焊接機器人介紹

1、目錄焊接機器人介紹11焊接機器人的應(yīng)用背景31.1焊接機器人的概述31.1.1焊接機器人的優(yōu)點31.1.2 焊接機器人的發(fā)展歷史41.2焊接行業(yè)中采用焊接機器人的重要性61.3焊接機器人對車身焊接的現(xiàn)狀61.4某款微型汽車車身制造中機器人焊接與人工焊接的詳細對比71.4.1焊接機器人 SPQRC71.4.2人工焊接 SPQRC81.4.3對比總結(jié)91.5微型汽車車身制造焊接工藝中需要注意的問題101.6點焊使用中存在的問題111.7焊接機器人在某條重卡裝焊線上應(yīng)用時存在的問題及經(jīng)驗匯總122 焊接機器人使用中的共性關(guān)鍵技術(shù)132.1焊縫跟蹤技術(shù)與離線編程技術(shù)的研究132.2焊接機器人焊接路徑規(guī)

2、劃152.3對多臺焊接機器人及外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究162.4對焊接機器人采用弧焊電源的研究162.5仿真技術(shù)及機器人用焊接工藝方法162.6焊接工藝的制定172.6.1焊接工藝的研究內(nèi)容172.6.2焊接工藝要素172.7焊接機器人專用夾具的設(shè)計18焊接機器人介紹1焊接機器人的應(yīng)用背景工業(yè)制造領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的機器人是焊接機器人，特別是在汽車制造業(yè)中，機器人使用量約占全部工業(yè)機器人總量的30%，而其中的焊接機器人數(shù)量就占去50%左右。焊接是現(xiàn)代機械制造業(yè)中必不可少的一種加工工藝方法，在汽車制造、工程機械、摩托車等行業(yè)中占有重要的地位。過去采用人工操作焊接加工是一項繁重的工作， 隨著許多

3、焊接結(jié)構(gòu)件的焊接精度和速度要求越來越高，一般工人已難以勝任這一工作。此外，焊接時的電弧、火花及煙霧等對人體會造成傷害，焊接制造工藝的復(fù)雜性、勞動強度、產(chǎn)品質(zhì)量、批量等要求，使得焊接工藝對于自動化、機械化的要求極為迫切，實現(xiàn)機器人自動焊接代替人工操作焊接成為幾代焊接人的理想和追求目標。汽車制造的批量化、高效率和對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使焊接機器人在汽車焊接中獲得大量應(yīng)用。汽車制造中的機器人自動焊接所占比重也超過建筑、造船、鋼結(jié)構(gòu)等其它行業(yè)，這也反映出汽車焊接生產(chǎn)所具有的自動化、柔性化、集成化的制造特征。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(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動化生產(chǎn)

4、方式。剛性自動化生產(chǎn)設(shè)備通常都是專用的，只適用于中、大批量的自動化生產(chǎn)，因而在很長一段時期內(nèi)中、小批量產(chǎn)品的焊接生產(chǎn)中，仍然以手工焊接為主要的焊接方式，而焊接機器人的出現(xiàn)，使小批量產(chǎn)品自動化焊接生產(chǎn)成為可能。由于機器人具有示教再現(xiàn)功能，完成一項焊接任務(wù)只需要人給機器人作一次示教，隨后機器人可精確的再現(xiàn)示教的每一步操作。如果需要機器人去作另一項工作，無需改變?nèi)魏斡布?，只要對機器人再作一次示教或編程即可，因此，在一條焊接機器人生產(chǎn)線上，可同時自動生產(chǎn)若不同產(chǎn)品。1.1焊接機器人的概述焊接機器人是集機械、計算機、電子、傳感器、人工智能等多方面知識技術(shù)于一體的現(xiàn)代化、自動化設(shè)備。焊接機器人主要由機器人

5、和焊接設(shè)備兩大部分構(gòu)成。機器人由機器人本體和控制系統(tǒng)組成。焊接設(shè)備以點焊為例，則由焊接電源、專用焊槍、傳感器、修磨器等部分組成。此外，還有相應(yīng)的系統(tǒng)保護裝置。1.1.1焊接機器人的優(yōu)點(1) 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊縫均勻性;(2) 提高勞動生產(chǎn)率，一天可24小時連續(xù)工作:(3) 改善工人勞動條件，可以在有毒、有害的環(huán)境下工作;(4) 降低對工人操作技術(shù)的要求;(5 )可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化;(6) 能在空間站建設(shè)、核能設(shè)備維修、深水焊接等極限條件下完成人工無法或難以進行的焊接作業(yè);(7 )為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。1.1.2 焊接機器人的發(fā)展歷史從二十世紀六十年代焊接機器人誕生和

6、發(fā)展到現(xiàn)在，焊接機器人研究大致分為三代：第一代是指基于示教再現(xiàn)方式的焊接機器人，由于其操作簡便、不需要環(huán)境模型，并且可以在示教時修正機械結(jié)構(gòu)帶來的誤差，因此在焊接生產(chǎn)中得到大量的應(yīng)用。第二代是指基于一定傳感器傳遞信息的離線編程機器人，它得益于焊接傳感技術(shù)和離線編程技術(shù)的不斷改進和快速發(fā)展，目前這類機器人己經(jīng)進入實際應(yīng)用研究階段。第三代是指具有多種傳感器，在接收作業(yè)指令后可根據(jù)客觀環(huán)境自行編程的高度適應(yīng)性智能焊接機器人。這一代機器人由于人工智能技術(shù)發(fā)展的滯后，目前正處于實驗研究階段。隨著計算機智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展進步，焊接機器人從單一的示教再現(xiàn)型向多傳感器、智能化、柔性化加工方向發(fā)展必將是下一

