焊接機(jī)器人在智能制造中應(yīng)用
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摘要：隨著科技的進(jìn)步，智能制造加快了進(jìn)程。焊接機(jī)器人集數(shù)控、計算機(jī)、電子技術(shù)于一身，是一種新型焊接方式。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，不僅提升了焊接的品質(zhì)及效率，也改善了工人的勞動強(qiáng)度、有效地控制了企業(yè)的生產(chǎn)成本。本文通過對焊接機(jī)器人的需求和分類分析提出了其在智能制造中的應(yīng)用及其未來發(fā)展，以期推進(jìn)智能制造的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；智能制造；技術(shù)
0引言
焊接工作是制造業(yè)不可缺少的工作，工作環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，對職業(yè)技能要求嚴(yán)格，對操作人員有潛在危害。在這種背景下，焊接機(jī)器人應(yīng)運而生。它的出現(xiàn)有效地解決了供需矛盾，可以節(jié)省大量的人力物力，使操作者能夠全身心投入到更多的創(chuàng)造性工作中。從上世紀(jì)60年代開始，它得到了發(fā)展并逐步投入使用，其關(guān)鍵技術(shù)不斷完善，使其具有性能穩(wěn)定、加工精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。
1焊接機(jī)器人需求分析
在科技變革的浪潮中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為各國關(guān)注和競爭的焦點。當(dāng)前，我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級階段，需要提高質(zhì)量和效益。同時，隨著勞動力成本的不斷上升，“機(jī)器換人”現(xiàn)象在工業(yè)領(lǐng)域?qū)乙姴货r。在勞動力成本高企的壓力下，利用工業(yè)機(jī)器人改造智能制造已成為發(fā)展趨勢，也是我國制造業(yè)的主要戰(zhàn)略之一。焊接機(jī)器人起源于20世紀(jì)60年代的通用汽車產(chǎn)線，隨后，這種焊接方式在美國迅速傳播，并快速傳播至歐洲、日本等國家。中國市場方面，一汽公司在1984年從德國引進(jìn)了3臺庫卡點焊機(jī)器人，拉開了中國使用機(jī)器人焊接的序幕；20世紀(jì)90年代，各個汽車公司都認(rèn)識到工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)應(yīng)用的好處，開始規(guī)?；囊M(jìn)機(jī)器人。焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人的末軸裝接焊鉗或焊槍，使之能從事工業(yè)焊接工作，主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。其中，機(jī)器人部分由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成；焊接設(shè)備部分由焊接電源（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。焊接機(jī)器人是焊接自動化的革命性進(jìn)步，開拓了一種柔性自動化新方式，其主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾點：①穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊接產(chǎn)品的均一性。采用焊機(jī)機(jī)器人焊接時，對于每條焊縫、焊點的焊接參數(shù)都是恒定的，焊接質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。②提高焊接生產(chǎn)率。相較于工人，焊接機(jī)器人沒有疲勞度，可連續(xù)一天24小時工作；此外，隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作，銷量提高更加明顯。③可在有害環(huán)境下長期工作，改善了工人勞動條件。④降低了對工人操作技術(shù)要求，可實現(xiàn)批量產(chǎn)品焊接自動化。⑤產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、存貨等。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，可以將生產(chǎn)計劃安排的非常明確。
2焊接機(jī)器人分類
2.1按自動化技術(shù)發(fā)展程度分類
