焊接機(jī)器人在智能制造中應(yīng)用
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摘要：隨著科技的進(jìn)步，智能制造加快了進(jìn)程。焊接機(jī)器人集數(shù)控、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)于一身，是一種新型焊接方式。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，不僅提升了焊接的品質(zhì)及效率，也改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、有效地控制了企業(yè)的生產(chǎn)成本。本文通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人的需求和分類分析提出了其在智能制造中的應(yīng)用及其未來(lái)發(fā)展，以期推進(jìn)智能制造的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；智能制造；技術(shù)
0引言
焊接工作是制造業(yè)不可缺少的工作，工作環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，對(duì)職業(yè)技能要求嚴(yán)格，對(duì)操作人員有潛在危害。在這種背景下，焊接機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)有效地解決了供需矛盾，可以節(jié)省大量的人力物力，使操作者能夠全身心投入到更多的創(chuàng)造性工作中。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，它得到了發(fā)展并逐步投入使用，其關(guān)鍵技術(shù)不斷完善，使其具有性能穩(wěn)定、加工精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
1焊接機(jī)器人需求分析
在科技變革的浪潮中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為各國(guó)關(guān)注和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)階段，需要提高質(zhì)量和效益。同時(shí)，隨著勞動(dòng)力成本的不斷上升，“機(jī)器換人”現(xiàn)象在工業(yè)領(lǐng)域?qū)乙?jiàn)不鮮。在勞動(dòng)力成本高企的壓力下，利用工業(yè)機(jī)器人改造智能制造已成為發(fā)展趨勢(shì)，也是我國(guó)制造業(yè)的主要戰(zhàn)略之一。焊接機(jī)器人起源于20世紀(jì)60年代的通用汽車產(chǎn)線，隨后，這種焊接方式在美國(guó)迅速傳播，并快速傳播至歐洲、日本等國(guó)家。中國(guó)市場(chǎng)方面，一汽公司在1984年從德國(guó)引進(jìn)了3臺(tái)庫(kù)卡點(diǎn)焊機(jī)器人，拉開(kāi)了中國(guó)使用機(jī)器人焊接的序幕；20世紀(jì)90年代，各個(gè)汽車公司都認(rèn)識(shí)到工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)應(yīng)用的好處，開(kāi)始規(guī)模化的引進(jìn)機(jī)器人。焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人的末軸裝接焊鉗或焊槍，使之能從事工業(yè)焊接工作，主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。其中，機(jī)器人部分由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成；焊接設(shè)備部分由焊接電源（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。焊接機(jī)器人是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，開(kāi)拓了一種柔性自動(dòng)化新方式，其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊接產(chǎn)品的均一性。采用焊機(jī)機(jī)器人焊接時(shí)，對(duì)于每條焊縫、焊點(diǎn)的焊接參數(shù)都是恒定的，焊接質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。②提高焊接生產(chǎn)率。相較于工人，焊接機(jī)器人沒(méi)有疲勞度，可連續(xù)一天24小時(shí)工作；此外，隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作，銷量提高更加明顯。③可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作，改善了工人勞動(dòng)條件。④降低了對(duì)工人操作技術(shù)要求，可實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化。⑤產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、存貨等。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，可以將生產(chǎn)計(jì)劃安排的非常明確。
2焊接機(jī)器人分類
2.1按自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展程度分類