7、個目標。最近幾十年來，隨著焊接技術(shù)和其他科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了激光、電子束、等離子及氣體保護焊等新的焊接方法以及高質(zhì)量、高性能焊接材料的不斷發(fā)展和完善，使得幾乎所有的工程材料都能實現(xiàn)焊接。而且焊接自動化技術(shù)發(fā)展迅速，自動化焊接的生產(chǎn)方式越來越多的代替了手工焊接生產(chǎn)方式。在各種焊接技術(shù)及焊接系統(tǒng)中， 以電子技術(shù)、信息技術(shù)及計算機技術(shù)綜合應(yīng)用為標志的焊接機械化、自動化系統(tǒng)乃至焊接柔性制造系統(tǒng)，是信息時代焊接技術(shù)的重要特點。實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化與智能化己成為必然趨勢。采用機器人焊接己成為焊接自動化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標志。焊接機器人由于具有通用性強、工作可靠的優(yōu)點，受到人們越來越多的重視

8、。在焊接生產(chǎn)中采用機器人技術(shù)，可以提高生產(chǎn)率、改善勞動條件、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。國外發(fā)達工業(yè)國家在制造業(yè)中應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)相當廣泛，從上個世紀六十年代初焊接工業(yè)機器人剛誕生不久就開始應(yīng)用機器人進行焊接加工，經(jīng)過四十多年的技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗積累，不僅技術(shù)上相當成熟，而且在實際應(yīng)用上也很成功，國際上許多大型汽車企業(yè)都廣泛采用機器人進行汽車制造的焊接加工，大大提高了汽車產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，獲得很好的經(jīng)濟效益和社會效益。美國通用、福特，日本豐田、日產(chǎn)，德國大眾、寶馬等大型汽車企業(yè)基本上建立了全部采用機器人焊接的車身焊接生產(chǎn)線。發(fā)達國家焊接自動化生產(chǎn)從最初的半自動化，采用焊接

9、機器人代替手工焊接，但上下料、待焊工件定位夾緊等工作仍需手工完成，現(xiàn)今已發(fā)展成柔性自動化焊接生產(chǎn)線，整個焊接過程均自動完成。當今的汽車產(chǎn)品改型換代相當頻繁，不同的車型需要不同的焊接生產(chǎn)線，如果重建新的焊接生產(chǎn)線，要花費大量資金，而原有的焊接生產(chǎn)線則被閑置或報廢，造成極大浪費。假如焊接生產(chǎn)線具有柔性，則只須對生產(chǎn)線進行局部改造就可以滿足新產(chǎn)品車型的生產(chǎn)需要。自動化焊接生產(chǎn)線是由焊接設(shè)備、焊接工裝夾具及自動控制和機械化運輸系統(tǒng)等組成，其中焊接設(shè)備的柔性是決定焊接生產(chǎn)線柔性的關(guān)鍵。而焊接機器人是機體獨立、動作自由度多、程序變更靈活、自動化程度高、柔性程度好的焊接設(shè)備，具有多用途功能、重復(fù)定位精度高、

10、焊接質(zhì)量高、運動速度快、動作穩(wěn)定可靠等特點，是焊接設(shè)備柔性化的最佳選擇。我國的機器人焊接應(yīng)用起步較晚，二十世紀七十年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所合作研制的直角坐標機械手，成功地應(yīng)用于“上海牌”轎車底盤的焊接，可以看作是我國機器人焊接應(yīng)用的萌芽，雖然這還不是嚴格意義上的機器人焊接。到了二十世紀八十年代，我國應(yīng)用機器人焊接生產(chǎn)的發(fā)展開始明顯加快，主要是在一些大、中型的汽車、摩托車、工程機械等制造業(yè)企業(yè)中廣泛采用，特別是在汽車制造企業(yè)，焊接機器人的應(yīng)用最為廣泛。1984年“一汽”成為我國最早引進焊接機器人進行汽車制造的企業(yè)，先后從德國KUKA公司引進了3臺焊接機器人用于當時的“紅旗牌”轎車

11、的車身焊接和“解放牌”卡車的車頂蓋焊接。1986年又成功應(yīng)用機器人焊接汽車前圍總成，1988年又開發(fā)了機器人焊接車身總焊裝線。此后隨著德國大眾等一批世界著名汽車企業(yè)在中國合資辦廠，帶來了一系列自動化生產(chǎn)設(shè)備和工藝裝備，使焊接機器人大量進入我國。到2001年，我國全國各類焊接機器人數(shù)量就達到一千臺，此后由于我國汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，我國焊接機器人每年以近千臺的數(shù)量劇增， 目前己突破五千臺。汽車制造中的發(fā)動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂這六大總成加工都離不開焊接技術(shù)應(yīng)用，隨著我國汽車需求量的激增，汽車制造業(yè)急需適應(yīng)市場需求的先進加工技術(shù)來改變傳統(tǒng)的加工方法。焊接加工作為汽車制造中重要的技術(shù)之一，

