焊接機器人在重卡行業(yè)應用的問題分析與對策

李 陽 李國睿 張峰峰 汶軍科

（陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司岐山分公司，陜西 寶雞722406）

1 焊接機器人技術的研究進展

焊接機器人廣泛應用于工業(yè)焊接工程，而汽車制造業(yè)是其最主要的應用領域之一。與傳統(tǒng)手工焊接相比，焊接機器人有著明顯的優(yōu)勢：穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，較高的工作效率，基本不受環(huán)境干擾，并實現(xiàn)了小批量產(chǎn)品的焊接自動化及完成其他人工難以進行的焊接作業(yè)等。由于機器人具有示教再現(xiàn)功能，在一條焊接機器人生產(chǎn)線上能同時自動化批量生產(chǎn)若干焊件，國內(nèi)一些大型汽車制造商已經(jīng)應用焊接機器人工作站來實現(xiàn)車體自動化焊接。某重卡公司的機器人焊接工作站，使用OTC機器人焊接發(fā)動機支撐梁總成。該工作站采用雙工位結構，機器人每天工作8h，每小時焊接成品7件，在夾具上直接裝夾各零件，一次裝夾一次成型；與人工作業(yè)相比，減少了人工點焊工序，提升了工作效率，每名焊接工每天可焊接28件總成，機器人只需一名員工操作，每天焊接總成50件以上；機器人焊接的焊縫較人工焊縫外觀光滑飽滿，可靠性高。

另外，廣泛使用焊接機器人離線編程，使得現(xiàn)場示教人員的工作量大為減輕，基本上所有離線編程軟件均支持第三方的二維、三維繪圖工具圖形導入導出，工作人員可以先在PC上將夾具和機器人建模后仿真焊接，得到離線程序文件，再使用移動存儲設備或直接使用網(wǎng)絡電纜將程序文件拷貝至機器人控制器，在示教時只需微調(diào)焊縫即可進行焊接作業(yè)；主流的通用編程軟件有加拿大的Robotmaster、德國的Robcad、意大利的Robomove等，原廠自帶編程軟件的有日本OTC的FD on Desk、美國ABB的RobotStudio等。

2 焊接機器人的系統(tǒng)構成

采用機器人代替手工焊接作業(yè)是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。機器人焊接作為現(xiàn)代制造技術發(fā)展的重要標志已被國內(nèi)許多工廠所接受，并且越來越多的企業(yè)首選焊接機器人作為技術改造的方案。焊接機器人是裝備了焊鉗或各類焊槍的自動化焊接設備，其運行控制系統(tǒng)涉及數(shù)學、自動控制等原理。機器人焊接技術需要一系列的配套系統(tǒng)，一般包括5個部分：

（1）焊接機器人本體，一般由驅動器、傳動機構、機械手臂、關節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成，任務是精確地控制機械手末端（焊槍）位置、姿態(tài)和運動軌跡。焊接機器人上裝有送絲裝置，大多在第三軸和第四軸之間。

（2）焊接機器人控制柜是神經(jīng)中樞，一般包括計算機硬件、軟件和專用電路，負責收集處理機器人工作過程中的全部信息并控制其全部動作。

（3）焊接電源系統(tǒng)，包括焊接電源、專用焊槍等。

（4）焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護設施。

（5）焊接工裝夾具。目前主流的工裝夾具以氣動和電動夾具為主，由外部I／O接口與機器人通訊，由機器人控制本體的6個電機與外部軸的伺服電機。

3 焊接機器人使用過程中可能遇到的問題及解決方案

3.1 電纜磨損問題

機器人各個工作場景均不同，在工作環(huán)境較差的情況下，由于機器人的運動速度很快，一些通信電纜經(jīng)過長期頻繁的彎曲后會出現(xiàn)軟管套破裂、電纜線磨損等問題，另外，如果電纜長度設置過短，在機器人工作時某些大幅度焊接動作可能會拉斷電纜；電纜長度過長，則容易在機器人變換姿勢時鉤住工裝或本體上的棱角導致自身被拉斷。

3.2 供氣、供水問題

點焊設備在工作中需要用循環(huán)水來冷卻，靠空氣壓力驅動汽缸的打開和關閉。壓縮空氣和水的供應質(zhì)量尤為重要，循環(huán)水和空氣必須先經(jīng)過過濾，去除水中的雜質(zhì)以及空氣中的顆粒，不然時間久了會發(fā)生堵塞或腐蝕，造成水壓、氣壓不足，繼而影響機器人焊接工作質(zhì)量，也會縮短機器人設備壽命。現(xiàn)在工廠基本都配備空壓站及循環(huán)水處理站，以滿足機器人工作需要，而有條件的工廠，應對每臺機器人加裝過濾裝置，以保證水、氣的純度。