自動化技術(shù)發(fā)展程度不同，可以將焊接機(jī)器人分為三類：①示教再現(xiàn)型機(jī)器人，由操作者將完成某項作業(yè)所需的信息通過直接或間接的方式對機(jī)器人進(jìn)行“示教”，由記憶單元將示教過程進(jìn)行記錄，再在一定的精度范圍內(nèi)，重復(fù)再現(xiàn)被示教的內(nèi)容；②具有一定智能、能夠通過傳感手段對環(huán)境進(jìn)行一定程度的感知，并根據(jù)感知到的信息對機(jī)器人作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆答伩刂?，對焊槍對中情況、焊接狀態(tài)等進(jìn)行修正，采用接觸式傳感、結(jié)構(gòu)光視覺等方法實現(xiàn)焊縫自動尋位與自動跟蹤；③除了具有一定的感知能力外，還具有一定的決策和規(guī)劃能力，例如能夠利用計算機(jī)處理傳感結(jié)果并對焊接任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。
2.2按性能指標(biāo)分類
按照機(jī)器人性能指標(biāo)的不同，可將其分為五種：超大型焊接機(jī)器人、大型焊接機(jī)器人、中型焊接機(jī)器人、小型焊接機(jī)器人、超小型焊接機(jī)器人。詳見表1。
2.3按照機(jī)器人作業(yè)中所采用的焊接方法分類
2.3.1點焊機(jī)器人。具有有效載荷大、工作空間大的特點，配備有專用的點焊槍，并能實現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的運動，以適應(yīng)點焊作業(yè)的要求，其最典型的應(yīng)用是用于汽車車身的自動裝配生產(chǎn)線。2.3.2弧焊機(jī)器人。因弧焊的連續(xù)作業(yè)要求，需實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，也可利用插補(bǔ)功能根據(jù)示教點生成連續(xù)焊接軌跡，弧焊機(jī)器人除機(jī)器人本體、示教器與控制柜之外，還包括焊槍、自動送絲機(jī)構(gòu)、焊接電源、保護(hù)氣體相關(guān)部件等，根據(jù)熔化極焊接與熔化極焊接的區(qū)別，其送絲機(jī)構(gòu)在安裝位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計上也有不同的要求。2.3.3攪拌摩擦焊機(jī)器人。因其焊接過程中產(chǎn)生的振動、對焊縫施加的壓力、攪拌主軸尺寸、垂向和側(cè)向的軌跡偏轉(zhuǎn)等原因?qū)C(jī)器人提供的正壓力、扭矩，以及機(jī)器人的力覺傳感能力、軌跡控制能力等都提出了較高的要求。
3焊接機(jī)器人在智能制造中的主要應(yīng)用
3.1焊接跟蹤技術(shù)焊接機(jī)器人能因地制宜地在焊接空間中自動尋找與跟蹤焊縫，對焊縫的起點與終點實施跟蹤，實現(xiàn)焊槍能夠自動的對焊縫的位置實施自適應(yīng)的控制。焊縫跟蹤技術(shù)的使用，能夠跟蹤傳感電弧電壓，這樣就能夠自動的尋找焊縫的起點與終點，并為焊接的弧長提供參考點，這樣，在焊接的過程中，機(jī)器人就可以根據(jù)弧長的變化來感應(yīng)焊接的起點與終點，自動的采用電弧傳感器控制電壓自適應(yīng)的對焊接過程進(jìn)行控制。這種方法可以有效的應(yīng)用于角接接頭的焊接方式，對于轎車的底盤零件中大量薄板搭接進(jìn)行焊接，也能夠有效的焊接弧長進(jìn)行控制。
3.2路徑規(guī)劃及離線編程技術(shù)的應(yīng)用
機(jī)器人離線編程主要利用計算機(jī)虛擬技術(shù)及圖形技術(shù)，通過機(jī)器人能夠識別的程序語言，構(gòu)建一個虛擬作業(yè)的工作環(huán)境，在未使用機(jī)器人狀態(tài)之下，進(jìn)行空間及運動路徑的模擬，從而使機(jī)器人的程序變得更加完善?？茖W(xué)水平的不斷提升，焊接機(jī)器人智能化已經(jīng)成為社會建設(shè)工作開展的必然選擇。
3.3多機(jī)器人協(xié)作控制技術(shù)的應(yīng)用
在實際生產(chǎn)的過程中，單臺機(jī)器人往往不能充分發(fā)揮作用，不能同時完成多項工作，這就要求能夠有多臺機(jī)器人共同協(xié)調(diào)完成焊接工作，因此，對焊接機(jī)器人與變位機(jī)、弧焊電源等周邊設(shè)備之間進(jìn)行處理，實現(xiàn)焊接過程的柔性化集成，并能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。焊接機(jī)器人與周邊設(shè)備進(jìn)行柔性化協(xié)調(diào)控制，這樣就可以實現(xiàn)多臺機(jī)器人的協(xié)調(diào)工作，對于焊接技術(shù)來說，在施工的過程中，工件的焊縫總會出現(xiàn)在平焊、橫焊、立焊等焊接位置，如果不能經(jīng)過高效的處理就會影響工件的焊接品質(zhì)，但是僅僅依靠調(diào)節(jié)焊接機(jī)器人的方位與焊接的姿勢來進(jìn)行施工，往往是很難達(dá)到滿意的焊接要求，而這些焊縫對焊接品質(zhì)和焊縫成形都有很大的影響，因此，在焊接的過程中，采用機(jī)器人協(xié)調(diào)控制變位機(jī)能夠有效的調(diào)節(jié)機(jī)器人的焊接位置，能夠有效的對弧焊電源與工裝夾具進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，這樣就會提高焊接的效率與焊縫的質(zhì)量。