12、也亞需采用先進的自動化加工技術(shù)來替代傳統(tǒng)的落后的加工方法，提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，提升中國制造業(yè)自動化水平。汽車工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力代表一個國家工業(yè)技術(shù)水平，我國汽車工業(yè)正在步入一個高速發(fā)展的快車道，并成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟的貢獻和提高人民生活質(zhì)量的作用也越來越大。中國加入WTO后，面對國際市場的激烈競爭，中國的制造企業(yè)，特別是汽車工業(yè)急需引進、開發(fā)具有世界先進水平的生產(chǎn)線。目前，我國許多大型的汽車制造企業(yè)都在努力進行現(xiàn)代化的技術(shù)改造，如在焊接加工中采用半自動、全自動化加工技術(shù)，運用機器人來完成人工動作，如焊接機器人、上下料機器人、搬運機器人等。利用機器人焊接可以有效提

13、高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、改善工人勞動條件、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量。雖然我國已經(jīng)掌握了焊接機器人生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，并且也有專門生產(chǎn)焊接機器人的工廠，但是機器人產(chǎn)品同世界先進產(chǎn)品相比，在性價比上還有很大差距。目前我國焊接機器人應(yīng)用主要以自我設(shè)計開發(fā)焊接輔助設(shè)備為主，結(jié)合先進的焊接機器人產(chǎn)品，研發(fā)出焊接機器人工作站、焊接機器人生產(chǎn)線等自動化焊接加工系統(tǒng)，應(yīng)用于我國飛速發(fā)展的汽車工業(yè)及其它制造業(yè)。1.2焊接行業(yè)中采用焊接機器人的重要性由于存在焊接煙塵、弧光、金屬飛濺，焊機環(huán)境惡劣，焊接質(zhì)量的好壞決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。主要的重要性如下：1） 焊接質(zhì)量穩(wěn)定并得到提高，均一性得到保障。焊接結(jié)果主要受焊接電流、電壓、速度

14、及干伸長度等焊接參數(shù)的影響。機器人焊接時，每條焊縫的焊接參數(shù)恒定，人為影響比較小。當人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，質(zhì)量的均一性不能保障。2） 工人勞動條件得到改善。工人在焊接機器人的應(yīng)用中只負責裝卸工件，從而遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊工人來說，不用再搬運笨重的手工焊鉗，工人的勞動強度得到了改善。3） 勞動生產(chǎn)率得到提高。機器人不會感到疲勞，可以整天24 小時連續(xù)生產(chǎn)，隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，勞動生產(chǎn)效率得到大大的提高。4） 產(chǎn)品周期明確，產(chǎn)品產(chǎn)量容易控制。機器人的生產(chǎn)環(huán)節(jié)是固定的，所以安排生產(chǎn)的計劃將會非常明確。5） 大大縮短了產(chǎn)品改型換代的周期,設(shè)

15、備投資相應(yīng)減少。焊接機器人可以實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的自動化，通過修改程序來適應(yīng)不同工況，較傳統(tǒng)焊接優(yōu)勢明顯。1.3焊接機器人對車身焊接的現(xiàn)狀從本質(zhì)上講焊接是使用局部加熱或加壓，或同時加熱、加壓的方法，使連接處的金屬變成塑性狀態(tài)或熔化，在原子間的結(jié)合力作用下把兩個或多個金屬工件連接到一起的過程。汽車車身焊接生產(chǎn)線的發(fā)展通過從手工、（半） 自動剛性、（半） 自動柔性等不同階段，現(xiàn)已慢慢成熟。目前，國內(nèi)應(yīng)用于汽車車身的焊接方法多種多樣，最廣泛常用的是電阻焊工藝。而在國外激光焊接機器人已經(jīng)大量投入于生產(chǎn)中。1.4某款微型汽車車身制造中機器人焊接與人工焊接的詳細對比一直以來大家接觸關(guān)于機器人焊接的信息大都是積

16、極的，如同在第一章中提到的那樣焊接機器人有許多的優(yōu)點，白車身焊裝自動線是工業(yè)機器人應(yīng)用的一個典型領(lǐng)域,用機器人來代替人工焊接是未來發(fā)展的必然趨勢。但正是出于對微型汽車“低成本，高價值”制造理念的深刻理解，以及通過對生產(chǎn)線人工焊接的仔細觀察分析，作者發(fā)現(xiàn)人工焊接同樣有自己的特長和優(yōu)勢。把車身生產(chǎn)線的工人全部用機器人來代替的想法，并不現(xiàn)實。特別是對于微型汽車或者低成本的車身制造來說，只有把機器人焊接和人工焊接有機的結(jié)合起來才是正道。為了能更加有效的對比機器人焊接和人工焊接，作者引入 SPQRC的比較指標。SPQRC 即 S 安全（Safety） 、P 人員 （People）、Q 質(zhì)量（Qualit

17、y）、R 響應(yīng)（Responsiveness）、C 成本（Cost Goals）。1.4.1焊接機器人 SPQRC安全：機器人在安全方面有著無可比擬的優(yōu)勢。適合在車身焊接這種惡劣的工作環(huán)境（噪聲大、金屬焊接飛濺物多、金屬粉塵多、焊接過程中光和熱輻射強）下長時間運行，不存在人機工程問題。周邊設(shè)備工作穩(wěn)定，安全風險低。人員：焊接機器人一旦調(diào)試完成后得益于其很低的設(shè)備故障率，只需要少量專門的操作和維護人員。但對人員的技術(shù)水平要求高，需要維護人員需要經(jīng)過較長時間的培訓和實踐才能獨立處理故障。無論是進行在線式還是離線仿真編程，都需要工程技術(shù)人員有很高技術(shù)水平和經(jīng)驗。質(zhì)量：調(diào)試好數(shù)據(jù)后，質(zhì)量好且穩(wěn)定性高。

