焊接機器人在工程機械行業應用

鮑燕舞

隨著制造業勞動本錢的上漲，機器人產品價格的不斷下降，人們更加追求更舒適的工作條件，機器人的應用每年遞增，為了追求更高的焊接品質，焊接機器人已經廣泛應用于工程機械各類產品。焊接機器人由操縱機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操縱、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備，特別適合于多品種變批量的柔性生產。它對穩定、進步產品質量，進步生產效率改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作業，如下：

焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的產業機器人，它主要包括機器人和焊接設備兩部分，目前在工程機械起重機、履帶吊、泵車、攪拌車等產品生產過程中得到廣泛應用，應用分為點焊機器人和弧焊機器人，其中特點如下：

1、點焊機器人的特點

由于采用了一體化焊鉗，焊接變壓器裝在焊鉗后面，所以點焊機器人的變壓器必須盡量小型化。對于容量較小的變壓器可以用50Hz工頻交流，而對于容量較大的變壓器，產業上已經開始采用逆變技術把50Hz工頻交流變為600～700Hz交流，使變壓器的體積減少、減輕。變壓后可以直接用600～700Hz交流電焊接，也可以再進行二次整流，用直流電焊接，焊接參數由定時器調節。目前，新型定時器已經微機化，因此機器人控制柜可以直接控制定時器，無需另配接口。點焊機器人的焊鉗，用電伺服點焊鉗，焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅動，碼盤反饋，使焊鉗的張開度可以根據實際需要任意選定并預置，而且電極間的壓緊力也可以無級調節。

電伺服點焊鉗具有如下優點：

（1）每個焊點的焊接周期可大幅度降低，由于焊鉗的張開程度是由機器人精確控制的，機器人在點與點之間的移動過程，焊鉗就可以開始閉合;而焊完一點后，焊鉗一邊張開，機器人就可以一邊位移，不必等機器人到位后，焊鉗才閉合或焊鉗完全張開后機器人再移動。

（2）焊鉗張開度可以根據工件的情況任意調整，只要不發生碰撞或干涉，可盡可能減少張開度，以節省焊鉗開度，節省焊鉗開合所占的時間。

（3）焊鉗閉合加壓時，不僅壓力大小可以調節，而且在閉合時兩電極是輕輕閉合，可減少撞擊變形和噪聲。

2、弧焊機器人的特點

弧焊機器人多采用氣體保護焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶閘管式、逆變式、波形控制式、脈沖或非脈沖式等的焊接電源都可以裝到機器人上作電弧焊。由于機器人控制柜采用數字控制，而焊接電源多為模擬控制，所以需要在焊接電源與控制柜之間加一個接口。

近年來，國外機器人生產廠都有自己特定的配套焊接設備，在這些焊接設備內已經插進相應的接口板，所以弧焊機器人系統中并沒有附加接口箱。應該指出的是，在弧焊機器人工作周期中，電弧時間所占的比例較大，因此在選擇焊接電源時，一般應按持續率100%來確定電源的容量。送絲機構可以裝在機器人的上臂上，也可以放在機器人之外，前者焊槍到送絲機之間的軟管較短，有利于保持送絲的穩定性，而后者軟管校長，當機器人把焊槍送到某些位置，使軟管處于多彎曲狀態，會嚴重影響送絲的質量，所以送絲機的安裝方式一定要考慮保證送絲穩定性的題目。

3、焊接機器人的意義

焊接機器人之所以能夠占據整個工業機器人總量的40%以上，與焊接這個特殊的行

業有關，焊接作為工業“裁縫”，是工業生產中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環境又非常惡劣，焊接質量的好壞對產品質量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義：

（1）穩定和提高焊接質量，保證其均一性。焊接參數如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結果起決定作用。采用機器人焊接時，對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術的要求，因此焊接質量是穩定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質量的均一性。

（2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。

（3）提高勞動生產率。機器人沒有疲勞，一天可24h連續生產，另外隨著高速高效焊接技術的應用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。

（4）產品周期明確，容易控制產品產量。機器人的生產節拍是固定的，因此安排生產計劃非常明確。

（5）可縮短產品改型換代的周期，減小相應的設備投資。可實現小批量產品的焊接自動化。機器人與專機的最大區別就是他可以通過修改程序以適應不同工件的生產。

4、焊接機器人工程機械應用中存在的題目和解決措施

（1）出現焊偏題目：可能為焊接的位置不正確或焊槍尋找時出現題目。這時，要考慮TCP（焊槍中心點位置）是否正確，并加以調整。假如頻繁出現這種情況就要檢查一下機器人各軸的零位置，重新校零予以修正。

