工業(yè)機器人在汽車零部件中應(yīng)用

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摘要：在機器人技術(shù)快速提升、人力資源短缺、人力成本逐年提升等多種因素的共同作用下，使得工業(yè)機器的應(yīng)用成為企業(yè)的迫切需要。為此，錦州立德減振器有限公司與遼寧理工職業(yè)大學(xué)合作對機器人進行改造，安裝、調(diào)試、將機器人投入到生產(chǎn)線中代替單調(diào)的、重復(fù)的體力勞動進而提高生產(chǎn)效率和現(xiàn)代化生產(chǎn)水平。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；系統(tǒng)集成；生產(chǎn)效率

0引言

機器人是衡量科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的標志?！皺C器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局。機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。習(xí)近平總書記提出不僅要把技術(shù)水平提高上去，而且要盡可能多地占領(lǐng)市場。錦州立德減振器有限公司專業(yè)從事汽車減振器及零件研發(fā)、制造、銷售。公司為了適應(yīng)減震器規(guī)?；a(chǎn)，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動和提高生產(chǎn)質(zhì)量。于是計劃用一套焊接機器人代替人工作業(yè)。隨著現(xiàn)代科技的不斷前進，工業(yè)機器人融合了機械、控制、傳感檢測等多門學(xué)科。對于傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)來說是一個新技術(shù)。將工業(yè)機器人應(yīng)用到汽車零部件生產(chǎn)過程中具有如下優(yōu)點：淤企業(yè)生產(chǎn)成本的縮減。工業(yè)機器人與傳統(tǒng)的人工不同，工業(yè)機器人是先進的智能制造設(shè)備，設(shè)備不需要吃飯、休息等需求，可以代替人類全天無間斷生產(chǎn)。例如在廠房臟亂的條件中進行復(fù)雜的、重復(fù)的搬運任務(wù)。若是利用人員來操作，則需要幾個甚至幾十個員工，而設(shè)備不一樣，只需一個人維護一臺或者多臺工業(yè)機器人即可完成復(fù)雜、重復(fù)乏味的搬運操作，為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了人工成本。另外，工業(yè)機器人是由程序控制的。選擇適用于生產(chǎn)任務(wù)要求的機械手會減小廢品的出現(xiàn)，提高了產(chǎn)品的合格率。于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。由于工業(yè)機器人是智能制造設(shè)備，機器人的運行程序編寫完成之后，可以無限次重復(fù)再現(xiàn)運行。所以生產(chǎn)單件產(chǎn)品所耗費的時間是固定的，而人工則不同，如人員自身操作設(shè)備的熟練程度、身體情緒狀態(tài)等原因，則會導(dǎo)致單件產(chǎn)品的耗時不同。同時人工作業(yè)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)各不相同，產(chǎn)品的成品率較低，造成原料的浪費。而機械手設(shè)備則不同，生產(chǎn)成品效率較人工更高。盂安全系數(shù)較高。目前很多企業(yè)的很多崗位都需要實行24小時倒班制度，根據(jù)實際情況分時段安排人員值班，以實現(xiàn)24小時不落崗的生產(chǎn)經(jīng)營方式。但倒班制首先應(yīng)解決人員的配置問題。并不是所有人都喜歡晚上或通宵工作，而且喜歡的人還不一定能適應(yīng)。如果班次倒得太頻繁，人的生物鐘就會失控，直接影響正常的睡眠質(zhì)量，甚至因為疲勞出現(xiàn)工傷事故。使用機器人作業(yè)只要人員遵守安全操作規(guī)則，不進入工業(yè)機器人的干涉區(qū)則不會出現(xiàn)安全事故，減少人員傷亡。于是錦州立德減振器有限公司與遼寧理工職業(yè)大學(xué)合作對機器人進行配置，安裝、調(diào)試、將機器人投入到生產(chǎn)線中代替單調(diào)的、重復(fù)的體力勞動進而提高生產(chǎn)效率和現(xiàn)代化生產(chǎn)水平。該項目在松下焊接工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，通過示教編程實現(xiàn)了焊接作業(yè)。將焊槍移至生產(chǎn)設(shè)備實施焊接，提高了生產(chǎn)效率，減輕了操作者繁重的體力勞動。一個完整的工業(yè)機器人弧焊系統(tǒng)是由工業(yè)機器人、焊槍、焊機、送絲機、焊絲、焊絲盤等組成，要想使焊接機器人完成焊接作業(yè)適用于生產(chǎn)，就必須要解決以下難點：