18、但系統(tǒng)缺乏自我糾正能力，當發(fā)生質(zhì)量偏移時，沒有辦法立刻做出自發(fā)的檢查和調(diào)整，需要待后面的工序檢查反饋后才能調(diào)整。目前的智能視覺檢查系統(tǒng)還處于起步階段，價格昂貴且只是在部分弧焊和激光焊接上有使用，還沒有出現(xiàn)點焊的應(yīng)用實例。響應(yīng)：（1）機器人焊接速度快，特別是使用伺服焊槍系統(tǒng)，機器人每個焊點相對于人工可以節(jié)省大約 50%的時間。以本次改造項目為例：每臺機器人平均焊接 28 點，改造前這些工位的工人平均每人焊接 18 點。平均機器人焊接一個焊點需要 2 秒，而人工平均焊接一個焊點的時間為 3 秒。（2）另外一個優(yōu)點是，由于使用了離線編程技術(shù)，機器人仿形軌跡的調(diào)試時間較以往有明顯縮短，使系統(tǒng)調(diào)試的時間

19、較短。并且試生產(chǎn)和產(chǎn)能爬坡時間段短，事實上幾乎不需要爬坡時間。完成后可以馬上投入三班運行。這一點對于新產(chǎn)品研發(fā)后迅速提高產(chǎn)能搶占市場尤為重要。（3）焊接機器人的平均故障率低于人工生產(chǎn)線，但遇到重大故障時的處理時間也比一般設(shè)備要更長。這一點可以通過人工補焊等應(yīng)急措施來彌補。（4）機器人生產(chǎn)工位提速能力弱。由于機器人焊接在設(shè)計時往往是針對特定的焊點，如果計算合理機器人焊接的效率是很高的，但反過來說就不會有很大的余量。在原有工位內(nèi)增加機器人的空間也難以找到。經(jīng)過計算本次改造項目所有費用均攤到機器人為 60 萬元/臺、后期維護費用每年平均要 1 萬元（更換潤滑油和零件等）、每班次使用成本為平均功率 1

20、0KW 每年的電費大約是 2 萬元。1.4.2人工焊接 SPQRC安全：車身焊接環(huán)境惡劣，焊接時產(chǎn)生的大量金屬煙塵、強光/熱輻射、巨大的噪音在不斷的侵蝕著操作工人的健康。特別是有許多焊接位置的流水線其人機工程更差，進一步加大了工人的勞動強度和健康代價。車身線設(shè)備復(fù)雜，危險因素多，雖然有嚴格的安全制度，但各種安全事故還是時有發(fā)生。人員：車身是僅次于總裝的人員需要求大戶，每條生產(chǎn)線需要配置大量的焊接操作工人，還必須配置較多的班組長對一線員工進行管理。對人員進行較長時間的培訓才能達到熟練焊接的技能水平。但員工知識的起始點要求不高，這使企業(yè)很容易從勞動力市場上招聘到需要的人員。質(zhì)量：工人在工作過程中隨

21、時觀察到質(zhì)量的變化，并常常會根據(jù)零件的一些細小不同，動態(tài)的進行適應(yīng)，并且立刻采取措施調(diào)節(jié)焊接工具的位置和狀態(tài)，還可以馬上對質(zhì)量問題進行反饋和解決。但焊接的質(zhì)量直接受到員工焊接技能和工作時身體、心理狀態(tài)的影響，質(zhì)量具有隨機性，穩(wěn)定性不強。響應(yīng)：1）焊接速度一般，特別是在焊點位置人機工程差的地方速度更加不理想。2）系統(tǒng)試生產(chǎn)和生產(chǎn)爬坡時間長 ?？紤]到市場的變化，企業(yè)不可能在短時間內(nèi)招聘大量的工人，難以確保三班同步運作。3）人員變動可以通過及時更換和調(diào)整解決，不易發(fā)生長時間的停線。4）通過增加操作人員數(shù)量和優(yōu)化工序步驟實現(xiàn)生產(chǎn)提速較簡單。成本：在人工工位需要構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)室體和工作平臺，加上需要購買的焊

22、接設(shè)備每一個工位大約投入 30W。目前了解到生產(chǎn)線每名工人每年的費用大約是 4 萬元，每個工位通常配置 6 名工人。1.4.3對比總結(jié)以下對比重點在于成本。對比中均不包含工裝夾具和車身輸送設(shè)備等主線設(shè)備，因為無論是機器人焊接還是人工焊接這些設(shè)備都是必須的，不會影響投入。以本地一個 4 臺機器人的補焊工位為例，在 40JPH（40 件/小時產(chǎn)量）的條件下：單臺機器人焊接速度約為人工的 1.5 倍。那么同樣完成相同的工作的人工工位需要配置 6 個工人，如果開 3 個班就需要 18 人。機器人初期一次性需要投入：60×4=240 萬元 每年的費用 4×（1年維護費用+2每班次電費

23、×班次數(shù)）人工工位初期一次性投入：30W 每年的人力投入：6×4×班次數(shù)由此計算兩者的成本對比平衡點出現(xiàn)：開一班生產(chǎn)：在第 17.5 年，18 年后機器人的成本將低于人工。開二班生產(chǎn)：在第 7.5 年，8 年后機器人的成本將低于人工。開三班生產(chǎn)：在第 4.8 年，5 年后機器人的成本將低于人工。當然這是對兩者成本的主要部分做統(tǒng)計，還有一些輔助項未加計算：比如對機器人來說需要相應(yīng)的操作/維護人員，通常 1 名操作/維護人員可以兼顧 4-5 個機器人工位；對于人工焊接來說則要配置相應(yīng)的班組長等等，這些都會產(chǎn)生相關(guān)成本，但這些項占整個項目投入的比例并不高。從這一點上看，