自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展程度不同，可以將焊接機(jī)器人分為三類：①示教再現(xiàn)型機(jī)器人，由操作者將完成某項(xiàng)作業(yè)所需的信息通過(guò)直接或間接的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行“示教”，由記憶單元將示教過(guò)程進(jìn)行記錄，再在一定的精度范圍內(nèi)，重復(fù)再現(xiàn)被示教的內(nèi)容；②具有一定智能、能夠通過(guò)傳感手段對(duì)環(huán)境進(jìn)行一定程度的感知，并根據(jù)感知到的信息對(duì)機(jī)器人作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆答伩刂?，?duì)焊槍對(duì)中情況、焊接狀態(tài)等進(jìn)行修正，采用接觸式傳感、結(jié)構(gòu)光視覺(jué)等方法實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)尋位與自動(dòng)跟蹤；③除了具有一定的感知能力外，還具有一定的決策和規(guī)劃能力，例如能夠利用計(jì)算機(jī)處理傳感結(jié)果并對(duì)焊接任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。
2.2按性能指標(biāo)分類
按照機(jī)器人性能指標(biāo)的不同，可將其分為五種：超大型焊接機(jī)器人、大型焊接機(jī)器人、中型焊接機(jī)器人、小型焊接機(jī)器人、超小型焊接機(jī)器人。詳見(jiàn)表1。
2.3按照機(jī)器人作業(yè)中所采用的焊接方法分類
2.3.1點(diǎn)焊機(jī)器人。具有有效載荷大、工作空間大的特點(diǎn)，配備有專用的點(diǎn)焊槍，并能實(shí)現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)點(diǎn)焊作業(yè)的要求，其最典型的應(yīng)用是用于汽車車身的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。2.3.2弧焊機(jī)器人。因弧焊的連續(xù)作業(yè)要求，需實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，也可利用插補(bǔ)功能根據(jù)示教點(diǎn)生成連續(xù)焊接軌跡，弧焊機(jī)器人除機(jī)器人本體、示教器與控制柜之外，還包括焊槍、自動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)、焊接電源、保護(hù)氣體相關(guān)部件等，根據(jù)熔化極焊接與熔化極焊接的區(qū)別，其送絲機(jī)構(gòu)在安裝位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也有不同的要求。2.3.3攪拌摩擦焊機(jī)器人。因其焊接過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、對(duì)焊縫施加的壓力、攪拌主軸尺寸、垂向和側(cè)向的軌跡偏轉(zhuǎn)等原因?qū)C(jī)器人提供的正壓力、扭矩，以及機(jī)器人的力覺(jué)傳感能力、軌跡控制能力等都提出了較高的要求。
3焊接機(jī)器人在智能制造中的主要應(yīng)用
3.1焊接跟蹤技術(shù)焊接機(jī)器人能因地制宜地在焊接空間中自動(dòng)尋找與跟蹤焊縫，對(duì)焊縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)實(shí)施跟蹤，實(shí)現(xiàn)焊槍能夠自動(dòng)的對(duì)焊縫的位置實(shí)施自適應(yīng)的控制。焊縫跟蹤技術(shù)的使用，能夠跟蹤傳感電弧電壓，這樣就能夠自動(dòng)的尋找焊縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)，并為焊接的弧長(zhǎng)提供參考點(diǎn)，這樣，在焊接的過(guò)程中，機(jī)器人就可以根據(jù)弧長(zhǎng)的變化來(lái)感應(yīng)焊接的起點(diǎn)與終點(diǎn)，自動(dòng)的采用電弧傳感器控制電壓自適應(yīng)的對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制。這種方法可以有效的應(yīng)用于角接接頭的焊接方式，對(duì)于轎車的底盤零件中大量薄板搭接進(jìn)行焊接，也能夠有效的焊接弧長(zhǎng)進(jìn)行控制。
3.2路徑規(guī)劃及離線編程技術(shù)的應(yīng)用
機(jī)器人離線編程主要利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)及圖形技術(shù)，通過(guò)機(jī)器人能夠識(shí)別的程序語(yǔ)言，構(gòu)建一個(gè)虛擬作業(yè)的工作環(huán)境，在未使用機(jī)器人狀態(tài)之下，進(jìn)行空間及運(yùn)動(dòng)路徑的模擬，從而使機(jī)器人的程序變得更加完善?？茖W(xué)水平的不斷提升，焊接機(jī)器人智能化已經(jīng)成為社會(huì)建設(shè)工作開(kāi)展的必然選擇。
3.3多機(jī)器人協(xié)作控制技術(shù)的應(yīng)用
