焊接機器人在實際生產中的運用淺析

王睿

[摘? ? 要]從焊接機器人的應用入手，分析了焊接機器人的應用現狀。介紹了桿體焊接的現狀以及機器人焊接的改造要求，著重分析了桿體自動化焊接的工藝流程、結構、功能、要求、效果以及改造前后的對比，顯示了自動化機器人焊接的巨大優勢。對自動化機器人焊接的應用提出了建議。

[關鍵詞]焊接機器人;焊接自動化;桿體焊接自動化

[中圖分類號]TM623 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–03

Application of Welding Robot in Actual Production

Wang Rui

[Abstract]Starting with the application of welding robot， the application status of welding robot is analyzed. The present situation of rod body welding and the transformation requirements of robot welding are introduced. The process flow， structure， function， requirements， effect and comparison before and after transformation of rod body automatic welding are emphatically analyzed， which shows the great advantages of automatic robot welding. Some suggestions on the application of automatic robot welding are put forward.

[Keywords]welding robot; welding automation; rod body welding automation

據統計，焊接機器人占據了整個工業機器人總量的40%以上，是工業生產中非常重要的加工手段，同時由于焊接存在煙塵、弧光、金屬飛濺等因素，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。產能低、招工難、利潤低成為焊接領域發展的“痛點”，而將傳統的焊接與機器人結合起來，能夠解決這些“痛點”。

隨著經濟與科技的發展，焊接作業的范圍正在向核環境、地下、太空、深水、高溫、極寒等極限環境延伸。即在保證焊接質量的情況下，最大限度地提高人類活動的舒適度，降低人類活動的危險性，成為如今焊接發展的趨勢之一。

進入21世紀，由于國外汽車巨頭不斷涌入，汽車行業迅猛發展，我國汽車行業的機器人安裝臺數迅速增加，2002—2004年每年都有近千臺的數量增長，汽車行業焊接機器人所占的比例進一步提高。我國使用的焊接機器人主要有日系、歐系和國產3種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。近10年來，隨著進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7～8萬美元降低到2～3萬美元，我國具有自主產權的工業機器人也取得了長足進步，為國內工業的自動化改造打下了堅實的基礎。

國產機器人無論從控制水平還是可靠性等方面，與國外公司還存在一定的差距。隨著“中國智造2025”以及“工業4.0”等國家戰略的實施，國內工業機器人行業正在迎頭趕上，隨著工業機器人在實際生產中不斷地完善和提高，國內的工業自動化改造正在如火如荼地展開。

1 現狀及自動化改造的目的

1.1 改造前生產作業現場

由于工作環境屬于特種作業，工人作業時勞動強度大、生產效率低、勞動環境差，容易出現焊接缺陷且極易發生安全事故（圖1）。

1.2 自動化改造的要求

（1）以產品的焊接工藝分析和工藝流程的合理性為基礎，用機器人焊接單元替代人工，機器人焊接單元力求高柔性、高性價比、高可靠性，并且考慮日后可擴展升級。

（2）機器人焊接單元要方便易用，采用人—機聯合操作平臺。機器人焊接單元要充分考慮應用和維護的方便性、靈活性、可靠性以及性價比，操作方式和可視化操作界面要考慮工人的文化程度，要求簡潔、方便。

（3）工件的焊接要求包括以下方面：①焊接采用氣體保護電弧焊接（MAG）;②焊件無裂紋、漏焊等焊接缺陷;③焊縫尺寸、焊接強度應符合圖紙技術要求;④焊件無焊瘤、氣孔、裂紋等外觀缺陷;⑤焊縫美觀平順，無蛇形焊道;⑥焊縫周圍無大顆粒難清除的飛濺物;⑦焊縫接頭處無明顯凹陷和凸起。

2 機器人焊接單元的工藝設計

2.1 機器人焊接單元的工藝流程設計

工件碼放到進料倉/焊接圓環放置的振動盤內→通過進料輸送帶自動輸送帶工件托架處→托架頂起工件到指定高度→主箱由氣缸自動推進到位→尾箱氣動到位并頂緊工件→托架復位→焊槍伺服驅動進給到位→焊槍自動調整高度及對焊縫中心→焊槍起弧焊接同時變位機進行回轉→焊接完成指定焊接層數→焊槍復位→機器人夾取焊接完成的工件→主尾箱復位氣動工裝松開工件→托架復位→機器人將工工件放置到料框內→進行下一循環。

2.2 機器人焊接單元的組成部分

機器人焊接單元是由焊接專機（麥格米特焊接電源）、專用焊槍（阿波羅焊槍）、頭尾架移動H形變位機系統、機器人碼垛系統、送料線體系統、振動盤系統、安全圍欄、電氣控制系統及按鈕站等部分組成。焊接專機安裝在變位機主頭箱上面，系統布置示意圖如圖2所示。

