焊接機器人設計時需要注意的問題

張炯　陳韶飛

摘 要：文章就焊接機器人的設計要點，控制系統，以及對機器人焊接設計時需要注意問題進行的闡述。焊接機器人廣泛應用于流水線作業，例如汽車加工中的焊接操作等，焊接機器人具有焊接穩定，成品率高的特點，越來越為人們所接受。

關鍵詞：焊接；機器人；研究分析

焊接工作由于工作量大，焊接產生的氣體會對人體產生危害等，現如今，在焊接過程中產生了焊接機器人來替代人來進行焊接，焊接機器人主要由機械部分和電氣控制部分組成，機械部分包括機器人本身和焊接部分，電氣控制等主要是由計算機控制的電機來帶動機器人運動到程序指定的位置并通過測量反饋來精確控制運動從而完成焊接。

1 焊接機器人的設計情報收集

焊接機器人在設計時要根據焊接的實際需要，了解焊件的材料特性，焊縫的要求，以及工序的安排的情況，在了解到這些信息后結合實際進行設計。

1.1 設計初步選型

焊接機器人為達到在空間位置移動的目的一般設計為六軸，在設計之初需要了解到機器人將要完成什么樣的焊接，結合焊件的材質，對焊縫的要求，以及采用什么樣的焊接方式，機器人以什么樣的行動軌跡來達到程序制定的位置，怎么實現以上這些要求等，初步估計出機器人的定位方式，焊接夾具大小和質量等。從以上這些來選用相應的機械結構形式和驅動方式，檢測及方式等。

焊接機器人通常是成套協作來完成焊接，根據用戶提供的焊接流程，所需完成的焊接等來確定機器人的布置方式，例如（立式、側壁、倒掛）等，通過使用相應的模擬軟件來查看前后工序之間的協調運動，依據軟件顯示的模擬結果，來明確機器人的布置方式是否合理。

1.2 焊接工藝裝備確定

1.2.1 工裝夾具。焊接機器人由于其具有的成品率高，焊接速度快，焊接穩定等特點可用于大批量焊接作業，但是以上這些都是建立在焊件的裝夾穩定，裝夾精度高的基礎上的，所以合理的焊件裝夾工具，以及裝配模臺對焊接具有很重要的影響意義。

1.2.2 變位機。焊接輸送線上裝配著焊件和裝夾工具等，其要求具有很高的定位能力和運動的平穩性，來保證焊件能夠精確地運動到制定的位置不能由大的傳動誤差，因此輸送線的定位精度對焊接的精度具有和高的影響作用，因此在設計時要對這些方面重點關注。

1.2.3 機器人工作滑臺。在焊接的過程中，機器人由于本身結構的原因，焊接的某些位置無法達到，只能通過改變機器人的位置從而達到使機器人的焊槍達到指定的位置從而進行焊接。這些位置的改變是通過滑臺來達到目的的。

1.2.4 焊接系統。下面將介紹焊接系統，以上介紹的是機器人通過移動和定位從而使焊槍能夠達到指定的位置，而到達指定位置以后就需要焊接系統來進行焊接。

2 焊接機器人的安裝調試

2.1 抗干擾措施

在焊接機器人焊接過程中由于焊接系統需要通過很大的電流來進行焊接，這些將對機器人的運動機構、定位機構、以及位置檢測裝置等進行影響，同時這些干擾也會對機器人的運算控制部分產生影響，雖然在設計時就這些影響因素進行了考慮，采取了濾波、接地等一系列的干擾措施，但是安裝說明上明確要求對高頻干擾進行防范。在鋪設地線時用搖表進行電阻測量，達到不大于4.0Ω的標準。

2.2 機器人外部軸標定

焊接機器人采用的六個軸一般在在制造時已經進行了定義，而在實際運行時建立的空間直角坐標則需要進行現場標定。

2.4 焊接試驗

在以上這些安裝步驟完成后將進行試焊接，在花盤或夾緊工具上放置焊件并夾緊，編制一定的焊接程序，采用測量工具檢測機器人在運動的過程中的偏差看是否在允許的誤差范圍內，檢測看能否達到設計指標，如不能達到則需要對工具中心點CP進行校準，直到滿足要求為止。