1工作站系統(tǒng)組成及各單元間的連接

1.1工作站系統(tǒng)組成

本工作站采用Panasonic弧焊工業(yè)機器人，配有控制柜和示教編程器。如圖1所示，通過控制柜連接示教盒和機器人。控制柜里有著內(nèi)置PLC，可以控制一定的輸入輸出。示教盒是機器人的人機界面，通過示教盒，操作員可以查看機器人的工作狀態(tài)、修改運行參數(shù)、編輯運動程序等工作。機器人工作站的外圍設(shè)備是十分豐富和復(fù)雜的，為了滿足不同的作業(yè)要求，推出了各種各樣的外圍設(shè)備，如果沒有這些豐富的外圍設(shè)備，只有一臺機器人，將沒有任何實際應(yīng)用價值，也無法完成一些具體的工作任務(wù)。這些外圍設(shè)備都是根據(jù)作業(yè)內(nèi)容、工件類型、質(zhì)量要求等參數(shù)配備的。外圍設(shè)備配備的好壞很大程度上影響著機器人的工作效率。是工作站系統(tǒng)設(shè)計中不可缺失的一環(huán)。本工作站系統(tǒng)中弧焊系統(tǒng)是各外圍設(shè)備中最重要的一環(huán)。包括焊接專用電源、送絲機構(gòu)、焊槍、剪絲器、焊槍清理裝置、保護氣裝置。這些設(shè)備在機器人控制柜的控制下與機器人系統(tǒng)配合完成弧焊任務(wù)。淤焊接電源。焊接電源是弧焊系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，因為焊接電源的性能強烈影響著焊接質(zhì)量。一臺能夠精確控制電壓電流的焊接電源肯定能更好的控制焊接質(zhì)量。系統(tǒng)采用PanasonicYD-350GL機器人專用焊接電源，能與機器人控制柜通過IO通訊，焊接信號及焊接參數(shù)通過控制柜傳遞給焊接電源。于送絲機構(gòu)。送絲機構(gòu)保證在焊接過程中，不斷均勻送入焊絲以補充焊絲的消耗，在送絲過程中，送絲機應(yīng)保證送絲的穩(wěn)定均勻，否則容易卡住送絲機造成送絲困難，影響焊接質(zhì)量。送絲機綁定在機器人上，其大小重量對機器人的空間運動有著一定的影響，太大和太重的送絲機往往增大了機器人的負荷，增大運動慣性，因此降低了機器人運動時的穩(wěn)定性和精確性。在焊槍工作一段時間后，焊槍內(nèi)部可能存在一些飛濺，為了保證焊接質(zhì)量，需要定期清理飛濺。盂焊接保護氣。焊接保護氣目前使用較多的是二氧化碳保護氣和氬保護氣，這兩種保護氣有各自的優(yōu)缺點。由于二氧化碳氣體熱物理性能的特殊影響，使用常規(guī)焊接電源時，焊絲端頭熔化金屬不可能形成平衡的軸向自由過渡，通常需要采用短路和熔滴縮頸爆斷。因此，與MIG焊自由過渡相比，飛濺較多。但如采用優(yōu)質(zhì)焊機，參數(shù)選擇合適，可以得到很穩(wěn)定的焊接過程，使飛濺降低到最小的程度。由于所用保護氣體價格低廉，采用短路過渡時焊縫成形良好，加上使用含脫氧劑的焊絲即可獲得無內(nèi)部缺陷的高質(zhì)量焊接接頭。因此這種焊接方法目前已成為黑色金屬材料最重要焊接方法之一。使用Ar保護氣時，惰性保護氣體不參與熔池的冶金反應(yīng)，適用于各種質(zhì)量要求較高或易氧化的金屬材料，如不銹鋼、鋁、鈦、錯等的焊接，但成本較高。也有保護氣體以氬為主，加入適量的二氧化碳（15~30%）或氧（0.5耀5%）。與二氧化碳氣體保護焊相比，這種保護焊焊接規(guī)范較寬，成形較好，質(zhì)量較佳；與熔化極惰性氣體保護焊相比，熔池較活潑，冶金反應(yīng)較佳。