4焊接機(jī)器人未來發(fā)展
4.1融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)與焊接機(jī)器人技術(shù)融合，模擬仿真焊接過程，并通過計算機(jī)將工藝過程轉(zhuǎn)化成數(shù)字化操作叫在焊接操作之前，進(jìn)行模擬仿真實驗，根據(jù)不同的工作狀況，對各種焊接工藝方案進(jìn)行比較，然后通過分析，選取出最優(yōu)化的方案讓機(jī)器人來進(jìn)行焊接。與真實焊接相比，虛擬技術(shù)的最大優(yōu)勢在于可以方便的模擬任何訓(xùn)練科目，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以仿真各種復(fù)雜、突發(fā)情況，從而有針對性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與處理相關(guān)問題的技能。
4.2自學(xué)習(xí)系統(tǒng)
智能系統(tǒng)通過對固有程序以及外部環(huán)境的感知，在不需要任何人員示教的基礎(chǔ)上，機(jī)器人的智能系統(tǒng)進(jìn)行自主判斷并完成思考及學(xué)習(xí)，使人工編程、程序輸入的工作量大幅降低，且在工序復(fù)雜及工作量大的情況下實現(xiàn)準(zhǔn)確、高效焊接，可有效解決人工控制焊接機(jī)器人操作繁瑣、程序繁雜、定位困難、自主性差等問題。通過運用自學(xué)習(xí)體系，在特殊工況中，機(jī)器人能根據(jù)實際情況，逬行數(shù)據(jù)整理分析，合理規(guī)劃出最佳焊接路徑和焊接方法，從而實現(xiàn)全智能自主化運行。
4.3多智能體系統(tǒng)
多智能體系統(tǒng)將復(fù)雜、單一的操控系統(tǒng)規(guī)劃成具有多元化、層次化、模塊化、能互相傳遞數(shù)據(jù)資料與信息，彼此協(xié)調(diào)，易于管理的智能系統(tǒng)。將其充分融合于焊接工作中，適用于流水線式的焊接工作，以焊接工作站為基礎(chǔ)單元，系統(tǒng)通過統(tǒng)一管理，使多個智能機(jī)器人之間產(chǎn)生緊密群體合作，共同完成復(fù)雜的目標(biāo)任務(wù)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)操作流水線時需要對每個機(jī)器人單獨控制，編程的弊端，多智能體技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)解決綜合問題的能力大大提高，打破了人類對人工智能領(lǐng)域的固化思維，使得流水線焊接機(jī)器人技術(shù)得到飛速發(fā)展。
4.4多傳感器融合技術(shù)
焊接機(jī)器人需要多傳感信息融合技術(shù)對工作環(huán)境中的信息進(jìn)行收集和分析來提高焊接系統(tǒng)的精確性、高效性、快速性和可靠性。綜合運用全方位視覺傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等先進(jìn)技術(shù)對于焊接機(jī)器人感知外部環(huán)境、獲取數(shù)據(jù)信息都具有非常重要的作用，最大程度上使機(jī)器人在任何狀況下都能通過反饋數(shù)據(jù)、信息做出相應(yīng)的調(diào)整，零誤差、精準(zhǔn)地完成焊接，這也將大力推動未來焊接機(jī)器人向自主化、智能化的發(fā)展。
5結(jié)語
綜上所述，通過對焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在智能制作中的相關(guān)分析，認(rèn)識到焊接機(jī)器人應(yīng)用的能更好保證了勞動者的健康、提升焊接的品質(zhì)、保證生產(chǎn)的效能，隨著科技的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)會得到更好的運用，提升智能制造的效率，為制造業(yè)發(fā)展提供更加強(qiáng)大的助力。
參考文獻(xiàn)
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作者:胡兆東 單位:南京康尼機(jī)電股份有限公司