2.3 焊接工件的參數及要求

（1）工件材料：碳鋼Q345。

（2）焊縫形式：角焊縫、拼搭的定位焊角≤3 mm拼搭間隙≤2 mm。

（3）焊接工藝條件：①80%Ar+20%CO2，保護氣體;②焊接方法，單絲熔化極氣體保護焊，MAG焊;③工件焊縫周圍不應被油、銹等污染;④焊絲，實心焊絲直徑Φ1.2;⑤工件的下料精度及組對精度達到圖紙要求。

3 機器人焊接單元的結構

3.1 機器人系統

機器人系統采用FANUC M-20iD/35機器人本體（圖3），FANUC機器人示教器及FANUC控制柜。

FANUC M-20iD/25具有高性能、占地面積小等特點，非常適合裝載、卸載零件以及在擁擠的工廠環境中進行零件處理和定位。其具有緊湊的手臂和手腕，新的改進設計和傳動系統，可提供更高的軸速度和運動性能。其主動行程為0～1831 mm，提供了較大的工作范圍，具有很好的剛性，可提高±0.02 mm的重復精度。為了防止鉤住并提高可靠性，電纜布線是在內部的。產品參數如下：

（1）類型：關節型;

（2）軸數量：6軸;

（3）功能：焊接;

（4）領域：工業

（5）負載：25 kg（55.116 lb）;

（6）作用范圍：0～1831 mm;

（7）其他特性：高速。

3.2 焊接電源

焊接電源采用專用麥格米特焊接電源，具有以下特點。

（1）高度可靠性。其能夠適應潮濕、低溫、雷電等惡劣環境，在285～475 V電壓波動時穩定工作;抗干擾能力強，與其他設備互不影響，采用HALT加速壽命破壞性測試，使用壽命長。

（2）高度一致性。64 kHz高頻逆變設計與全數字控制，大幅減少對硬件參數精度的依賴性，同時采用低溫漂、高精度元器件，確保在溫度差異條件下，焊接參數輸出波形保持一致。

（3）高度穩定性。能自我修正每個熔滴過渡的狀態，抑制飛濺的同時，讓焊接時刻保持穩定，精確實現“一脈一滴”。獨特的微觀弧壓補償技術與弧長恒定控制技術，保證電弧和熔池穩定的同時，擁有良好的熔深一致性。

（4）高度智能化。具有一元化調節功能，內存焊接專家數據庫，開啟傻瓜式焊接參數調節模式，并且配備模擬接口和各類數字接口，與機器人實現無縫對接，實時反饋焊機參數，配合機器人算法，實現接觸傳感和電弧跟蹤等功能。

3.3 焊槍

焊槍采用專用阿波羅焊槍，具有超長的使用壽命，顯著的冷卻效果，優異的耐機械疲勞性能，焊槍和相關配套設備獲得了很高的性價比，在弧焊機器人領域得到了大范圍和快速的應用。其具有如下顯著特點。

