焊接機器人可靠性技術的研究

趙世通

摘 要：焊接機器人是工業生產線最常用的機器人之一，在未來的制造業將會有更廣泛的應用和前景，這是因為和人工操作相比，焊接機器人操作更快、效率更高、成本更低、更加精準，而且比人工操作更為安全。為了確保焊接質量和工業安全，提升焊接機器人的可靠性就至關重要，文章從技術角度對如何提升焊接機器人工作的可靠性進行了分析。

關鍵詞：焊接機器人；工業機器人；可靠性；技術

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0141-02

Abstract： Welding robot is one of the most commonly used robots in industrial production line. It will have more extensive application and prospect in the future manufacturing industry， because compared with manual operation， welding robots operate faster， more efficiently， more cheaply， more accurately， and are safer than manual operations. In order to ensure the welding quality and industrial safety， it is very important to improve the reliability of the welding robot. This paper analyzes how to improve the reliability of the welding robot from the technical point of view.

Keywords： welding robot； industrial robot； reliability； technology

工業機器人是以自動化技術為基礎的機電一體化裝置，過去的焊接機器人主要基于電氣技術，沒有對環境的應對能力。現在的焊接機器人利用傳感器功能，對環境有著一定適應能力，體現出了智能化的趨勢。而未來的焊接機器人將會大大增加視覺、觸覺、聽覺等傳感器功能，大大提升自主工作能力，甚至建立學習能力。從1961年第一臺工業機器人投入使用以來，機器人技術發展已經了有了近60年的歷史。1970年代，焊接機器人被大量使用，實現了產業自動化的飛躍，在全球汽車生產線中，焊接機器人發揮著不可替代的巨大作用。和人類相比，焊接機器人穩定性好、精確度高、快捷可靠，但是畢竟機器人不具有人類自動識別故障的智能，而且是一個集成多種技術、多自由度高度復雜的綜合系統，所以必須要采用可靠性技術來排除故障。

1 焊接機器人的技術特點分析

1.1 焊接機器人相對于人類的優勢

第一，能夠代替人類從事危險作業，大幅改善工人的勞動條件，降低對人類的損害，可以從事人類不能到達的惡劣環境作業，比如毒氣坑道、軍事區域、無氧空間等。第二，在較高生產率下能夠實現穩定性生產，統一產品的標準，使產品質量具有均一性。這在汽車工業尤為顯著，自從1969年通用汽車使用了第一批點焊機器人以來，全球汽車企業都已經大規模發展了焊接機器人技術。第三，操作簡單，精度高，改變過去了人工操作可能產生誤差的狀況，目前全球數百萬臺電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等機器人在負載能力、重負定位精度、作業范圍、工作穩定性等指標上不斷刷新記錄；并且在焊接任務智能規劃、焊接動態過程傳感與控制、焊接配套設備（焊接電源、焊槍/焊鉗）等實現了更高程度的焊接自動化與智能化，能在短時間內完成任務，并且提供完整參數，比如，有些機器人能夠在焊接過程中完成實時焊縫跟蹤；此外焊接工作站或生產線的多機器人協作技術、極限環境下的機器人焊接技術的應用，體現了人類無法代替的高強度、高精度、復雜工序高效作業、惡劣或極限工況下施焊等方面的決定性優勢。

1.2 國內外焊接機器人發展現狀

作為工業機器人技術的誕生地，美國焊接機器人數量巨大，在十年前就超過了15萬臺。而制造業頂尖的德國在同一時期焊接工業機器人數量甚至超過美國，受到勞動密集型產業模式影響，我國的焊接機器人數量減少，僅有幾千臺。在各國的工業機器人當中，超過一半為焊接機器人。除了汽車領域，焊接機器人在能源、建筑、開采、加工、工程、農業、運輸、制造業等諸多領域都有著廣泛應用，這是由于其穩定性和高精度決定的。焊接機器人廣泛推廣的根本原因不僅是其高精度和穩定性，更在于高效率和低成本，甚至采用模塊化操作，將機器臂連接在設備，并且通過現場總線接口與機器人控制系統連接。目前的焊接機器人主要應用了如下的技術：可視編程技術實現簡單操作，比

如KUKA機器人可以實現將簡單明了的焊接指令和可視操作界面結合起來，用高分辨率觸摸屏大大增強了操作的方便性。軌度精度技術，采用焊制工藝確保每條工作都在正確的位置。傳感器技術，機器人為各種任務都準備了精密的傳感器技術，確保在焊接過程中實時修整機器人的焊接軌跡。

1.3 焊接機器人可靠性技術分析

目前國內外焊接機器人可靠性方面的著作較少，這是因為技術保密的緣故，總體來說，電子程序已經有了較為成熟的系統模式，但是機械部件和機電設備的可靠性方法還不夠成熟，本文的研究就是致力于這一方面的發展。目前國內外以故障樹分析法（FTA）為主，這種方法的原理是由于多數安全問題都是零部件或者操作問題所致，在此基礎上進行研究簡單可靠，清晰明了。目前國外機器人研究越來越多集中重復的精度上，在系統程序可靠性提升的基礎上，重點研究機械裝置的操縱可靠性。我國焊接機器人的可靠性技術還主要集中在產品生命周期的全過程管理當中，通過可靠性設計來提高產品的穩定性，和國外還有一定差距。

