智能制造與機器人焊接技術的集成與應用

鄧海鵬

（海安交睿機器人科技有限公司，江蘇南通226600）

0 引言

當前焊接機器人的應用迎來了難得的發展機遇，一方面，隨著技術的發展，焊接機器人的價格不斷降低，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國正在由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產品質量和增強企業競爭力。這一切預示著焊接機器人的應用及發展前景空間巨大。

集焊接工藝、機械設計、識別和傳感技術、自動控制、信息采集和處理等多學科而形成的高新應用技術，主要是為了解決工業制造中以焊接工藝為主的自動化裝備能夠滿足焊接需求，實現自動化、信息化和智能化，做好焊接質量控制和檢測等基本需求。

1 焊接機器人的分類及發展方向

目前機器人焊接在基本應用方面的技術已經非常成熟，主要有弧焊機器人、點焊機器人、激光焊接機器人、摩擦焊接機器人等類型。焊接機器人的發展方向包括以下幾個方面：

1.1 機器人本體結構

焊接過程是一個對動作靈敏度反應和定位精度要求很高的工藝過程，因此，輕便巧妙是機器人作為關鍵執行機構的重要發展方向。機器人本體結構正向著進一步模塊化、可重構的方向發展。

1.2 智能傳感技術

焊接過程本身就是易受環境影響的過程，也是對工件本身產生變形的過程。一代示教式編程施焊是一種“盲人式”的機器人焊接，今后的發展會給焊接機器人加上更多更有效的感覺，不僅包括視覺的傳感，還有聲覺、力覺、觸覺等多方位的環境感知能力。把這些感覺融入到機器人系統之中，才能更好地保障機器人在整個焊接過程中的自動準確定位和把控。

1.3 網絡通信技術

隨著企業信息化和自動化融合的深入發展，機器人焊接不會成為孤立的一員，需要納入到整個數字化工廠的系統中。不僅如此，今后的發展趨勢還包括對機器人多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理、感知與學習方法、建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。

1.4 VR技術

VR即虛擬現實技術，在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，比如可以使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。基于多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。

2 典型機器人焊接系統

機器人焊接基本系統主要由機器人、焊接裝備、工裝夾具等構成。從技術構成角度來看，機器人焊接系統可劃分為“機器人+焊接”“機器人+焊接工作站”“機器人+焊接生產線”。

2.1 機器人+焊接

機器人+焊接主要是就機器人單體實現焊接工序自動化而言，就是考慮機器人的動作對焊接過程的自動控制。機器人本體是機器人系統的執行機構，控制柜是機器人系統的神經中樞，示教器是機器人控制系統與操作者的交互界面，機器人底座是固定承重的載體。焊接電源是焊接系統的能量發生來源，焊槍是能量輸出的通路，送絲機構和焊絲盤架是焊材的供應來源。

2.2 機器人+焊接工作站

機器人+焊接工作站是一個相對獨立的焊接工作單元系統，這是從焊接整個過程的完成達成性角度而言。除了機器人施焊過程的必要組成部件之外，還要加上諸如外部裝置電氣控制、觸摸屏、工裝夾具、變位機構、焊縫跟蹤系統、保護圍欄、吸塵裝置等等。作為一個機器人焊接工作站，其任務就是能夠獨立完整地完成對某一工件的焊接工作，這就不僅對機器人如何去焊接提出了要求，而且對于如何保證機器人焊接也有所要求。

在焊接工件完成過程中，需要工件的位置固定并控制所需的工裝夾具和變位機構，也需要圍欄、吸塵裝置等人身安全健康保護裝置。所有這些配套與機器人焊接的協調統一得靠一個整體的控制系統，目前較多的是采用PLC進行控制，而觸摸屏就是作為人機交互的界面。這樣就是一個相對獨立、可以完成機器人焊接的工作站主要構成。本文后面介紹的工程案例就是采用此模式進行設計應用的。

2.3 機器人+焊接生產線

機器人+焊接生產線是就側重機器人焊接生產過程的自動化而言的。一方面，在機器人焊接工作站的基礎上，在機器人工作站上會有所增加，形成多個焊接工作站所組成的生產線。另一方面，從焊接生產過程自動化角度來看，包括了備料、組對、上料、焊接、檢驗、下料、分揀等一系列工序的焊接產品生產全過程自動化。如此一來，整個工作環境的情況更為復雜，不僅是對生產線上各工作單元的要求更高，而且對整體協作的統一性和高效性提出了要求。只有多個自動化工作站之間工作形成高效對接和統一控制，才能發揮整體生產線的生產效率，保證生產質量，并改善操作環境。這涉及智能化、數字化的生產規劃，是一個信息化和自動化統一協作的簡單組合。機器人焊接生產線生產的過程與質量信息、生產管理信息等還可以通過網絡實現數字一體化管理。

