，氣動/液壓焊接夾具，機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器人的等待時間，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）機器人系統(tǒng)：采用ABB專用弧焊機器人1660ID，同時配置TBI的水冷焊槍，焊槍自帶碰撞傳感器檢測，能夠有效地在機器人移動或焊接時對焊槍進行保護。

（2）焊接電源系統(tǒng)：焊接電源采用美國林肯的全數(shù)字式焊機R500，該焊機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)的控制器采用德國西門子的PLC，該控制器能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)的主要元件進行組網(wǎng)通信，穩(wěn)定可靠地控制系統(tǒng)的整個自動化運行，并能實時監(jiān)控相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)。

（4）變位機及夾具：變位機是本系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構(gòu)，變位機上安裝有專用的工裝夾具，可實現(xiàn)對工件的快速定位；變位機自身是可旋轉(zhuǎn)軸，由伺服電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)變換角度。

（5）機器人外部軌道：主要是對機器人整體位置的快速移動，實現(xiàn)對焊接工件不同位置的焊接，從而進一步增加機器人的工作范圍。

（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，在工件焊接時將焊接區(qū)域完全隔離，從而阻擋焊接弧光對外面操作人員的傷害；排煙系統(tǒng)采用高速電機控制的高負壓高效排煙過濾，能有效凈化焊接時產(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、人機界面（HMI）、工裝定位軸、機器人移動外部軸、ABB弧焊機器人系統(tǒng)、電焊機系統(tǒng)以及夾具氣缸通信閥島實現(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作為主控制器負責(zé)伺服軸的運動定位、夾具氣缸的控制以及與焊接機器人的協(xié)調(diào)作業(yè)，HMI觸摸屏用來對產(chǎn)品工藝進行選擇，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控以及將設(shè)備的實時運行狀態(tài)反饋給上位機控制系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)的搭建，該公司的生產(chǎn)車間已經(jīng)升級成為一個自動化、智能化、信息化，集多種先進技術(shù)于一體的亮點工程。

3.3 智能焊接功能說明

在該智能焊接工作站項目的實際應(yīng)用中采用了許多前沿的機器人焊接技術(shù)，下面對部分焊接技術(shù)進行簡單介紹：

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

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

（3）臨時停點自動恢復(fù)功能：焊接中發(fā)生電弧異常和暫時停止的時候，去除錯誤因素或者暫時停止原因后，在再啟動時調(diào)用命令，自動從任意位置向電弧切斷位置恢復(fù)，同時還可通過設(shè)定對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收投產(chǎn)以來，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。引進智能制造，提高企業(yè)軟實力的先進水平，表現(xiàn)了企業(yè)強大的生產(chǎn)和科研能力，也增加了客戶的信賴度，增強了企業(yè)的核心競爭力。

4 結(jié)語

進入工業(yè)4.0時代，國內(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，未來智能焊接還有更遠的發(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，而是一個全局性的提高，期待未來能夠看到更多智能制造、智能焊接的新技術(shù)、新應(yīng)用。

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