24、機器人和人工的投資效益的平衡點與運行的時間和當?shù)貏趧恿Τ杀居兄苯雨P(guān)系。而對于微型車行業(yè)來說產(chǎn)能就是經(jīng)濟效益，因此新生產(chǎn)線在項目建設(shè)結(jié)束后很快就會投入 2-3 班的連續(xù)運行階段。從這一點看機器人的一次性投入雖然高于人工工位，但隨著機器人工作時間的增長，高出的部分很快會在 5-8 年內(nèi)被稀釋。這就解釋了為什么上海、廣州這樣一線城市的汽車企業(yè)在焊接機器人的使用率上要遠高于本企業(yè)。他們?nèi)肆Φ某杀靖?，并且隨著國家對勞動者權(quán)益的越來越重視，法規(guī)越來越嚴格，人力成本還將繼續(xù)上漲，這是不可逆轉(zhuǎn)的必然趨勢。因此在生產(chǎn)線的設(shè)計壽命內(nèi)機器人的總投入將大幅度低于人力成本的投入。在勞動密集型企業(yè)這種特點尤為突出，例如

25、連富士康這樣的企業(yè)也提出 5 年內(nèi)用 100 萬臺機器人代替工人的計劃。綜合上述來看機器人焊接在效率上和質(zhì)量穩(wěn)定性上優(yōu)于人工焊接，但一個非常明顯的缺點，就是對質(zhì)量的自我檢查和糾正能力很差。目前在機器人焊接技術(shù)上使用了視覺或其他類型的傳感器讓機器人可以“看到”焊接結(jié)果，從而實現(xiàn)自我糾正的閉環(huán)控制。其技術(shù)要求高，價格昂貴，目前主要應(yīng)用在電弧焊和激光焊這樣的對精度有嚴格要求的場所。在微型汽車車身焊接中應(yīng)用最廣泛的電阻點焊領(lǐng)域還沒有應(yīng)用的先例，前沿技術(shù)的市場化在短期內(nèi)還沒有實現(xiàn)的可能。因此對機器人焊接質(zhì)量的把關(guān)還是必須由人工完成。綜合上述的兩點，考慮到本地的人力資源狀況，將機器人和人工焊接有機的結(jié)合起

26、來將是微車車身制造發(fā)展的方向。具體的來說就是討論兩者如何進行組合最有效率。1.5微型汽車車身制造焊接工藝中需要注意的問題通過對現(xiàn)場實踐，本文總結(jié)了 4 個原則：1 必須要為機器人焊接配置人工檢查工位。根據(jù)我們的觀察（在40JPH的條件下），人工焊接檢查工位（人工檢查工位用于檢查機器人焊接點是否存在質(zhì)量缺陷，并對缺陷點進行補焊）和機器人焊接的比例不應(yīng)低于 1：5 。這主要是考慮到工人進行在線檢查每個焊點時間的需求，人工檢查每個焊點的時間約為 0.4 秒。當生產(chǎn)節(jié)拍提高時該比例還要相應(yīng)提高，即增加人工檢查工位人數(shù)。2 必須要考慮到當出現(xiàn)某臺機器人故障且無法在短時間內(nèi)修復(fù)時，應(yīng)當可在人工工位進行補焊

27、。當出現(xiàn)這種情況時，應(yīng)保證生產(chǎn)線的連續(xù)運行，但可能會出現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍低于設(shè)定值的情況。修補工位在每條補焊線不應(yīng)少 1 個，和焊接機器人數(shù)量的比例應(yīng)高于 1：10 。3 充分考慮到車身的焊點分布特點，用人工焊接工位。通常有相當部分焊點是比較容易人工操作的，人機工程相對理想，人工焊接的速度快。經(jīng)過在現(xiàn)場實際的測試，對于這些人機工程良好的焊點人工焊接的速度基本和機器人持平。這樣就可以緩解生產(chǎn)線初期一次性投入的成本壓力。通過生產(chǎn)線工作平衡，人工工位完成一部分焊點的同時還可以檢查機器人焊點的質(zhì)量。具體情況因不同的車型設(shè)計有所區(qū)別，對本多款公司微車產(chǎn)品的車身焊點研究統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)：全部焊點的 20%左右、即大約

28、500-700 個為人機工程不理想焊點。大約 30%-40%的焊點為人機工程理想焊點，其余的焊點為普通焊點。4 把機器人焊接和簡單的自動焊結(jié)合起來，可以降低。微型車身上一些有規(guī)律的焊點，比如左右側(cè)圍下裙邊，焊點在低位置的一條有規(guī)律的直線上。對于人工焊接來說其處于低工位，人機工程較差焊接困難。而采用具有一個活動軸的自動焊相對于機器人來說可以節(jié)約成本。比如下裙邊的焊點，采用單軸的自動焊其成本只有機器人的30%左右。綜合這些特點來看：焊接機器人工位和焊接工人工位比例應(yīng)當合適，必須要結(jié)合不同的情況（節(jié)拍、車型等）來考慮機器人的數(shù)量，并不是焊接機器人越多越好。焊接機器人優(yōu)先處理人機工程差的焊點，同時要配