1.2各單元間的連接

弧焊機器人各單元間的連接包括焊機和送絲機，焊機和焊接工作臺，焊機和加熱器，送絲機和機器人柜，焊槍和送絲機，氣瓶和送絲機氣管等。完成上述工作后，連接焊機電源，接入焊絲和保護氣體，即可進行焊接。完整焊接系統(tǒng)接線示意圖如圖2所示。

1.3夾具的設(shè)計

針對汽車產(chǎn)業(yè)減震器的特點，對汽車減震器的焊接工序進行分析，主要包括弧形焊接作業(yè)和直線焊接作業(yè)，根據(jù)以上3點要求設(shè)計適合汽車減震器的工裝夾具，以便精確定位減震器工件。夾具設(shè)計時需要滿足以下要求：淤保證可靠性：人工裝配時需要考慮待焊減震器工件是否可靠夾緊，焊接作業(yè)時減震器工件是否受到夾具的擠壓變形等情況。于可制造性：夾具設(shè)計時需要考慮夾具的材質(zhì)，減少加工成本的支出。盂精度要求：設(shè)計夾具時，需要滿足加工的制造精度，同時夾具固定時也許考慮安裝精度，以及夾具的合理布局等因素。設(shè)計減震器夾具時，運用Solidworks軟件進行夾具三維模型設(shè)計，Solidworks軟件是當前設(shè)計制造領(lǐng)域流行的一款三維設(shè)計軟件，其應(yīng)用涉及汽車制造、機器人、數(shù)控機床等眾多領(lǐng)域。設(shè)計步驟包括草圖繪制、零件建模、裝配體設(shè)計、工程圖、運動分析等。將相關(guān)數(shù)據(jù)標注到二維工程圖中，生成工程圖紙。

2弧焊機器人信號設(shè)定

通訊與I/0在機器人工作站中是十分重要的一環(huán),將機器人工作站的各組成部分協(xié)調(diào)起來，保持工作站有序穩(wěn)定的工作，在機器人工作站的系統(tǒng)編程中，正確處理好各I/0端口的信號是關(guān)鍵所在。機器人控制柜的I/0端口是進行工作站系統(tǒng)設(shè)計時必需要了解的一塊，在機器人控制柜中，有著一個機器人專用的PLC，機器人的內(nèi)部信號必須通過該PLC的端口映射到通用輸入輸出端口，與外部設(shè)備（包括外部控制器）進行銜接。為了完成弧焊機器人與生產(chǎn)線的系統(tǒng)集成，必須根據(jù)板卡的地址情況進行信號的分配。主要信號有數(shù)字輸出信號和數(shù)字輸入信號。針對于本項目，解決好工業(yè)機器人與自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備之間的交互是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵部分。將待焊工件安裝到A夾具之后，點擊開始按鈕，機器人夾持焊槍運動到設(shè)定姿態(tài)，機器人系統(tǒng)發(fā)出指令焊接電源開始焊接。同時，工人在B夾具上安裝工件，待焊接完成，機器人夾持的焊槍移開，回到初始點位置，點擊變位機旋轉(zhuǎn)按鈕，B夾具重復(fù)A夾具的作業(yè)動作，A、B夾具上的工件交替焊接。我們根據(jù)生產(chǎn)需求對各個設(shè)備接口進行重新定義，統(tǒng)一分配，以滿足通信要求，對整個系統(tǒng)的信息流進行綜合，然后再控制各個設(shè)備按流程運轉(zhuǎn)。自動化生產(chǎn)線通過傳感器與機器人連接，每個工位上都裝有傳感器，用于檢測工件位置，當傳感器檢測到某個工位上有信號時機器人啟動焊接作業(yè)，焊接完成之后進行下一工位工件的焊接作業(yè)，進而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線與工業(yè)機器人之間的信號交互。

3程序的編制

該項目的焊接機器人屬于示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人，主要由控制器和示教盒等構(gòu)成。機器人示教編程是操作者與機器人之間的主要交流界面。操作者通過示教編程器對機器人進行各種操作、示教、編制程序，并可直接移動機器人。