3 實際應用

焊接機器人廣泛應用于流水線等大批量等焊接，而在單件、大型結構件、小批量生產中，焊接機器人由于投入成本過高投入和產出不成正比往往應用不多，焊接機器人對使用環境等要求過高造成很多企業更傾向于使用人工焊接這種靈活性高，使用要求低的方式。

3.1 對這些可能存在的問題進行分析

（1）變位機設計不到位，具體體現在傳動無法達到精確定位，同時機器人本身的剛性較差，機器人通常選用的是伺服電機進行驅動，伺服電機具有體積小，響應準確，調節靈活的特點，較之于一般電機，具有更好的可操作性，可以靈活的調節電機對于控制響應的速度。（2）機器人使用自由度不夠，焊接機器人由于采用了六個軸的設計，這種設計在達到靈活的同時也會造成控制復雜的影響，在焊接時，有時需要采沿著某一直線或者是曲線來連續工作，由于是空間移動，需要六個軸同時進行協調移動，這就需要大量插補計算，六個軸在運動的過程中可能會出現突然出現速度急劇上升或下降趨勢，而造成的電機電流過大，系統報警等從而影響焊接的進行，這種位置一般稱為奇點，這就要求在設計時避開這些點，從而保證焊接的進行。（3）焊件裝夾工具的設計不合理，在設計時并未結合機器人的焊接實際進行考慮，從而造成機器人造價的上升。（4）焊件要求的加工精度高，機器人焊接不同于人工焊接，人工焊接時，可以通過實際情況采用相應的應對措施，例如，根據熔池液面狀況，隨時調整焊槍移動量、送絲量。而在機器人焊接時，其都是通過程序控制，控制其走多少，怎么走等，根據實際情況來更改焊接工藝要么是很難以實現，要么就是實現的成本過高，這都造成焊接時對焊件的加工要求高。

3.2 針對問題的解決方法

對于變位機出現的定位不準或者是重復定位的問題，可以通過進行增加軌跡點的問題來進行解決。而在對于焊接時出現的抖動問題可以通過采用焊頭通過伺服電機來跟隨焊件進行平焊，當遇到上坡焊與下坡焊時，通過采用伺服控制來使焊頭進行偏轉，是指盡量與焊件保持平緩的姿態從而減少抖動的。

3.3 焊接的控制系統

從目前國內外研究現狀來看，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規劃技術、多機器人協調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。下面將介紹移動式焊接機器人的焊縫跟蹤系統。 在整個焊接過程中，焊接機器人要自動尋找焊縫，施焊縫的自動跟蹤和機器人位姿的自動調整。顯然焊接機器系統是一個復雜的實時多任務控制系統，系統選用DSP作為整個控制系統的核心，運行速度快，具有強大的運算功能和豐富的外圍資源，可以大大簡化電路設計，提高系統的可靠性。另外，DSP具有強大的數字信號處理能力和運算能力，便于各種先進的控制算法和跟蹤算法在系統上的實現，提高了系統的智能化程度。

3.4 機器人的使用安全

焊接機器人是高度集成化的工業結晶，是機械、電子、數控及計算機技術等的完美結合，其具有本身結構復雜，集成化程度高等的特點，通過使用焊接機器人是能夠達到生產速度快、焊接品質高等，但是在操作使用焊接機器人時也是具有一定的安全風險，一點使用不當，則會發生碰撞焊槍，更甚至是機器人進行碰撞，這就度操作人員提出了更高的要求，對操作人員的職業素養和技能提出了更高的要求。在使用時必須建立完善的管理機制，防止意外事故發生。

4 結束語

文章就焊接機器人的結構設計時應注意的一些問題以及使用的安全問題進行了介紹。

參考文獻

[1]李永明，王健.焊接機器人控制系統的研究[J].儀表技術，2009.