焊接機(jī)器人生產(chǎn)中的質(zhì)量控制

　　焊接機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)為我們提供了很好的生產(chǎn)工具，但這并不意味著我們一定可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接生產(chǎn)。焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，通過近10年的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我覺得以下幾個(gè)方面的工作不容忽視：

　　建立并培養(yǎng)一個(gè)具有機(jī)器人技術(shù)素養(yǎng)的隊(duì)伍

　　焊接機(jī)器人工程是機(jī)電一體化技術(shù)的濃縮，其中包含了機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、焊接技術(shù)等。期望一個(gè)企業(yè)培養(yǎng)的技術(shù)人才是不現(xiàn)實(shí)的，但是焊接機(jī)器人的應(yīng)用狀況又確實(shí)與這些人的技術(shù)素養(yǎng)相關(guān)。特別是我國(guó)在研制機(jī)器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機(jī)、減速機(jī)等需要進(jìn)口，使價(jià)格難以降低，所以機(jī)器人生產(chǎn)成本降不下來。所以，我認(rèn)為機(jī)器人用戶可以建立一個(gè)服務(wù)于機(jī)器人應(yīng)用的隊(duì)伍，在這個(gè)隊(duì)伍中，可以分為機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)管理、焊接工藝和機(jī)器人作業(yè)程序調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作等幾類人員，各司其職，各負(fù)其責(zé)。

　?。?）機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)管理人員主要負(fù)責(zé)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)及管理、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)和利用，以挖掘機(jī)器人的工作能力為目的。

　?。?）焊接工藝和機(jī)器人作業(yè)程序調(diào)試人員主要負(fù)責(zé)機(jī)器人作業(yè)程序的管理工作，焊接機(jī)器人應(yīng)用的目的是為焊接生產(chǎn)服務(wù)，焊接工藝員對(duì)焊接品質(zhì)的把握是機(jī)器人焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在，他的職責(zé)是讓機(jī)器人成為他得心應(yīng)手的工具，把他的焊接思路完整地傳達(dá)給機(jī)器人。編制程序一般不能一步到位，要在機(jī)器人焊接過程中不斷檢驗(yàn)和修改，調(diào)整焊接參數(shù)及焊槍姿態(tài)等，才會(huì)形成一個(gè)好程序。

　?。?）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作人員的主要工作雖然是裝卸工件，但僅有這些是不夠的，還必須要有自己的判斷能力，并且能夠?qū)⒑附訖C(jī)器人工作過程中的表現(xiàn)準(zhǔn)確及時(shí)地反饋給機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)管理人員，包括焊接工藝和機(jī)器人作業(yè)程序調(diào)試人員，這樣有利于設(shè)備一旦出現(xiàn)故障時(shí)立即做出準(zhǔn)確判斷，制訂故障解決方案，為恢復(fù)生產(chǎn)搶得時(shí)間。焊接系統(tǒng)采用FANUC公司生產(chǎn)的M-710iC/20L機(jī)械臂和美國(guó)LINCOLN公司的POWERWAVEi400數(shù)字焊接電源，能夠很好的滿足操作靈活度和焊縫質(zhì)量的要求。

原來焊接機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)焊接中就是這么干的

1. 概述

電力變壓器是輸變電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，變壓器外殼——油箱承裝著整個(gè)器身并充滿變壓器油，焊縫強(qiáng)度及密封性是變壓器的兩個(gè)重要指標(biāo)。

目前，在變壓器油箱制造行業(yè)，雖然有的企業(yè)已經(jīng)開始使用機(jī)器人，但總體仍是以手工焊接和仿形半自動(dòng)焊接為主，自動(dòng)化焊接還有很大的提升空間。與手工焊接相比，機(jī)器人焊接在穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率等方面存在著巨大優(yōu)勢(shì)。為了克服機(jī)器人焊接過程中各種不確定性因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，需提高機(jī)器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊機(jī)器人系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)空間焊縫的自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，而且還能實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線檢測(cè)、調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。因此，大力推廣應(yīng)用焊接機(jī)器人，提高焊接自動(dòng)化水平是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

