工業機器人在中厚板加工和焊接中的應用及智能化發展趨勢

■ 李賀德，王彩鳳，丁志遠，雷寧寧

1. 概述

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。工業機器人技術涉及機構學、控制理論和技術、計算機、傳感技術、人工智能、仿生學等諸多領域，是一門多學科的綜合性高新技術，當代研究十分活躍、應用日益廣泛，同時機器人的應用情況也標志著一個國家制造業及其工業自動化的水平。

2. 工業機器人構成

機器人正常工作的基礎由硬件系統和軟件系統組成，其中硬件系統包括機械系統、傳感系統、驅動系統及計算機與控制系統；軟件系統則是所有控制程序的統稱。工業機器人的基本構造如圖1所示。

（2）腕部 連接手部與臂部的部件，用以支撐和調整末端執行器（手部）的姿態，確定物件的姿態（方向）。

（3）臂部 支撐腕部的部件，由操作機的動力關節和連桿件等構成，用以承受工件和工具的負荷，改變它們的空間位置并將它們送至預定的位置。

圖1 工業機器人的構造

（4）機身 又稱為立柱，是支撐臂的部件，用以擴大臂部的活動范圍。

（5）機座及行走機構 支撐整個工業機器人的基礎件，用以確定或改變整臺機器人的位置。

（6）驅動系統 工業機器人的動力源，又稱為移動器，由驅動器、減速器及檢測元件等組成。

（7）控制系統 控制工業機器人按預定要求進行動作的位置，也是由人操作啟動、停機及示教機器人的一種裝置，其核心是計算機控制系統。

機器人的精度與執行工作的速度由硬件系統決定，而機器人執行何種操作、操作控制的方便性則由機器人的軟件系統決定，軟件系統可分為系統軟件和應用軟件（見圖2）。

系統軟件是由機器人制造廠商提供，相當于機器人的操作系統，它提供了各種控制機器人動作的手段和指令系統。應用軟件是由用戶編制的，它是機器人完成具體任務的程序。機器人系統軟件的主要功能有：提供人—機器人對話的手段、提供控制機器人的指令系統與編程環境、監控和管理機器人完成任務的過程和實時監控各關節的運動。

2012年12月，習近平總書記在廣東考察時指出：“要尊重人民首創精神，尊重實踐、尊重創造、鼓勵大膽探索、勇于開拓，聚合各項相關改革協調推進的正能量。”這里，他所談的正能量，與毛澤東同志所說的“調動一切積極因素，團結一切可以團結的力量”的基本精神是一致的。

按系統軟件功能的不同，機器人系統軟件可用分級的方法概括，如圖3所示。機器人具有的不同軟件級別，是區別機器人先進性的重要標志。機器人的編程語言是機器人系統軟件的重要組成部分，其發展與機器人技術的 發展是同步的，與系統軟件的分級結構相對應。

3. 工業機器人在厚板加工中的應用

工業機器人可滿足當今工業成本與時間高效性的需求，以及對材料加工的柔性需求，以其高效性、低成本、柔性好等優勢，可作為替換傳統機械加工單元的自動化加工設備。與數控加工中心、FMC等其他加工設備相比，工業機器人應用于機械加工領域具有成本低、自動化程度高、柔性好及安裝空間小等優點，可適應多品種、小批量、現場加工的現代生產要求，可滿足各種復雜工件的加工要求。

在中厚板的實際加工生產中，使用工業機器人主要為了降低工件的加工難度，提高工件的加工效率和精度等。

具體體現在以下三個方面：

（1）對一些非直線形坡口的加工，提高工件的加工效率和精度 在實際的生產中，為了使中厚板在焊接中能夠更好地熔合，需要對其進行坡口加工。對于一些直線形坡口可使用導軌切割機和銑邊機進行加工，而對于一些非直線形坡口，為了提高其加工效率和精度，需要使用坡口加工機器人對其進行加工。例如，挖掘機斗桿和動臂的“大頭板”，產品形狀不規則，坡口較多并且大小不一，因此在對其坡口加工的過程中必須借助坡口切割機器人柔性化和無限回轉的功能對其進行坡口的加工，以提高產品加工的效率和精度（見圖4）。

（2）對一些雙面或多邊坡口的工件進行加工，以提高生產效率 在生產中有些中厚板材件需要雙面或多邊加工坡口，這些需要雙面或多邊加工坡口的工件也分為非直線形和直線形坡口。非直線形坡口工件在制定加工工藝時直接選用機器人進行加工；對于直線形雙面或多邊坡口工件制定加工工藝時可以選擇銑邊機、導軌切割機和切割機器人進行加工。對于雙面或多邊直線形坡口的加工，使用銑邊機加工的過程中，需要對工件進行多次翻轉或裝夾；使用導軌切割機進行加工的過程中也需要對工件或者導軌切割機進行多次調整，工作效率較低。使用坡口切割機器人對其進行加工的過程中，由于機器人可以多角度進行調整，具有高度的柔性化，所以不需要對工件進行翻轉或重新裝夾，只需要一次裝夾就可以完成多個坡口的加工，大大降低了工人的勞動強度，提高了生產效率。

圖2 機器人的基本工作原理

圖5為挖掘機馬達頭側板，坡口為雙面直線坡口。由于工件較厚，若使用銑邊機進行加工坡口，單側坡口需要兩次進給，并且在過程中需要一次工件的翻轉，加工效率較低，因此為了提高工件的生產效率并保證工件的加工精度，編制坡口加工工藝時選擇坡口切割機器人進行加工。挖掘機斗桿加強板的各個邊上都有坡口分布，使用坡口加工機器人進行工件坡口的加工，不僅可以省去工件多次裝夾的輔助時間，大大降低勞動強度，提高生產效率，節約工件的生產成本，而且使用機器人加工基準統一，提高了工件坡口加工的精度。