3.1對機器人的路徑進行規(guī)劃

在編寫程序的過程中為了避免機器人碰撞和姿態(tài)方面的問題，我們需要對機器人的路徑進行規(guī)劃，在選擇機器人的運行軌跡和操作方法時，采用示教點的方法，即在機器人的運行軌跡上設(shè)置一些關(guān)鍵點，主要包括拾取點Pick，放置點Place、程序起始點Home、安全點等等，通過這些關(guān)鍵點能夠大致確定機器人的運行路線。示教時，操作人員通過示教盒操作機器人本體，使其末端運動至所需的軌跡點，記錄該點時各關(guān)節(jié)伺服電機編碼器信息，并通過命令的形式確定運動至該點的插補方式、速度、精度等，然后由機器人控制器按照這些命令查找相應(yīng)的功能代碼并存放到某個指定的示教數(shù)據(jù)區(qū)去。示教時示教盒可以通過幾種坐標系來控制機器人的規(guī)則運動。從而到達程序登錄點，常用的幾個坐標系如下：淤關(guān)節(jié)坐標建立在各運動關(guān)節(jié)，示教時可以單獨控制各個關(guān)節(jié)的擺動或回轉(zhuǎn)。這種坐標運動方式往往用于機器人的快速移動。于使用直角坐標時，可以控制機器人工作點做水平和上下移動和轉(zhuǎn)動，這種方式能夠很好的控制焊槍姿態(tài)，因此在示教中應(yīng)用廣泛。盂工具坐標建立在工具端點，由于其一軸與工具軸向重合，因此在運動時可以很好的保持工具姿態(tài)，是微調(diào)作業(yè)姿態(tài)時常用的一種操作方式。各個坐標系統(tǒng)通過機器人控制柜中的計算器轉(zhuǎn)換成各個軸運動的脈沖。其運動精度和機器人的伺服電機有著很大的關(guān)系，因此，控制系統(tǒng)的運動算法也是機器人基礎(chǔ)研究中比較重要的一塊。

3.2運動指令的選擇

在進行機器人的編程時，為了使機器人按照規(guī)劃的路徑精確、安全地達到指定位置。必須要根據(jù)路徑特點擇優(yōu)選擇機器人的運動指令，主要包括MoveL、MoveJ和MoveC。示教時，可以使用多種插補方式，最常用的為自由插補MoveJ，機器人能夠根據(jù)速度和精度合理安排各個軸的運動方式，直線插補MoveL也比較常見，往往用于直線上的弧焊。圓弧插補MoveC比較不常見，這種插補方式用于焊接一些比較復(fù)雜的工件。一般機器的速度和精度是相互制約的，為了獲得高的焊接速度，往往在一些轉(zhuǎn)角比較大的地方由于運動慣性不能得到高的精度，為了獲得高的精度就不得不犧牲一定的速度，這在焊接一些大轉(zhuǎn)角焊縫時必須注意。

3.3程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計

為了提高程序的可移值性，我們采用了主程序調(diào)用子程序的設(shè)計方式，完成了搬運機器人所要實現(xiàn)的全部功能，使機器人可以按照我們預(yù)先設(shè)置好的路徑移動。采用主程序調(diào)用子程序的設(shè)計方法避免了示教程序過于冗長的缺點，同時還增加了程序的可讀性。再現(xiàn)時，機器人控制器將自動逐條讀取示教命令與其他相關(guān)數(shù)據(jù)，進行解讀、計算。作出判斷后，將相應(yīng)控制信號和數(shù)據(jù)送至各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)，驅(qū)動機器人精確地再現(xiàn)示教動作。該機器人改造集成項目成功的實現(xiàn)了減震器生產(chǎn)線的一個工序。機器人投入運行后，將大幅度減輕操作者的勞動強度，使操作更為簡便，勞動生產(chǎn)率可提高30%。提高產(chǎn)品的質(zhì)量，合格率由原來的96%提高到99.9%。積累經(jīng)驗后為整條生產(chǎn)逐漸增加工業(yè)機器人，實現(xiàn)整個生產(chǎn)線規(guī)范化、科學(xué)化和經(jīng)濟化，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動，降低勞動力。同時也是提升公司科學(xué)技術(shù)水平，進而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4結(jié)束語

機器換人，是必須的，是工業(yè)4.0時代的大勢所趨。工業(yè)機器人是最典型的智能制造裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進智能制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用，為公司發(fā)展指明方向。

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作者:陳艷 李占林 李彥鑫 谷興文 單位:遼寧理工職業(yè)大學(xué)