焊接機(jī)器人構(gòu)造及功能

下面就以我公司使用的德魯斯DRW3110F-40型焊接機(jī)器人（見圖1）為例，簡(jiǎn)要介紹一下機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)及主要功能。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，提高焊縫成形質(zhì)量，焊接機(jī)器人還具備如下功能。

（1）示教功能?不同于軌道固定式機(jī)器人，移動(dòng)式機(jī)器人坐標(biāo)系的基準(zhǔn)零點(diǎn)不固定，程序的創(chuàng)建和修改要通過示教器（見圖2）進(jìn)行操作。

機(jī)器人有三種運(yùn)動(dòng)軌跡，分別為：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)，針對(duì)不同的焊縫路徑選擇不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）擺焊功能?為了增大焊縫寬度。提高焊接強(qiáng)度，手工焊接操作時(shí)常常沿著焊接方向以特定角度（形狀）周期性左右搖擺焊槍。在這種情況下，開發(fā)開放式的機(jī)器人控制系統(tǒng)顯得非常迫切，同時(shí)開放式機(jī)器人控制器也是當(dāng)前控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展趨勢(shì)。焊接機(jī)器人同樣具備這一擺焊功能，并可以選擇正弦型擺焊、圓型擺焊、8字形擺焊、L形擺焊等多種擺焊模式，擺焊條件設(shè)置分為頻率、振幅、右停留時(shí)間、左停留時(shí)間、角度等幾個(gè)參數(shù)。

（3）焊縫跟蹤功能?電弧傳感器可周期性對(duì)焊接電流實(shí)施監(jiān)測(cè)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，按照事先設(shè)定的增益、偏差等參數(shù)值，對(duì)焊槍上下和左右方向進(jìn)行補(bǔ)償（見圖3）。焊接機(jī)器人生產(chǎn)中的質(zhì)量控制焊接機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)為我們提供了很好的生產(chǎn)工具，但這并不意味著我們一定可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接生產(chǎn)。這項(xiàng)功能在應(yīng)對(duì)工件出現(xiàn)加工偏差或者受熱變形等情況時(shí)非常有效，能夠及時(shí)糾正焊縫跑偏或?qū)捳灰磺闆r。

?機(jī)器人控制器的通用化、開放化和多軸協(xié)調(diào)控制

機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置， 它是機(jī)器人的心臟， 決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器基本上采用專用的計(jì)算機(jī)、 專用的機(jī)器人語言和專用的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的， 結(jié)構(gòu)封閉， 表現(xiàn)出開放性差、 軟件獨(dú)立性差、 擴(kuò)展性差、 缺少網(wǎng)絡(luò)功能等缺點(diǎn)， 它嚴(yán)重地影響了機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用水平。當(dāng)前，世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)都致力于智能機(jī)器人及智能制造技術(shù)的研發(fā)，智能化水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造水平的重要標(biāo)志。在這種情況下， 開發(fā)開放式的機(jī)器人控制系統(tǒng)顯得非常迫切， 同時(shí)開放式機(jī)器人控制器也是當(dāng)前控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展趨勢(shì)。

目前各機(jī)器人廠商的控制柜都具有多軸協(xié)調(diào)控制能力， 用于多機(jī)器人焊接系統(tǒng)， 即若干個(gè)機(jī)器人通過合作與協(xié)調(diào)而完成某一任務(wù)。例如 MOTOMAN的機(jī)器人控制柜 NX100 可控制 4 臺(tái)弧焊機(jī)器人同時(shí)作業(yè)， 使生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。(2)出現(xiàn)咬邊可能為焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、焊槍角度或焊槍位置不對(duì)，可適當(dāng)調(diào)整功率的大小來改變焊接參數(shù)，調(diào)整焊槍的姿態(tài)以及焊槍與工件的相對(duì)位置。由于1臺(tái)控制柜可統(tǒng)一控制多臺(tái)機(jī)器人，所以機(jī)器人間無需聯(lián)鎖。

