機器人自動焊接工藝實施與控制研究

朱承群

廣州數控設備有限公司 廣東 廣州 510530

1 機器人自動焊縫跟蹤技術的組成和原理

焊縫自動跟蹤由傳感器、調節器、執行機構三大部分構成一個閉環反饋系統，具有完備的檢測——控制——執行功能。一些執行機構含焊接機器人(串聯機器人或移動機器人)、步進電機、十字滑塊(對于移動焊接機器人)等。控制處理器為單片機及硬件處理電路。焊接系統中該包括焊接電源、送絲機構、工裝夾具等。

焊接機器人實現焊縫自動跟蹤焊接的重要過程是通過傳感器視覺引導進行姿勢自動調整并實現焊縫初始點的自動識別定位，然后從初始點開始實現焊縫的自動跟蹤控制。所應用的各種傳感器，采集焊接過程中焊炬與坡口的圖像以及焊接過程中產生的電、光、熱、聲、磁等物理信號；采用控制算法及圖像處理等技術尋找焊縫及其中心位置，最后通過機器人的執行機構調整焊槍位置使其處于焊縫中心。焊縫跟蹤技術主要是以傳感器系統以及焊縫跟蹤控制理論與方法為基礎的。傳感器是焊縫跟蹤系統中的關鍵，決定著整個系統對焊縫的跟蹤精度。傳感器采集到焊縫的位置和形狀的信息轉化為電信號，將電信號傳給控制系統，并將其處理。最后根據處理后的結果調節焊槍，實現焊縫跟蹤。如現在比較盛行的激光視覺焊縫跟蹤系統，激光視覺焊縫跟蹤系統是為了解決工業機器人復雜三維激光焊接編程的問題，將工業機器人離線編程技術、激光視覺檢測技術結合起來，實現工業機器人焊接軌跡自適應規劃和機器人程序生成一套智能系統。激光視覺焊縫跟蹤技術涉及的開發領域為：工業機器人離線編程相關軟件開發；涉及三維CAD內核調用、機器人數據庫、工藝庫開發、軟件界面和工業機器人相關算法；工業機器人運動學算法和動力學算法，機器人軌跡規劃，奇異點規避，軸限位檢測和碰撞檢測。實現帶視覺輔助的三維復雜工件位置在線糾偏補償技術。面向復雜三維金屬工件的工業機器人激光焊接工藝[1]。

2 機器人焊接關鍵工藝

機器人焊接工藝主要包括焊接方法、焊接電源、母材、焊材、氣體、板厚（管徑及壁厚）、坡口形式、焊前裝配、焊接位置、焊接順序、焊接軌跡、焊槍姿態及焊接參數等，在制定機器人焊接工藝前，首先要對被焊工件和焊材有著充分的了解，此后對焊件材料的焊接性、下料、成形加工工藝、裝配方法的選用以及機器人的焊接軌跡、姿態、焊槍角度、焊接參數等進行分析，確定焊接重點及難點，制訂解決措施，達到控制焊接質量、提高效率、降低成本等目的。根據焊件的技術要求，通過工藝分析，運用機器人焊接工藝知識來擬定機器人的焊接方案，并充分考慮焊接順序、關鍵點的處理、焊槍角度及機器人的姿態等問題。在機器人焊接路徑及姿態編程完成后，對焊接參數進行設置和調整，完成焊接工藝試驗；最終從質量、效率、成本三方面進行工藝方案比較，選定最佳方案[2]。

3 焊接智能產線分析與控制

（1）中部槽機器人自動化焊接生產線要求。中部槽一般為多品種批量件形式，整個生產線應包括雙機器人單絲焊接工作站、雙機器人雙絲焊接工作站、長臂單絲焊接專用機器人工作站、單機器人單絲焊接工作站。本生產線通過引入智能物流系統(帶物流小車)來實現工件的自動上下料，同時設置若干上料架及下料架(帶傳感功能)，并輔助以MES系統，實現整個生產線機器人工作站、物流系統、上/下料架的自動化生產運作。MES實時反映整個生產過程的信息變化狀態，監控全部生產過程，記錄生產過程產品所使用的材料、設備，產品檢測的數據和結果以及產品在每個工序上生產的時間、人員等信息。

（2）節拍分析。機器人焊接生產線設計根據中部槽焊接工藝流程，考慮以上焊接工藝順序以及上下料時間，焊接節拍為：中板與兩側槽幫鋼焊縫—打底焊接時間為0.45/h；中板與兩側槽幫鋼焊縫-填充/蓋面焊接時間為1.45/h；底板與兩側槽幫鋼焊縫-外焊縫焊接時間為0.35/h；底板與兩側槽幫鋼焊縫-外焊縫焊接時間為1.55/h。

（3）焊接生產線工藝控制。根據以上節拍計算，機器人焊接生產線要實現中部槽的自動化焊接，實現RGV小車、上料架、下料架及機器人系統和安全檢測的協調控制。在自動運轉時與各工位的周邊裝置控制箱進行信號交換，完成工件的自動搬運搬出控制。另外，也對各個工位上設置的安全插銷和光電傳感進行控制。同時，控制整個物流線的電源供給。控制系統需預留單站的控制接口，后續只需增加焊接機器人單站、滑觸線、導軌等相關部件，即可實現生產。

中部槽機器人焊接生產線已在企業成功應用，生產線的研制實現了中部槽焊接過程的自動上下料、自動物流輸送、自動焊接及質量監控，通過PLM產品全生命周期管理系統，打通了企業技術信息化CAD/CAM/MES，實現了數字化生產。該生產線自上線運營以來，在保證產品質量，提高焊接效率，改善工人作業環境方面發揮了積極作用[3]。

4 結束語

隨著社會的高速發展，應該注重對于工業生產中各類現代新型技術的應用。采用以工業機器人為單位使用激光焊接技術對產品進行焊縫跟蹤是現代生產的一大新興技術。與傳統的焊接技術相比，在生產過程中采用機器人自動焊接技術采用以工業機器人為單位，不僅能夠有效降低對材料的消耗，在技術成熟的情況下能夠大大提高工作效率。

以上論述了通過焊縫跟蹤技術設計的智能產線有效保障產品質量，正確引導工業由“傳統制造”向“數字化制造”直至機器換人的“智能制造”轉變，提高生產效率。