（3）對一些鈑金件成形之后進行切割余料加工，以提高產品切割余料的精度 中厚板板材件在折彎加工中由于工藝尺寸的要求，有些工件的折彎線到料邊距離較小需要增加余料，在折彎完成后去除；有些工件距折彎線較近的地方有長孔或圓孔，為了防止折彎過程中孔的變形，需要增加余料；有些工件邊緣形狀不規則，需要增加余料折彎完成后割除。這些工件在折彎后需要割除余料部，一般情況下形狀不規則，而利用坡口加工機器人的柔性化、多自由度的優勢，比較容易加工，效果較好。兩種需折彎后切割余料的工件如圖6所示。另外，有些時候可以使用切割機器人進行管子相貫線軌跡的切割下料等。

4.工業機器人在厚板焊接生產中的應用

圖3 機器人系統軟件的分級結構

工業機器人在中厚板焊接生產中主要應用于船舶制造、工程機械、煤炭機械、核工業、鋼結構及壓力容器制造等行業。造船焊接技術是現代船舶制造的關鍵工藝技術，在船體建造中，焊接工時占船體建造總工時的30%～40%，焊接成本占船體建造總成本的30%～50%。船舶焊接質量是評價船舶質量的重要指標，焊接效率直接影響到造船周期和船舶建造成本。因此焊接自動化將是船舶產業進步和升級的關鍵，也是造船行業的一大趨勢，隨著焊接技術的發展這種趨勢還將越來越明顯。

圖4 機器人割坡口

圖5 挖掘機馬達頭側板

圖6 兩種需折彎后割余料的工件

在工程機械行業，焊接機器人已經較廣泛的應用于各種工程機械工件的制造。例如挖掘機的動臂、斗桿、挖斗、X架、主平臺及履帶梁等各個部件，裝載機的前后車架、動臂等關鍵部件，推土機后橋箱、臺車方盒，汽車起重機車架、轉臺、支腿以及履帶起重機、泵車、平地機及攤鋪機等設備關鍵部件的焊接都有了專門的焊接機器人-變位機集成系統。這些專門的機器人焊接系統運行穩定可靠，本體及控制系統通過電弧跟蹤功能、接觸傳感功能、焊接專家數據庫等智能化功能，對中厚板焊接領域存在的工件尺寸、焊腳尺寸較大，焊接坡口加工、工件組對精度較差等問題進行了解決，焊縫成形效果和焊接穩定性均較好。圖7和圖8分別為機器人焊接挖掘機履帶梁的柔性系統及焊接效果。

5. 厚板焊接加工機器人智能化發展的趨勢

焊接機器人在得到越來越廣泛應用的同時，也正向更高程度的自動化與智能化方向發展。近年來不斷涌現具有代表性的機器人焊接新技術，這些技術從生產效率、精度要求、操作性、適應性等方面顯示了焊接機器人技術的未來發展趨勢，從研發完善逐漸走向推廣應用。

（1）機器人示教再現與離線編程技術 現階段在工業生產中大量應用的焊接機器人多為基于示教再現或離線編程的工作方式實現焊接作業，在輔助以一定傳感技術的情況下能夠滿足自動化生產的基本需求，但其智能化程度仍然有較大的發展空間，包括以下幾個方面：易實現的示教、焊接路徑自主規劃、自動生成焊接任務工藝參數、直觀易用的人機交互系統設計、借助虛擬現實等技術實現焊接工作站的離線編程等。

（2）焊接過程傳感與適應性控制技術 集成了一種或多種傳感器的焊接機器人可實現對環境的感知、信息提取及處理，通過視覺、觸覺等感知的反饋形成一定的閉環控制，對外部環境的變化具有一定的適應力，如焊接起始位置自動尋位、焊縫自動跟蹤等。更高智能程度的機器人需要能根據所獲取的信息進行判斷、融合、決策。對于復雜環境具有更高的適應性，以完成更復雜的任務，這是焊接智能化的未來發展方向。

（3）用于焊接工作站/生產線的多機器人協作技術 以焊接工作站或生產線的形式，采用多機器人協作技術實現多項焊接作業或焊接作業與定位、安裝、檢測等其他工序的同時進行，可極大地提高生產效率并能保證質量，進一步減少人工介入，生產空間更緊湊。同時，協同控制參與作業的多臺機器人或運動軸，可從工序上避免其發生運動干涉或相互碰撞的問題，提高生產的安全性，減小生產線發生故障的概率。

（4）適用于高能束焊接、攪拌摩擦焊接等工藝方法的機器人技術 激光、電子束這類高能束焊接在運動軌跡高精度控制、輔助設備集成等方面對焊接機器人提出了特殊要求。

（5）用于極限環境的焊接機器人遙控技術 在核環境、太空、深海等特殊工況下，需要采用遙控機器人替代人完成焊接任務，極限環境在輻射、氣壓、水壓、重力、溫度等方面的特殊性，要求焊接機器人在機械結構、電氣設計、傳感方式、控制技術、工藝方法等方面均具有應對措施。

圖7 履帶梁的機器人焊接系統

圖8 機器人焊接履帶梁焊縫效果

[1] 盛曉敏，鄧朝暉.先進制造技術[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[2] 丁志遠，等.板材折彎過程中幾種加余料的方法及應用[J].金屬加工（熱加工），2015.