2 焊接機器人的故障分析

2.1 設計因素

焊接機器人的設計越來越復雜，機械性能、成本因素、能耗功率、可移動性、動態特性和動力驅動等都是要充分考慮的。尤其是機器人要在高速運轉下工作，如何克服噪音和振動等因素就是要充分考慮的問題。在機器人設計中，我們越來越發現，仿生學的作用愈發明顯，機器人和人類一樣，在本質上都是物質決定意識的產物，或者說都是按照一定程式在特定觸發環境下去工作的。和人類運動能夠產生的各種障礙一樣，機器人在工作狀態下也會遭遇因為原始設計對環境考慮不周而發生的問題。比如人類在進化過程中，因為環境的改變可能會發生職業病，比如闌尾的設計就是進化的多余產物，機器人也是如此，設計是根據特定的環境，可能會因為突發環境的變化而產生故障，因為此時機器人仍然按照原有程式運作。在焊接機器人系統穩定性和機械可靠性以及操作安全性越來越提高的今天，這種環境變化而產生故障因為越來越引起人們的重視，這可能會導致機器人因為判斷問題而錯誤操作。

2.2 分析原則

機器人故障分析一般采用故障樹分析法，將系統故障原則從頂層總體到下層細分，逐個排查，找出系統的薄弱環節，通過對于多個故障的分析最終實現解決問題的目的。故障樹分析法是把系統最不希望發生的失效狀態作為頂事件，分析歸納出所有可能導致頂事件的中間事件，再找出所有可能導致這些中間故障事件的直接原因，以此逐層推導，一直找到所有可能引起部件發生故障的底事件，并運用對應的邏輯門和符號把頂事件、中間事件及底事件串聯起來，形成一幅由上到下的樹狀邏輯關系圖，即故障樹。本文也以故障樹分析法為基本方法，在此基礎稍作改進，通過熟悉系統、調查事故、確定頂事件、分析原因、繪制事故樹、定性分析、計算頂事件概率、定量分析，結合模糊分析方法進行具體分析。

2.3 分析過程

大部分機器人由機器人本體、控制系統、驅動系統、焊接系統等部分構成，我們已經說過焊接機器人應用最大的領域是汽車領域，主要向各大廠商提供零部件。機器人的故障的分析首先要確保外磁場穩定、系統動力供給正常、操作無失誤，然后具體分析機器人本體故障、控制系統故障、焊接系統故障和驅動系統故障。

3 焊接機器人可靠性技術保障

3.1 系統分析

焊接機器人的本體是執行機構，一般采用6個或者7個焊接自由度關節，機器人末端有復雜的焊接附件，比如示教器、變壓器、焊槍、送絲機、保護氣、焊絲、氣管及各種線纜等。控制系統相當于機器人的大腦，設計中要保持程序的穩定性，確保操作無誤。動力驅動上，一般可以采用直流電機，這樣噪音小，時間長，運轉快，具有速度優勢。一般采用PID控制送絲器，確保焊絲和機器人的絕緣。焊絲從焊盤上拉取出來的時候會產生一定的阻力，焊絲長度越大，送絲阻力越大。這些非線性阻力會在操作中產生不確定因素，比如加壓滾輪架變形失效、加壓滾輪磨損失效、鉸鏈變形失效、矯直輪變形失效、送絲電機故障、減速箱故障、送絲輪變形失效、壓簧變形失效、導向部件零件變形失效等。在系統設計中都要予以考慮，確保各個子系統的獨立性，通過有效的串聯模型串聯各個模塊。

3.2 工藝可靠性分析

為了確保焊接的穩定性，要確保引弧容易，電弧平穩，參數穩定，焊弧調節范圍一致，保持電源相數的穩定、三相整流橋的完好。要提升可靠性除了編程技術，更為重要的是傳感器技術，賦予機器人足夠的觸覺、視覺和力覺感應，比如給予足夠大的感抗是縮小電壓過零熄弧時間，要確保焊弧回路值能夠自由調節，滿足變壓性能，建立傳感器失靈報警裝置，一旦發生問題及時調節，要分析伺服驅動器的故障形式，避免機器人在錯誤狀態下進行操作。同時，還要確保所有產品經過合格檢驗，控制人為因素，所有部件都要通過嚴格的測試和可靠分析，針對法蘭松動、伺服電機異常噪聲、不能啟動等情況重點治理。

4 結束語

焊接機器人可靠性技術關鍵在于設計階段的嚴謹和后期操作維護保養嚴格遵循操作流程，各個控制系統采用模塊化設計，加強傳感器技術的研發，建立傳感器報警功能，一旦偏離預定程式就及時調整。

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