基于角度自檢測的復雜截面機器人焊接恒速控制

張江濤

山西機電職業技術學院，山西長治，046011

0 引言

復雜截面機器人焊接是由機器人、電子、計算機、數控等技術支撐的一種新型技術形式。自20世紀60年代以來，復雜截面機器人焊接被用于工業生產。與傳統手工生產相比，復雜截面機器人焊接不僅可以提高勞動生產率和勞動強度，還可以縮短產品改造升級的準備周期，提高焊接產品的效率和質量。在新時代，復雜截面機器人焊接在工業生產中的應用愈發深入，因此，有必要對復雜截面機器人焊接的控制方法進行綜合優化[1]。

1 復雜截面機器人焊接的特點

隨著復雜截面機器人焊接制造經驗的逐漸豐富，復雜截面機器人焊接的工作將更加智能化。復雜截面機器人焊接的制造需要更精密的儀器和制造工藝，保證復雜截面機器人焊接的高質量成型，滿足實際的工業需求。復雜截面機器人焊接能夠穩定、重復地工作，這些智能化和人格化是通過人工智能技術實現的。復雜截面機器人焊接通過數據和智能將傳統技術保留在機器中，人工智能技術在這一過程中發揮了重要作用[2]。人工智能技術可以看作是復雜截面機器人焊接研究的基本技能。

焊接自動化生產過程是由備料、加工、裝配、焊接、調修、檢驗等組成的一個焊接產品生產自動化全過程。只有實現了這一全過程的機械化和自動化，才能得到穩定的焊接產品質量和均衡的生產節奏，同時獲得較高的勞動生產率。概括地說機器人自動焊與傳統手工焊相比有如下特點：①穩定和提高焊接質量，較好的質量同一性；②生產效率高，可24小時連續生產；③改善勞動生產率，改善勞動環境；④降低了工人對手工焊接技能的要求。

2 角度自檢測的復雜截面機器人焊接恒速控制缺陷

（1）褶皺是指焊縫表面顏色暗、不均勻的現象。起皺不僅影響焊縫的美觀，而且降低了焊接接頭的力學性能，主要是由于保護氣體流量過大或焊縫過熱引起的。

（2）焊偏是指熔化金屬偏離焊道的一種現象。這是一種非常嚴重的焊接缺陷，主要是由于工件安裝不準確、工裝定位精度不夠、焊接工序不合理等原因造成的。

（3）焊縫過寬是指焊縫金屬的橫截面積超過了標準規定的允許值。其主要原因是焊接工藝規范不合理或焊接接頭不規范。

（4）卷邊是在焊接過程中熔化的金屬流向焊縫外未熔化的母材時形成的凸起。主要原因是焊接規范調整不當，焊接電流、焊接速度與擺動不匹配。

（5）焊邊是指焊接電弧在角焊縫中熔化接頭端面并形成焊縫金屬的現象。主要是焊接速度過慢、擺動幅度過大等工藝規范不合理等原因造成的。

3 復雜截面機器人焊接的控制方法

3.1 機器人系統設置

作為復雜截面機器人焊接控制的基礎，機器人系統的設置尤為關鍵。首先，需要系統地設置機器人自動操作、坐標系、參考位置等要素。坐標系統和參考位置的設計對復雜截面機器人焊接控制的精度有很大的影響。以坐標系設置為例，控制人員需要從關節坐標系、直角坐標系、機械接口坐標系、工具及用戶坐標系等諸多層面進行控制，根據位置設計，確定機器人離開機床及周邊設備后可以移動的安全控制。一般情況下，參考位置數為10個。I/O設置是機器人系統設置的重要組成部分，包括通用I/O、特殊I/O和I/O分配的系統設計。在I/O設置中，不僅要考慮機器人的I/O設置，還要協調外圍設備I/O與操作面板I/O之間的關系。此外，I/O鏈路設備屏幕和I/O鏈路功能應得到系統控制。例如，在I/O鏈接設備單元中，必須在設備屏幕上設置必要的信號點[3]。一般情況下，輸入和輸出的最大數字信號點數可分別設計為256個。