3.3 位置偏移后在線示教問題

在焊接時發(fā)生位置偏移，則此時焊接精度將不再有保證，輕則產(chǎn)生大量焊接廢品，重則會導致機器人撞槍，甚至損毀機器人，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運行，這個工作現(xiàn)在需要占用大量的生產(chǎn)時間。一些零件加工精度要求低，但機器人對焊接零件要求極高，位置公差偏移一般不能超過焊絲直徑的一半，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。處理這種問題的關鍵在于，不能將整個產(chǎn)品的所有焊縫程序編寫為同一個文件，正確的方法是，將所有不連續(xù)焊縫進行命名，單獨為每一個焊縫編制程序，最后使用一個總程序調(diào)用各個焊縫程序，這樣示教人員對于局部發(fā)生變化的零件調(diào)試程序更為便捷。

3.4 機器人與其他設備或障礙物碰撞問題

不當操作會導致機器人或工裝夾具發(fā)生碰撞，例如在重卡發(fā)動機支撐梁焊接工作站中，在卸掉焊完的產(chǎn)品后，如夾具拉手未能及時歸位，機器人二次啟動后，拉手與工裝干涉，就會導致外部軸伺服電機負載過大而損壞。因此，必須為機器人工作站制定與工作環(huán)境相對應的操作規(guī)章制度，培訓操作人員合理的操作流程及習慣，將事故的人為因素完全消除。焊接機器人在運行時，也容易發(fā)生誤傷人員的事故，因此機器人工作時不應允許任何人進入其工作范圍，且要保證機器人工作區(qū)域無干涉，可采取相應可靠的安全措施，如加裝安全防護欄或加蓋隔離屋等，并在焊接機器人工位最近處安裝多個急停開關，一旦發(fā)生危急情況，操作人員可就近急停機器人。

3.5 機器人維護問題

目前重卡企業(yè)配備的機器人大多為FANUC、OTC、MOTOMAN、KUKA等品牌，均為國外廠商生產(chǎn)；國內(nèi)目前還沒有形成規(guī)模的生產(chǎn)廠家，雖然我國已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權的焊接機器人系列產(chǎn)品，但無論從控制水平及可靠性還是成本來說，國產(chǎn)機器人與國外均有很大差距。而國外廠家對機器人配件的標準不同，導致不同品牌間配件互換性極差，且均須從國外進口，進口的機器人配件不僅價格高昂，往往采購周期也長，會影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，增加產(chǎn)品成本。國內(nèi)機器人設計及維護的專業(yè)技術人才也相對欠缺，機器人核心技術領域依然被國外廠商所壟斷，機器人關鍵部位的維修和調(diào)試需要原廠技術人員到現(xiàn)場，這往往意味著高昂的維修費用，唯一的辦法是加強國內(nèi)行業(yè)人才培養(yǎng)，努力吸收國外先進技術并不斷創(chuàng)新，擺脫技術壟斷。

4 焊接機器人的維護和保養(yǎng)

由于焊接機器人系統(tǒng)一般不進行全封閉，而生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境、溫度、濕度等并不能永遠保持恒定，因此恰當?shù)木S護和保養(yǎng)對機器人非常重要。定期正確地對焊接機器人進行保養(yǎng)可以延長其使用壽命，減少故障。

（1）控制柜與機器人之間的電纜破損檢查。生產(chǎn)現(xiàn)場的電纜應經(jīng)常檢查，確保電纜接頭牢固、無破損，當電纜損壞后機器人可能出現(xiàn)異常，這類故障排除時比較費時費力，經(jīng)常性的保養(yǎng)檢查可以降低該類故障發(fā)生的頻次。

（2）機器人與外部撞擊后的檢查。當發(fā)生碰撞之后，要及時檢查機器人的手臂。

5 結語

焊接機器人在重卡行業(yè)的應用極大地提高了重卡部件的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也有效降低了工人的勞動強度，一定程度上減少了人工成本。而且，在重卡線上采用手工作業(yè)預裝和焊接機器人補焊相結合的半自動生產(chǎn)方式，適度實施自動化，為其培養(yǎng)良好的工作人員，制定合理的操作、保養(yǎng)方案，改善機器人工作環(huán)境，是生產(chǎn)單位對技術和資金進行綜合考慮后得到的最佳方案。

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