3 智能焊接技術的集成應用

下面介紹一個采用智能焊接工作站模式的案例，該項目目的是為江蘇南通某生產垃圾焚燒設備的集團公司實現中厚板組合焊接件的柔性化生產。由于客戶對產品種類、焊縫質量、工件焊接位置以及焊接安全防護等方面都提出了相關指標要求，因此我們推薦采用獨立焊接工作站的模式應用到此項目。下面介紹該系統的具體組成及其功能。

3.1 智能焊接站系統的主要組成

本案例中的智能焊接工作站主要包括：機器人系統（機器人本體、機器人控制柜、示教器）、焊接電源系統（焊機、送絲機、焊槍、焊絲盤）、控制系統（PLC控制柜、HMI觸摸屏、操作臺）、焊槍防碰撞傳感器、變位機及工裝夾具、機器人移動軌道、清槍站、安全系統（升降防護門、安全光幕）和排煙除塵系統等。弧焊機器人工作站采用雙工位設計，氣動/液壓焊接夾具，機器人焊接與操作者上下工件在各工位交替工作，這種方式可以避免或減少機器人的等待時間，提高生產效率。焊接工作站的整體布局如圖1所示。

圖1 智能焊接工作站布局

（1）機器人系統：采用ABB專用弧焊機器人1660ID，同時配置TBI的水冷焊槍，焊槍自帶碰撞傳感器檢測，能夠有效地在機器人移動或焊接時對焊槍進行保護。

（2）焊接電源系統：焊接電源采用美國林肯的全數字式焊機R500，該焊機可提供全套的焊接工藝，能夠滿足不同工件的焊接工藝需求。

（3）控制系統：系統的控制器采用德國西門子的PLC，該控制器能夠將整個系統的主要元件進行組網通信，穩定可靠地控制系統的整個自動化運行，并能實時監控相關的生產參數。

（4）變位機及夾具：變位機是本系統的主要執行機構，變位機上安裝有專用的工裝夾具，可實現對工件的快速定位；變位機自身是可旋轉軸，由伺服電機驅動，可以實現精確的旋轉變換角度。

（5）機器人外部軌道：主要是對機器人整體位置的快速移動，實現對焊接工件不同位置的焊接，從而進一步增加機器人的工作范圍。

（6）封閉式焊房及排煙系統：焊房前后有可升降的焊接幕簾，在工件焊接時將焊接區域完全隔離，從而阻擋焊接弧光對外面操作人員的傷害；排煙系統采用高速電機控制的高負壓高效排煙過濾，能有效凈化焊接時產生的煙塵。

3.2 控制系統軟件單元的組成

控制系統由PLC、人機界面（HMI）、工裝定位軸、機器人移動外部軸、ABB弧焊機器人系統、電焊機系統以及夾具氣缸通信閥島實現聯網通信，該控制方案是目前工業通信技術應用中比較穩定可靠的一套系統架構。PLC作為主控制器負責伺服軸的運動定位、夾具氣缸的控制以及與焊接機器人的協調作業，HMI觸摸屏用來對產品工藝進行選擇，對生產數據進行監控以及將設備的實時運行狀態反饋給上位機控制系統。通過本系統的搭建，該公司的生產車間已經升級成為一個自動化、智能化、信息化，集多種先進技術于一體的亮點工程。

3.3 智能焊接功能說明

在該智能焊接工作站項目的實際應用中采用了許多前沿的機器人焊接技術，下面對部分焊接技術進行簡單介紹：

（1）智能尋位功能：利用噴嘴或焊絲碰觸工件，可確定真實焊縫位置，尋位精度±0.25 mm。

（2）電弧跟蹤功能：系統實時對焊接中的電流、電壓信號采樣，根據因下料不規則及焊接過程中產生的變形分析得出的數據修改機器人路徑，能夠自行適應焊接過程中的工件變形。

（3）臨時停點自動恢復功能：焊接中發生電弧異常和暫時停止的時候，去除錯誤因素或者暫時停止原因后，在再啟動時調用命令，自動從任意位置向電弧切斷位置恢復，同時還可通過設定對于電弧切斷位置的偏置量（以電弧切斷位置為基準的焊接線方向的平移量），指定焊縫的重疊和焊接剩余部分。

智能焊接技術的集成應用已經成為焊接行業的“新式武器”，自該公司智能焊接站驗收投產以來，車間的焊接件焊接效率、焊接質量、生產環境以及企業形象都得到了很大提升。引進智能制造，提高企業軟實力的先進水平，表現了企業強大的生產和科研能力，也增加了客戶的信賴度，增強了企業的核心競爭力。

4 結語

進入工業4.0時代，國內的工業改革也在發生翻天覆地的變化，本文介紹的智能焊接技術的集成應用只是智能焊接技術的冰山一角，未來智能焊接還有更遠的發展前景。智能制造技術水平的提高不僅僅是某一方面的提高，而是一個全局性的提高，期待未來能夠看到更多智能制造、智能焊接的新技術、新應用。

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