3.2 程序構成控制

準確編寫控制程序，可以為復雜截面機器人焊接控制功能的實現創造良好的條件。在機器人控制的管理程序中，控制水平應該注意以下內容：首先，項目信息的管理應確保所有控制信息的完整性，也就是說，復雜截面機器人焊接的控制程序不僅應該包括項目名稱、程序注釋和亞型，也包括組掩碼、寫保護、忽略暫停等內容。此外，在設計程序信息時還應考慮堆棧的大小。其次，在行號碼、程序末尾記號及自變量控制中，應確保行號碼自動插入到程序上所追加的各指令旁，即在刪除指令，或將指令移動到程序中心的位置的情況下，程序將自動地重新賦予號碼，使得最初一行始終為行1，第2行為行2。而在程序末尾記號管理中，應確保在程度到達最后一行時，朝向畫面的下方移動。此外，應通過直接指定和間接指定來控制自變量之間的關聯。最后，重視程序動作指令、碼垛堆積指令、寄存器指令等要素的管理。如在動作指令管理中，應從動作類型、位置資料、移動速度、定位類型、附加指令等諸多層面進行管理；而在碼垛堆積指令控制中，應按照B、BX、E、EX等模式的差異，選擇不同的碼垛路徑堆積模式。此外，針對寄存器質量管理，應做好數值寄存、位置寄存、碼垛寄存等大單元的指令處理，保證實際的處理效果。

3.3 創建和執行的創新

程序的生成和執行是復雜截面機器人焊接控制的核心環節。在程序創建方面，包括設計程序、上電上料、基本程序創建、修改程序、程序操作、后臺編輯、特殊點檢、其他編輯功能等多個環節。在實際管理中，控制人員應注重基本程序的創建與程序修改之間的聯系。通常，在創建一個程序的過程中，需要記錄具體的程序，然后修改標準動作的指令語句，并教出動作指令。在程序修改過程中，選擇相應的修改程序后，應從動作、控制和編輯三個層面進行修改。該方案的實施直接關系到復雜截面機器人焊接的實際工作效率和質量。在實際實施中，應首先控制程序的停止和恢復，此功能一般通過緊急停機操作和按住鍵來實現。其次，在程序執行過程中，我們要做好啟動程序后機器人動作的相關性，特別是暫停狀態和啟動度的相關性。此外，為了確保復雜截面機器人焊接機操作的高效率，還需要進行測試控制的程度，并進行手動操作控制機械手、I/O和其他單位結合測試結構，確保手動控制與自動運轉的有效統一。

3.4 其他控制點

為了進一步提高復雜截面機器人焊接的控制效果，機器人在執行特定程序時，還需要進行多個單元的控制與協調，如狀態顯示、輸入輸出文件管理、指令應用、堆疊、教學掛件應用等，從而保證復雜截面機器人焊接處于最佳工作狀態。此外，對于復雜截面機器人焊接的自動控制，需要從操作工、程序員、維修工程師、刀具、外圍設備、機器人結構件、末端執行器、停止方法等多個環節對機器人進行安全管理，以確保工業生產的效率。

4 角度自檢測的復雜截面機器人焊接恒速控制缺陷解決方案

以上列舉的機器人焊接質量問題不僅影響焊接產品的使用性能和使用壽命，而且影響人身和財產安全。機械手在自動焊接過程中出現質量問題的原因是多方面的，我們將從人、料、法、環四個方面分析并制定解決方案[4]。