在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，單臺(tái)機(jī)器人往往不能充分發(fā)揮作用，不能同時(shí)完成多項(xiàng)工作，這就要求能夠有多臺(tái)機(jī)器人共同協(xié)調(diào)完成焊接工作，因此，對(duì)焊接機(jī)器人與變位機(jī)、弧焊電源等周邊設(shè)備之間進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的柔性化集成，并能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。焊接機(jī)器人與周邊設(shè)備進(jìn)行柔性化協(xié)調(diào)控制，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人的協(xié)調(diào)工作，對(duì)于焊接技術(shù)來(lái)說(shuō)，在施工的過(guò)程中，工件的焊縫總會(huì)出現(xiàn)在平焊、橫焊、立焊等焊接位置，如果不能經(jīng)過(guò)高效的處理就會(huì)影響工件的焊接品質(zhì)，但是僅僅依靠調(diào)節(jié)焊接機(jī)器人的方位與焊接的姿勢(shì)來(lái)進(jìn)行施工，往往是很難達(dá)到滿意的焊接要求，而這些焊縫對(duì)焊接品質(zhì)和焊縫成形都有很大的影響，因此，在焊接的過(guò)程中，采用機(jī)器人協(xié)調(diào)控制變位機(jī)能夠有效的調(diào)節(jié)機(jī)器人的焊接位置，能夠有效的對(duì)弧焊電源與工裝夾具進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，這樣就會(huì)提高焊接的效率與焊縫的質(zhì)量。
4焊接機(jī)器人未來(lái)發(fā)展
4.1融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與焊接機(jī)器人技術(shù)融合，模擬仿真焊接過(guò)程，并通過(guò)計(jì)算機(jī)將工藝過(guò)程轉(zhuǎn)化成數(shù)字化操作叫在焊接操作之前，進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同的工作狀況，對(duì)各種焊接工藝方案進(jìn)行比較，然后通過(guò)分析，選取出最優(yōu)化的方案讓機(jī)器人來(lái)進(jìn)行焊接。與真實(shí)焊接相比，虛擬技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以方便的模擬任何訓(xùn)練科目，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以仿真各種復(fù)雜、突發(fā)情況，從而有針對(duì)性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與處理相關(guān)問(wèn)題的技能。
4.2自學(xué)習(xí)系統(tǒng)
智能系統(tǒng)通過(guò)對(duì)固有程序以及外部環(huán)境的感知，在不需要任何人員示教的基礎(chǔ)上，機(jī)器人的智能系統(tǒng)進(jìn)行自主判斷并完成思考及學(xué)習(xí)，使人工編程、程序輸入的工作量大幅降低，且在工序復(fù)雜及工作量大的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效焊接，可有效解決人工控制焊接機(jī)器人操作繁瑣、程序繁雜、定位困難、自主性差等問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用自學(xué)習(xí)體系，在特殊工況中，機(jī)器人能根據(jù)實(shí)際情況，逬行數(shù)據(jù)整理分析，合理規(guī)劃出最佳焊接路徑和焊接方法，從而實(shí)現(xiàn)全智能自主化運(yùn)行。
4.3多智能體系統(tǒng)
多智能體系統(tǒng)將復(fù)雜、單一的操控系統(tǒng)規(guī)劃成具有多元化、層次化、模塊化、能互相傳遞數(shù)據(jù)資料與信息，彼此協(xié)調(diào)，易于管理的智能系統(tǒng)。將其充分融合于焊接工作中，適用于流水線式的焊接工作，以焊接工作站為基礎(chǔ)單元，系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一管理，使多個(gè)智能機(jī)器人之間產(chǎn)生緊密群體合作，共同完成復(fù)雜的目標(biāo)任務(wù)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)操作流水線時(shí)需要對(duì)每個(gè)機(jī)器人單獨(dú)控制，編程的弊端，多智能體技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)解決綜合問(wèn)題的能力大大提高，打破了人類對(duì)人工智能領(lǐng)域的固化思維，使得流水線焊接機(jī)器人技術(shù)得到飛速發(fā)展。
4.4多傳感器融合技術(shù)
焊接機(jī)器人需要多傳感信息融合技術(shù)對(duì)工作環(huán)境中的信息進(jìn)行收集和分析來(lái)提高焊接系統(tǒng)的精確性、高效性、快速性和可靠性。綜合運(yùn)用全方位視覺(jué)傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等先進(jìn)技術(shù)對(duì)于焊接機(jī)器人感知外部環(huán)境、獲取數(shù)據(jù)信息都具有非常重要的作用，最大程度上使機(jī)器人在任何狀況下都能通過(guò)反饋數(shù)據(jù)、信息做出相應(yīng)的調(diào)整，零誤差、精準(zhǔn)地完成焊接，這也將大力推動(dòng)未來(lái)焊接機(jī)器人向自主化、智能化的發(fā)展。
5結(jié)語(yǔ)
綜上所述，通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在智能制作中的相關(guān)分析，認(rèn)識(shí)到焊接機(jī)器人應(yīng)用的能更好保證了勞動(dòng)者的健康、提升焊接的品質(zhì)、保證生產(chǎn)的效能，隨著科技的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)會(huì)得到更好的運(yùn)用，提升智能制造的效率，為制造業(yè)發(fā)展提供更加強(qiáng)大的助力。
參考文獻(xiàn)
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作者:胡兆東 單位:南京康尼機(jī)電股份有限公司