焊接過程中， 可根據(jù)作業(yè)內(nèi)容選擇多臺(tái)機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)， 或選擇單臺(tái)機(jī)器人獨(dú)立作業(yè)， 控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控手臂間的干涉， 即使在示教中， 也能防止機(jī)器人間發(fā)生碰撞。

焊接機(jī)器人工作站上使用主要為了實(shí)現(xiàn)三類功能

目前， 這類激光傳感器在焊接機(jī)器人工作站上使用主要為了實(shí)現(xiàn)三類功能：

（ 1 ） 初始焊位引導(dǎo)， 也稱為焊縫搜索或接頭搜索。由于裝配誤差， 可能引起焊縫位置的變化。對(duì)于機(jī)器人的用戶—-汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人幾乎找不到表演的舞臺(tái)。此時(shí)如果仍然按照原示教結(jié)果進(jìn)行焊接， 可能會(huì)出現(xiàn)焊偏現(xiàn)象。焊縫搜索是利用一次或多次搜索定位焊縫， 在焊接前平移機(jī)器人的編程路徑， 確保焊縫地熔敷在接頭上的過程。用于焊接機(jī)器人的焊縫搜索定位系統(tǒng)， 包括點(diǎn)式及條紋式的激光傳感器，適用于不同項(xiàng)目需求。

（ 2 ） 焊接過程中對(duì)焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。焊縫跟蹤也稱為接頭跟蹤， 是指在焊接位置前方進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)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(jìn)行研究。這不僅可以校正機(jī)器人或?qū)C(jī)的軌跡， 而且可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制， 例如通過調(diào)整電壓、 送絲速度或行走速度來改變焊縫成形。利用激光焊縫跟蹤傳感器在焊槍之前實(shí)時(shí)地檢測(cè)焊縫三維空間位置和曲面曲率， 并將此信息發(fā)送給機(jī)器人控制器， 引導(dǎo)焊槍移動(dòng)。

（ 3 ） 焊后質(zhì)量檢測(cè)。利用激光傳感器的三維信息獲取能力， 可以對(duì)焊后的焊縫成形質(zhì)量和缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)成形不良、 咬邊等缺陷。

值得注意的是， 目前一些機(jī)器人廠商， 如 OTC ，MOTOMAN 等， 已經(jīng)開始著手研制用于所產(chǎn)機(jī)器人的激光焊縫跟蹤傳感器。將來焊縫跟蹤激光傳感器將與焊接機(jī)器人協(xié)同工作得更好。先進(jìn)的激光焊縫跟蹤傳感器不僅能夠感知被測(cè)點(diǎn)的三維位置， 還能夠擬合出工件的曲率， 從而不僅調(diào)節(jié)焊槍位置， 還可以幫助調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)， 如圖 4 所示。機(jī)器人焊接采用的是富混合氣體保護(hù)焊，焊接過程中出現(xiàn)的焊接缺陷一般有焊偏、咬邊、氣孔等幾種，具體分析如下：(1)出現(xiàn)焊偏可能為焊接的位置不正確或焊槍尋找時(shí)出現(xiàn)問題。這樣在激光焊縫跟蹤傳感器的幫助下， 有可能完全省去示教步驟， 從而大大提高工作效率。目前， 焊縫跟蹤傳感器還是非?；钴S的領(lǐng)域之一， 多條紋激光光源、 錐形激光光源等都有研究和應(yīng)用。所適用的焊接過程也從原來的單道焊接擴(kuò)展到多層多道焊的焊縫跟蹤， 對(duì)于高反光的鋁合金材料焊接， 也能夠?qū)崿F(xiàn)有效跟蹤。