29、置機器人焊點的檢查工位。若以本次改造項目車型來看，在補焊線機器人數(shù)量和焊接工人數(shù)量的比例大約在 1：2 較為合理，實際在項目實施時處于成本控制的原因，比例為 1：3。附本次改造項目改造前和改造后的對比1.6點焊使用中存在的問題1.焊點質(zhì)量檢驗?zāi)壳吧腥鄙俸唵味挚煽康臒o損檢驗方法2.焊件的尺寸、形狀、厚度以及焊件的材料受焊機功率、機臂尺寸與結(jié)構(gòu)形狀的限制，所以對于一些封閉型、半封閉型結(jié)構(gòu)或特殊材料不適合使用點焊。3.點焊多采用搭接接頭，增加了構(gòu)件的質(zhì)量，焊縫受力時會有附加力矩，使承載條件變化，降低了焊接接頭的承載能力。1.7焊接機器人在某條重卡裝焊線上應(yīng)用時存在的問題及經(jīng)驗匯總機器人電纜磨損問題

30、雖然機器人廠家為機器人配備了耐磨的專業(yè)點焊電纜套件，將水、電、氣集成為電纜包套件隨機器人固定好, 由于機器人的運動速度很快, 部分姿態(tài)電纜經(jīng)過長期頻繁的彎折后仍會出現(xiàn)軟管套破裂, 電纜線磨損等問題 "對于一體化焊鉗, 由于將電網(wǎng)動力 電直接接到焊接變壓器上, 如果導(dǎo)線裸露,后果不堪設(shè)想 "因此出現(xiàn)以上問題時必須及時處理。對于磨損嚴重 的, 我們采取將整個電纜包套件更換修復(fù)后再做為儲備件使用 "從這個問題可以看到,如果仿真工作做得不是很準確, 會給后期使用帶來很多麻煩。水、氣路問題點焊設(shè)備在工作中需要用循環(huán)水來冷卻 , 用壓縮空氣驅(qū)動焊鉗的張開、閉合, 壓縮空氣和水

31、的供應(yīng)質(zhì)量很重要, 必須先經(jīng)過過濾 , 去除水中的雜質(zhì)和空氣中的塵埃顆粒 , 否則時間久了會發(fā)生堵塞或腐蝕 , 造成水壓、氣壓不足, 影響產(chǎn)品的質(zhì)量和焊鉗的壽命 "車間采用統(tǒng)一的循環(huán)水處理站和空氣壓縮站, 經(jīng)過一段時間的使用出現(xiàn)機器人回水壓力小,甚至堵塞, 檢查發(fā)現(xiàn) 回水管路里含有雜質(zhì) , 對每臺機器人進水管路處增加過濾裝置后解決了該問題 "機器人底座配備的水 電氣輸入模塊 自帶有空氣過濾器, 氣路運行良好 "另外, 在一臺點焊機器人帶有兩把焊鉗的工作站出現(xiàn)過焊鉗的電極帽脫落后仍然繼續(xù)焊接, 其原因為兩把焊鉗共用一個回水流量監(jiān)測裝置, 回水流量監(jiān)測參數(shù)設(shè)置偏小 ,

32、 后來我們對該回水參數(shù)進行合理設(shè)置, 從而避免了該類問題的再次發(fā)生。位置偏移后在線示教問題對于示教再現(xiàn)型焊接機器人而言, 如果在焊接時發(fā)生焊接位置偏移 , 必須停止機器人乃至整個生產(chǎn)線的工作 , 進行機器人在線示教后再現(xiàn)運行, 這個工作現(xiàn)在需要占用大量的生產(chǎn) 時間 "裝焊線正常生產(chǎn)后 , 隨著工藝零件的更改, 現(xiàn)有的焊接位置和運行軌跡不能滿足變化的需要, 因此要重新在線示教 " 同樣的一個變化會帶來若干車型的變化, 因此重新在線示教的工作量很大, 浪費時間, 降低了工作效率。 機器人與其他設(shè)備或障礙物碰撞問題在裝焊線上曾出現(xiàn)過機器人與機器人碰撞的事故, 經(jīng)過分析機器人的工作

33、程序, 發(fā)現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)在處理信號交換時, 都采用外部 I/0 信號來交換彼此的工作狀態(tài) 。"信號檢測還只是以一個“點”的方式測量 , 即在某一運動程序中, 機器人的下一步工作是由確認某一個交換信號是否存在來決定,而不是在某一個運動區(qū)域中持續(xù)檢測其他設(shè)備或障礙物 的狀態(tài) , 這樣, 一旦檢測過程結(jié)束而機器人運動軌跡發(fā)生錯 誤或 信號交換不正常時 即會發(fā)生碰撞 "如果能夠在機器人控制系統(tǒng)中，引入后臺處理方式來實時檢測其他設(shè)備的工作狀態(tài), 以決定機器人是否應(yīng)該繼續(xù)在有可能干涉的區(qū)域內(nèi)工作, 碰撞問題即能得到有效的控制。機器人維護問題目前, 裝焊車間擁有焊接機器人共 93 臺,

34、 其中點焊機器人 62 臺 、弧焊機器人 31 臺, 機器人上的部件多屬專用部件 , 須從國外進 口, 進 口的機器人備件價格 高昂, 且采購周期長, 給車間的正常生產(chǎn)造成了很大的問題。該問題的解決一方面有賴于國內(nèi)工業(yè)機器人技術(shù)的進步和機器人產(chǎn)品的市場化發(fā)展, 另一方面也要求國外提供機器人產(chǎn) 品的企業(yè)加強售后服務(wù)工作。2 焊接機器人使用中的共性關(guān)鍵技術(shù)2.1焊縫跟蹤技術(shù)與離線編程技術(shù)的研究近代由于模糊數(shù)學和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),并將其應(yīng)用到焊接這一復(fù)雜的不確定性的非線性系統(tǒng),使焊縫跟蹤踏入一個嶄新的時代)智能焊縫跟蹤時代"隨著焊接機器人在我國的應(yīng)用,國內(nèi)也開始重視對焊縫跟蹤的研究"