（2）出現咬邊題目：可能為焊接參數選擇不當、焊槍角度或焊槍位置不對，可適當調整。

（3）出現氣孔題目：可能為氣體保護差、工件的底漆太厚或者保護氣不夠干燥，進行相應的調整就可以處理。

（4）飛濺過多題目：可能為焊接參數選擇不當、氣體組分原因或焊絲外伸長度太長，可適當調整機器功率的大小來改變焊接參數，調節氣體配比儀來調整混合氣體比例，調整焊槍與工件的相對位置。

（5）焊縫結尾處冷卻后形成一弧坑題目：可編程時在工作步中添加埋弧坑功能，可以將其填滿。

5、在焊接過程中，機器人系統常見的故障

（1）發生撞槍：可能是由于工件組裝發生偏差或焊槍的TCP不正確，可檢查裝配情況或修正焊槍TCP。

（2）出現電弧故障，不能引弧：可能是由于焊絲沒有接觸到工件或工藝參數太小，可手動送絲，調整焊槍與焊縫的間隔，或者適當調節工藝參數。

（3）保護氣監控報警：冷卻水或保護氣供給存有故障，檢查冷卻水或保護氣管路。

6. 焊接機器人的編程技巧

（1）選擇公道的焊接順序，以減小焊接變形、焊槍行走路徑長度來制定焊接順序。

（2）焊槍空間過渡要求移動軌跡較短、平滑、安全。

（3）優化焊接參數，為了獲得最佳的焊接參數，制作工作試件進行焊接試驗和工藝評定。

（4）采用公道的變位機位置、焊槍姿態、焊槍相對接頭的位置。工件在變位機上固定之后，若焊縫不是理想的位置與角度，就要求編程時不斷調整變位機，使得焊接的焊縫按照焊接順序逐次達到水平位置。同時，要不斷調整機器人各軸位置，公道地確定焊槍相對接頭的位置、角度與焊絲伸出長度。工件的位置確定之后，焊槍相對接頭的位置必須通過編程者的雙眼觀察，難度較大。這就要求編程者善于總結積累經驗。

（5）及時插進清槍程序，編寫一定長度的焊接程序后，應及時插進清槍程序，可以防止焊接飛濺堵塞焊接噴嘴和導電嘴，保證焊槍的清潔，進步噴嘴的壽命，確保可靠引弧、減少焊接飛濺。

（6）編制程序一般不能一步到位，要在機器人焊接過程中不斷檢驗和修改程序，調整焊接參數及焊槍姿態等，才會形成一個好程序。

7、焊接機器人的最新技術

（1）TCP（tool center point工具中心點）自動校零技術

焊接機器人的工具中心點就是焊槍的焊絲的端點，因此TCP的零位精度直接影響著焊接質量的穩定性。但在實際生產中不可避免會發生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預見性因素導致TCP位置偏離。通常的做法是利用手動進行機器人TCP校零，但一般全過程需要30min才能完成，影響生產效率。TCP自動校零是用在機器人焊接中的一項新技術，它的硬件設施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當焊槍以不同姿態經過TCP支座時，激光傳感器都將記錄下的數據傳遞到CPU與最初設定值進行比較與計算。當TCP發生偏離時，機器人會自動運行校零程序，自動對每根軸的角度進行調整，并在最少的時間內恢復TCP零位。

（2）雙絲焊接技術

近年來由于我國汽車、集裝箱、機車車輛、工程機械等行業的高速發展，對高速焊和高熔敷效率焊接的需求越來越多。雙絲焊是近年來發展起來的一種高速高效焊接方法，焊接薄板時可以顯著提高焊接速度，達到3～6m/min，焊接厚板時可以提高熔敷效率。除了高速高效外，雙絲焊接還有其他的工藝特點：在熔敷效率增加時保持較低的熱輸入，熱影響區小，焊接變形小，焊接氣孔率低等。

結束語

隨著工程機械發展，實現焊接產品制造的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨勢。目前，采用機器人焊接已成為焊接自動化技術現代化的主要標志。焊接機器人由于具有通用性強、工作可靠的優點，受到工程機械越來越多的重視。