焊接機器人驅動方式應用的探討

唐山職業技術學院機電工程系 田明瑜

引言

隨著工業生產智能化的快速發展，焊接工藝作為產品制造加工過程中重要工藝之一，在機械加工、汽車制造工業、船舶制造、航天航空等領域廣泛應用，在人工智能技術的快速發展下，焊接機器人得到了快速發展。焊接機器人可以提高產品的生產效率，改善勞動者的勞動環境，能夠保證產品質量的穩定，易于實現產品的優量化生產，并能夠推動相關產業自動化升級改造。焊接的自動化以及智能化已經成為制造業發展的必然趨勢，焊接機器人已經成為現代化與自動化緊密結合的一大標志[1]。

1 焊接機器人分類

1.1 工藝方法分類

焊接機器人主要有弧焊機器人、點焊機器人、激光焊機器人、等離子焊機器人和攪拌摩擦焊機器人等；目前弧焊機器人和點焊機器人在生產中應用較為廣泛。弧焊機器人可進行長時間連續焊接作業，其特點是生產效率高、焊接質量高和穩定性好等。點焊機器人具有結構簡單，易操作、生產率高等優點，同時點焊工藝主要應用于金屬薄板的焊接，被廣泛用于汽車制造業和航空航天生產等工業領域[2]。

1.2 受控運動方式分類：點位控制型、連續軌跡控制型

點位控制是在操作空間中某些規定的離散點上的定位運動。要求焊接機器人能夠快速、準確地在相鄰各點之間準確運動，其技術指標是運動時間和定位精度。點位控制特點是具有易實現、控制方式簡單及定位精度不高等；連續軌跡控制是按照設計好預定的軌跡和速度在一定的精度范圍內運動，連續軌跡控制的特點是速度可控、軌跡光滑、運動平穩。連續軌跡控制的焊接機器人各關節連續、同步地進行相應的運動，其焊接執行部件形成連續的軌跡。軌跡跟蹤精度及平穩性是連續軌跡控制的焊接機器人技術指標。

1.3 驅動方式分類：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動

液壓驅動是將壓力能轉變成的機械能實現的，其工作介質為液壓油。該驅動方式特點是具有較高的功率重量比，驅動力較大，在重載運輸上具有較大優勢； 結構簡單，體積小，控制性能好，精度較高； 對外部環境要求不高，有很強的適應能力。氣壓驅動和液壓驅動相同也是將壓力能轉變成機械能實現力的傳遞，但其工作介質為空氣。空氣通過空氣壓縮機后，具有可控的壓力作為輸出動力源，實現能量的傳遞。氣壓驅動系統的特點是成本低、氣源方便、系統安全可靠、結構簡單，同時，因為空氣的物理特性，被壓縮后不會產生黏性過大的特征，因此，使用氣壓驅動裝置可以實現執行動作迅速變化，控制速度和執行速度快； 其產生的廢氣不會污染環境，但精度較差。電氣驅動是通過電機產生力和力矩進行控制，易操作，成本低，適用于大功率機器人。電氣驅動常見有：步進電機驅動、直流伺服電機驅動和交流伺服電機驅動。其中步進電機的定位精度高，但控制系統復雜，且速度的調節范圍較小[3-4]。

1.4 結構形式分類

按照運動的結構形式主要將焊接機器人分為球坐標型、直角坐標型、圓柱坐標型和全關節型4 類。

2 焊接機器人的動力源分析

機器人的工作離不開動力，目前主要采用的是傳統能源和新型能源兩種，焊接機器人采用的傳統能源是指以單一電能供電，其應用主要在固定工位，對單一產品焊接，供電主要是由線纜進行。固定工位焊接機器人作業主要有車間內設移動軌道和單自由度機械手焊接兩種。相對應可移動的焊接機器人，其動力源采用蓄電池，可以保障完成焊接作業區面積大、運動距離較長的焊接任務，但蓄電池的壽命短、質量重、功率密度較低和充電耗時較長等缺點，讓其很難滿足企業實際需求。為了更好地提高可移動機器人的應用性能，傳統能源目前存在的問題缺陷是當前研究者迫切需要解決的問題，將環保潔能的新能源應用到焊接機器人動力系統中可以解決傳統能源存在的缺陷。尤其是環保無污染的清潔能源得到廣泛關注，以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池，其環保性能好、轉換效率高，可擺脫電纜的約束。然而單一的燃料電池作為動力能源，存在設備啟動速度緩慢，載荷變大時響應較慢等缺陷。因此設計人員結合燃料電池與其他電源的優缺點，將兩種能源方式進行結合，形成一種混合動力能源向移動焊接機器人供能。如：將超級電容與清潔的燃料電池結合，大大改善了焊接機器人的功率需求；將具有快速供電性能的鋰電池和清潔的燃料電池結合，作為輔助能源的鋰電池可以在啟動加速階段快速供電，保證其正常的功率需求，同時保證清潔的燃料電池處的反應放電高效范圍；在減速制動時，機器人自身系統產生回饋，鋰電池進行儲能，為機器人下次的啟動加速工作做好準備。混合動力能源很大程度上實現焊接機器人快速、高效的工作需求。

3 焊接機器人驅動方式分析

隨著焊接技術的快速發展，焊接機器人也被越來越多的企業應用，在電氣驅動和氣動驅動的傳統驅動方式的基礎上，多種改進的驅動形式在焊接機器人的設計制造得到應用。如移動焊接機器人中采用的差速驅動，可以實現對焊縫高精度的跟蹤控制，具有較好的穩定性，通過采用后輪差速驅動對機器人的軌跡控制和姿態的調節。差速轉向解決了移動焊接機器人運行中的轉向側滑問題，同時大大將焊接機器人的運行穩定性和跟蹤軌跡的精度提高。因冗余驅動技術具有較好的靈活性和精準度，因此將冗余機器人與焊接技術結合優化，不僅可以避免機器人運行時本體與焊接肢體的干涉碰撞，同時能夠使機器人的工藝位置更加精確，產品的質量和效率得到大大提高；球形電機具有多自由度、控制簡單、性價比高等特點，將其作為驅動裝置，可減少焊接機器人系統的電機數量，系統結構更加優化，提高焊接機器人的經濟性能。新型的驅動方式在很大程度蓋改善了焊接機器人的性能，提高了生產效率，得到企業的廣泛認可，從而也促進了焊接機器人快速發展。

4 結語

焊接機器人的技術的發展和應用，為企業提高了生產效益，同時，在一定程度上改善了焊工操作者的工作環境。焊接機器人的能源和驅動方式選用是研發設計過程中重要環節。文中對焊接機器人的分類及驅動方式進行了闡述，分析了當前焊接機器人采用的主要驅動方式，對企業或研發人員進行焊接機器人設計具有一定的指導意義。