35、;國內(nèi)的各大高校和研究機構(gòu)都對焊縫跟蹤技術(shù)進行了多方面的研究"如清華大學對弧焊跟蹤系統(tǒng)中的傳感器和其中的控制系統(tǒng)分別進行了研究,并提出了一種基于焊縫CCD圖像模式特征的焊縫軌跡識別的新算法"華南理工大學主要研究用視覺傳感器來檢測焊縫,并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制應(yīng)用到焊縫跟蹤系統(tǒng)中,提出一種基于自適應(yīng)共振理論(AdaPtive Resonance Theory)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊縫跟蹤算法"天津大學研制了一種非接觸超聲傳感埋弧焊焊縫跟蹤系統(tǒng)"華北石油管理局利用CCD面陣攝像機作為前面焊縫檢測傳感器,STD工控機作圖像數(shù)字處理、識別。確定焊縫位置,并抑制焊頭移動機構(gòu)來

36、實現(xiàn)焊縫在線自動跟蹤實時糾正偏差，通過對焊縫的跟蹤,將傳感器測得的焊縫誤差傳到PC機內(nèi),并通過模糊實時控制技術(shù)使焊頭移動到準確的位置,實現(xiàn)對焊縫的糾正，離線編程技術(shù)對數(shù)據(jù)的分析處理功能是實現(xiàn)模糊實時控制的基礎(chǔ)。表 焊縫自動跟蹤傳感器的原理和特點離線編程是指利用計算機圖形學的結(jié)果,建立機器人及其工作的虛擬環(huán)境,利用一些規(guī)劃算法,通過對圖形的控制和操作在離線的情況下對焊接過程進行規(guī)劃和仿真"通常一個完整的離線編程系統(tǒng)需要滿足以下功能:l)交互式的機器人系統(tǒng)CAD建模環(huán)境;2)運動學、動力學方程的自動生成:3)交互式的任務(wù)規(guī)劃!編程及調(diào)試環(huán)境;4)碰撞檢測;5)對傳感器的仿真。但是目前的許

37、多應(yīng)用系統(tǒng)往往不同時具有以上功能"離線編程系統(tǒng)從實驗室開發(fā)出來后,并不能直接應(yīng)用于具體的工業(yè)機器人以完成作業(yè)任務(wù),還必須解決軟件的實用化問題,包括:機器人建模,機器人對環(huán)境的不確定性抽取,傳感器的建模及仿真等。離線編程技術(shù)不僅改善了勞動環(huán)境!減輕了勞動強度!提高了工作效率,還可以對編程結(jié)果進行三維圖形動畫仿真,以檢驗編程的正確性,提供最佳的執(zhí)行代碼,從而保證了焊接產(chǎn)品的高質(zhì)量"與在線示教編程相比,離線編程系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:1.機器人不占用工作時間,提高工作效率;2.使編程者遠離危險的工作環(huán)境;3.減小編程的勞動強度;4.便于和CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合,做到CADlcAM瓜OB

38、OTICS一體化:5.可對復(fù)雜任務(wù)進行編程和計算機仿真;6.便于修改機器人程序,從而滿足中小批量的生產(chǎn)要求;7.適用范圍廣,離線編程系統(tǒng)可以對各種機器人進行編程"2.2焊接機器人焊接路徑規(guī)劃機器人路徑規(guī)劃是指在其工作空間中,為機器人完成某一給定任務(wù)提供一條安全!高效的運動路徑"一般而言,機器人完成給定任務(wù)可選擇的路徑有多條"實際應(yīng)用中往往要選擇一條在一定準則下為最優(yōu)(或近似最優(yōu))的路徑"常用的準則有:路徑最短!消耗能量最少或使用時間最短等"因此,機器人路徑規(guī)劃實質(zhì)上是一個有約束的優(yōu)化問題"由于機器人的高度非線性和強藕和性,對其求解非常

39、困難"國內(nèi)外學者在這方面不斷努力,取得了顯著成績。在過去的20多年里,機器人運動的路徑規(guī)劃技術(shù)己經(jīng)有了很大的發(fā)展.這個領(lǐng)域涉及到許多重要的數(shù)學內(nèi)容,如經(jīng)典幾何學!拓撲學!代數(shù)幾何學!代數(shù)學和組合學等,這些數(shù)學工具都已經(jīng)應(yīng)用到相關(guān)的研究中"目前,路徑規(guī)劃應(yīng)用的主要方法大致可以分為兩類:傳統(tǒng)方法和智能方法"傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法包括:自由空間法!圖搜索法!柵格解藕法!人工勢場法等幾種主要的方法"大部分機器人路徑規(guī)劃中的全局規(guī)劃都是基于上述幾種方法進行的。近年來,隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等智能方法的廣泛應(yīng)用,機器人路徑規(guī)劃方法也有了長足的進展,許多研究者把目