（1）安全等級高。滿足嚴格要求的3級安全防護等級（在產品失效的情況下，可以防止人員意外傷害）。

（2）內膽。采用加厚紫銅，降低了槍頸電阻率，可以充分地傳遞易損件熱量，從而延長易損件使用壽命。

（3）中間絕緣層。采用高鐵產品使用的耐高壓絕緣材料，抗老化、耐疲勞，使產品安全可靠。

（4）外殼。采用壁厚1.5 mm德國工業用不銹鋼，使產品在滿足充分散熱的條件下，大大提高了槍頸的抗撞性。

（5）防渣鍍層。噴嘴內外表面有一層耐高溫鍍層，可以有效地防止焊接飛濺粘在噴嘴表面，即使粘著飛濺，也可以輕松清理;同時，采用長壽命加厚噴嘴，減少了使用成本。

（6）插拔式自鎖噴嘴。插拔式噴嘴節省了噴嘴的拆卸時間，同時自鎖功能有效地防止了噴嘴在清槍或焊接時自動脫離的情況。

（7）噴嘴壽命長。噴嘴在焊接時可以有效地傳導焊接時的熱量，從而延長噴嘴的使用壽命;噴嘴采用加厚標準設計標準，厚度大于4 mm，使其堅固、耐用，延長了使用壽命。

（8）電纜。電纜采用滿足60 000次耐磨實驗的高強度、抗疲勞、抗老化的德國工業橡膠材料，大幅延長電纜的使用壽命。

（9）維修件。產品防護等級高，每個零件可實現維修，可更換，降低了使用成本。

3.4 送絲裝置

送絲機控制部件系統地去除了用戶界面在電源或送絲機上通過機器人的控制器改變和設定參數，以代替送絲機上的設置。其特點及優勢如下。

3.4.1 送絲系統穩定

（1）全數字化的送絲控制，高分辨率的轉速反饋，高精度的速度調節。

（2）四輪驅動，0～25m/min實現穩定送絲。

（3）雙彈簧壓力臂調節，送絲機能夠同時滿足輸送焊絲直徑范圍Φ0.8～1.6的實芯、金屬粉芯或藥芯。

（4）送絲機構具有高牽引力和高精度。

3.4.2 裝卸簡單方便

（1）無需工具即可完成送絲輪更換。

（2）整體設計緊湊、輕巧，使機器人的運動性能發揮至最優。

3.5 頭尾架移動H形焊接變位機系統

（1）一軸伺服電機驅動，二軸人工輔助，增加氣缸加緊（尾座移動）。

（2）變位機型號為二軸焊接變位機。

（3）傾斜軸最大偏移量見表1。

3.6 電氣控制系統

（1）系統由機器人系統、變位機系統與焊接系統功能組成，三者之間通過通信接口進行通信及相關動作的鏈接，共同完成對工件的焊接工作。

（2）系統通過單元操作臺來啟動，當焊接完成后，機器人可將工件自動運到工件放置料框位置，然后工件通過線體自動送到變位機中心位置，通過焊接專機進行焊接。可控制焊機的啟停，焊接參設備全程由PLC來控制。

（3）控制系統內獨立內存，可以擴展儲存和外接USB，預留30多個I/O接口，可以方便機器人與外部設備進行連線控制。

（4）系統設有傳感，可以自動檢測故障并報告故障代碼。

3.7 安全防護系統

（1）安全標準：應符合中國工業標準（執行此標準）。

（2）各軸安全速度可設定。

（3）安全措施，安全防護網，防護網高度：1800 mm，擋光簾顏色黃色（擋光簾高度900 mm）。

（4）急停裝置，外部按鈕。

4 采用機器人焊接單元的意義

（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。機器人焊接時每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人為因素的影響較小，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，工人遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，不再搬運笨重的手工焊鉗，從而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24 h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，效率提高得更明顯。

（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，實現小批量產品的焊接自動化。

（6）機器人與專機的最大區別就是它可以通過修改程序以適應不同工件的生產。

5 機器人焊接單元的優勢及應用對比

機器人焊接單元不僅讓工人盡量遠離了環境惡劣、操作危險的工作區域，自身也具有較好的自我保護功能，提高了人員和設備的安全性，降低了工人的勞動強度，減少了人工操作的不穩定性，合理有效地將工人從惡劣的工作環境中解脫出來;機器人的焊接強度高且一致性好，其產品外觀美觀整齊且質量好，提高了生產效率及產品合格率。

5.1 機器人焊接單元的優勢

（1）減輕工人勞動強度，將工人從高溫、粉塵、弧光的惡劣工作環境中解放出來。

（2）提升了焊接強度及工藝性，外觀一致性好，美觀且焊接質量好。

（3）機器人自動取件、碼垛，出錯率低。

（4）減員增效，通過機器人代替人工進行自動焊接，降低了生產中人員給企業帶來的安全風險。

（5）提高了生產效率及產品合格率。

5.2 機器人焊接單元應用前后數據對比

5.2.1 應用前

（1）通過人工焊接，人均每小時只能焊60件，平均一件為60 s。

（2）不同的操作人員焊接質量差別大，焊接工作無法實現規范化，易給產品形象帶來不利影響。

（3）容易出現夾渣、氣孔等焊接缺陷而造成產品不合格。

（4）手工進行焊接作業存在燙傷、弧光的安全風險，環境溫度高，勞動強度大，工作效率低，不能有效滿足快節奏的生產需要。

5.2.2 應用后

（1）工作時間為1件/30s，工作效率提升了2倍。

（2）平均每小時自動焊接120件，自動焊接合格率100%。

（3）合格率100%，解決了人工焊接帶來的不規范、成本高、效率低、高風險的問題，讓工人從高強度、環境差的工作中解脫出來，實現了智能生產、安全生產。

（4）實現了上料、傳送、焊接，下料全流程自動控制。

6 結束語

隨著工業機器人技術的不斷發展和進步，其優勢會越來越大，應用必將會越來越廣泛，同時要求也會越來越高。工業機器人必將成為“中國制造2025”和“工業4.0”的關鍵技術和重要產品，不斷拓展新的應用領域，在社會生活各個領域得到廣泛的應用。

參考文獻

[1] 霍厚志，張號，杜啟恒，等.我國焊接機器人應用現狀與技術發展趨勢[J].焊管，2017（2）：36-42.

[2] 周利平.焊接機器人的發展現狀與趨勢[J].山東工業技術，2019（16）：54.