4.1 操作人員的因素（人）

直接參與機械手自動焊接的人是焊接機械手操作員。相同的設備，相同的產品，不同的操作人員焊接的產品質量不同。經過多年的現場實踐經驗和團隊管理經驗，作為一名焊接機械手操作人員，應該具備以下三項基本技能。①掌握MAG氣體保護焊的操作技能。3～5年手工焊接經驗；考取平對接焊和角接焊的歐洲焊接資質；具有高級工以上水平。②掌握焊接機械手的編程。自動焊接不同于手工焊接，手工焊接的質量取決于焊工自身的技能和工作條件，而自動焊接的焊接質量很大程度上取決于機械手焊接工藝的優劣。焊接程序是由一線操作人員編輯的，在機械手焊接過程中，操作人員必須根據焊接材料的變化對程序進行適當的調整。如果調整不及時，會出現各種質量問題。因此，作為一名焊接機械手操作人員，一定要掌握編程技能。③焊接機械手操作人員應懂得設備簡單的維護。只有在正確使用和及時維護的前提下，才能保證設備的高利用率。在實際生產中，大型復雜截面機器人焊接系統通常采用三個轉變，每日工作時間可達20多個小時，需要焊接機械手操作掌握“四個理解和四個技能”設備，了解性能、原理、結構、用途、操作，能夠維護和排除故障。

4.2 原材料因素（材料）

焊接生產的原材料包括母材和焊材，是保證焊接產品質量的基礎和前提。在送料前，必須對材料進行良好的檢查，以穩定生產和焊接產品的質量。

（1）加工精度。盡量采用切削精度高的先進加工方法，如機械加工和激光切割，以及具有良好機械性能和材料性能的切口。避免火焰切割、剪切等方法。要求槽角和鈍邊厚度應均勻。

（2）裝配精度。檢查材料零件之間是否有間隙。一般間隙應在0～0.5mm之間，彎頭處間隙應≤1mm。如果≥1mm，則需要手動啟動。

（3）點固焊。點焊高度、長度是否按規范打磨。點焊過高會造成焊弧跟蹤故障、成形不良、熔合不完全等焊接缺陷。點焊過低會在焊接過程中產生裂紋和開焊。

（4）焊接清理。檢查焊縫周圍是否有油漬、濕氣、銹斑、探傷液等雜質，這些是影響焊接質量、造成氣孔的主要原因。

4.3 焊接工藝因素法和工藝管理方法（法）

法是方法，上述分析的人、機、料，從形式上看是相對孤立的，是通過“法”的這個環節將人、機、料這三者聯系在一起并環環相扣。焊接質量高度依賴于工藝方法，在影響焊接質量的各種因素中起著最重要的作用。工藝方法和工藝管理方法對焊接質量的影響主要來自三個方面：一是工藝制定的合理性；二是實施過程的嚴密性；三是焊接質量的追溯性。

（1）工藝制定的合理性。首先要考慮的問題是這個工件是否適合機械手自動焊接，要結合機械手自動焊接的特點：①燃弧時間長、輔助時間短的工件；②焊縫連續性較好，焊接起弧、收弧少的工件；③焊接順序較復雜、工件翻轉變化多的工件；④狹小空間、焊接位置遮擋視線的焊縫。

（2）實施過程的嚴密性。①要求各操作人員熟悉生產模型零件的工藝文件和技術要求，并按文件要求嚴格檢查現場施工條件，如焊絲組成是否符合要求，焊接電流和焊接電壓是否在指定范圍內的文檔，以及氣體流量和預熱溫度是否應該把關流程文檔，以便嚴格重復崗位職責和流程文件，每個員工應該清楚。②加強質量控制。充分發揮焊接主管的作用，認真跟蹤各個工序和班次，杜絕現場違法操作，嚴格遵守現場質量管理紅線。

（3）焊接質量的追溯性。影響焊接質量的因素很多，如操作工對來料質量的控制、焊接機械手的控制能力、焊接工藝的編制水平、焊接工藝的使用和管理方法、設備使用和管理職責等。自動焊接后的補焊和打磨會影響焊接質量。那么從源頭和各個環節控制質量并落實責任就顯得尤為重要。

4.4 環境的因素（環）

環境直接影響安全生產，也是創造高質量產品的前提。焊接車間要求在溫度、濕度、通風、采光等方面完全滿足焊接要求。

5 結語

在上面的討論中，我們列出了一些焊接自動化現場容易出現的質量問題，并制定了解決方案。在不斷創新和實踐中也會發現一些新的問題，不僅應該解決現場問題，而且應從源頭控制，形成一個整個生命周期的產品質量控制系統。