40、光放在了基于智能方法的路徑規(guī)劃研究上"其中應(yīng)用較多的算法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法。在國外,日本!美國!德國等國家的有的汽車企業(yè)已經(jīng)利用這些路徑規(guī)劃的方法和現(xiàn)代新技術(shù)特別是計算機軟硬件技術(shù),結(jié)合自己企業(yè)的知識開發(fā)了適用于本企業(yè)的專用于產(chǎn)品路徑規(guī)劃的系統(tǒng)為企業(yè)的發(fā)展服務(wù),取得了令人矚目的效果,例如Tecnomatxi公司開發(fā)的EM系列軟件就是該類軟件。但在國內(nèi),還沒有哪家汽車制造商使用該類白車身焊接路徑規(guī)劃軟件,在2002年底上海大眾引進了德國大眾正在使用的工藝規(guī)劃軟件EM一Planner,但是國內(nèi)尚未開發(fā)出這類軟件。2.3對多臺焊接機器人及外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究對焊接機器人這一工

41、作來說，并不是像表面看的那樣輕松。這一過程是一個焊接機器人系統(tǒng)又叫工作站。對于工作站而言，是由很多的部件組合而成的。如機器人本體、機器人控制柜。焊機系統(tǒng)及送絲單位等。對于生產(chǎn)應(yīng)用過程，單個機器人所發(fā)揮的作用相對比較單一，為了生產(chǎn)應(yīng)用的需要就必須對焊接機器人與變位機、弧焊電源等相關(guān)的設(shè)備規(guī)定要求，從而促進柔性化的集成。為減少焊接過程中的輔助時間及生產(chǎn)效率的提高，就要對焊接機器人與周邊設(shè)備的柔性化進行適當?shù)膮f(xié)調(diào)控制。2.4對焊接機器人采用弧焊電源的研究在設(shè)計并研究焊接機器人系統(tǒng)的工作中，只是一味的對機器人本體或焊接操作系統(tǒng)進行詳細研究是不行的。要想實現(xiàn)焊接機器人充分發(fā)揮出高效優(yōu)質(zhì)的特點，對電器性能

42、良好的專用弧焊電源的研究是至關(guān)重要的。目前，模糊控制電源的出現(xiàn)引起了大家的關(guān)注，對于模糊控制電源，采用了模糊控制的方法對電源進行控制。對焊接表面有波浪型起伏的工作和焊接過程中有較大變形工作這兩項工作中最適合采用這種電源。模糊控制電源的運用，不僅可以減少焊接缺陷，還可以對熔寬和熔深給予保證，而且還可以擁有美觀的焊接表面。目前，弧焊電源的發(fā)展不斷數(shù)字化，數(shù)字焊機也將成為弧焊機器人焊接電源的發(fā)展方向。2.5仿真技術(shù)及機器人用焊接工藝方法目前，機器人在生產(chǎn)過程中，運動學和動力學起到了重要的作用。對機器人來說，擁有比較自由和連桿空間復(fù)雜的機構(gòu)，因此運動學和動力學得采用可以解決其中存在的很多問題，但是還是

43、有較大多得問題存在，相對而言，其中的計算機的難度和計算機都很大。為解決在對機械手研究過程所存在的問題，應(yīng)采用計算機圖形技術(shù)、CAD 技術(shù)和機器人學理論的基礎(chǔ)上進行，通過計算機達到集合圖形的生成，然后進行動畫顯示工作，其次對機器人的機構(gòu)設(shè)計、運動學正反解進行分析、操作手臂控制及實際工作環(huán)境中所遇障礙進行避讓和碰撞干涉等問題都一一通過模擬仿真?，F(xiàn)在我國在弧焊機器人上多數(shù)采用氣體保護焊方法，而在國外先進國家中已經(jīng)采用高速、高效氣體保護焊接工藝。相比之下這種高速、高效氣體保護焊接工藝以對優(yōu)良的焊接接頭給予保護外，還可以對焊接速度和熔敷效率上起到重要作用。2.6焊接工藝的制定2.6.1焊接工藝的研究內(nèi)容

44、焊接工藝是基于生產(chǎn)性質(zhì)、圖樣和技術(shù)要求，結(jié)合現(xiàn)有條件，運用現(xiàn)代化焊接技術(shù)、知識和先進生產(chǎn)經(jīng)驗，確定產(chǎn)品的加工方法和程序，是焊接過程中的一整套技術(shù)規(guī)定。焊接工藝包括焊前的準備、焊接材料、焊接方法、焊接順序、焊接操作的最佳選擇以及焊后的處理等。制定焊接工藝是焊接生產(chǎn)的關(guān)鍵部分，其合理與否直接影響產(chǎn)品制造質(zhì)量、生產(chǎn)效率和制造成本，而且是管理生產(chǎn)、設(shè)計焊接夾具和焊接車間的主要依據(jù)。焊接工藝的核心是焊接方法，其發(fā)展過程代表了焊接工藝的進步。不同焊接方法的發(fā)明年代及發(fā)明國家見表 1.1 所示。目前，許多新的焊接工藝已應(yīng)用于焊接生產(chǎn)，大大提高了焊接效率和焊接質(zhì)量，如俄羅斯汽車工業(yè)科學研究所發(fā)明的氙燈焊接新工藝，為金屬、非金屬材料焊接提供了廣泛的可能性，其生產(chǎn)成本遠低于激光焊。2.6.2焊接工藝要素概括地說，焊接工藝要素包括對接頭性能和致密性起決定性作用的所有工藝因素。除了焊接方法外，焊接工藝要素還包括焊接接頭的形式與拘束度、焊前的加工和準備、焊接材料的種類和規(guī)格、焊接材料、焊前預(yù)熱、層間溫度和低溫后熱處理、焊后熱處理、焊接能量參數(shù)、操作技術(shù)、焊縫檢查等。這些焊接工藝要素都應(yīng)在焊接工藝評定中予以考慮，