焊接机器人推动焊接自动化的发展

近几年来，中国工业正在进行着一场“机器人化”的革命，特别是在弧焊领域，2005年以后，机器人以平均每年130％的速度递增。本文对焊接机器人在自动化生产的优势、焊接机器人系统的发展、焊接机器人自动化应用的问题与解决、焊接机器人在工业中的应用实例四个方面做了简单的介绍。
1、焊接机器人在自动化生产的优势
机器人从诞生到现在，使用最多的是在焊接领域。据统计，到2007年底全世界在役的焊接机器人安装总量已接近4O万台。焊接机器人作为一种先进的焊接设备，其应用得到了大力的推广，是使我国焊接业进入自动化时代的一个重要标志。
随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。自动化生产要求减少人力，提高产品一致性，提高产品质量，更适合大批量生产，降低生产成本，提高生产效率。而人工焊接时，由于受到技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限等客观和主观因素的应影响，难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性。而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少，熟练的技术工人更有短缺的趋势。可以说，焊接机器人很大程度上满足了焊接自动化的要求，自动化生产方面的优势可以总结为以下几条：
(1)稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等对焊接结果有着决定作用。采用机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。而人工焊接时，焊接速度、干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。
(2)改善了劳动条件。采用机器人焊接，工人只需要装卸工件，远离了焊接弧光、炯雾和飞溅等。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解脱出来。
(3)提高劳动生产率。机器人可24h连续生产。随着高速高效焊接技术的应用，采用机器人焊接，效率提高得更为明显。
(4)产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是同定的，因此安排生产计划非常明确。
(5)缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
2、焊接机器人系统的发展
电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化提供了有利的条件，并己渗透到焊接的各个领域。从严格意义上讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，包括机器人本体、机器人控制柜、焊机系统及送丝单元、变位机、装夹具等部件。典型的焊接机器人系统有三种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机。焊接机器人工作站一般适用于中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂；焊接机器人生产线特别适合在产品品种多，每批数量又很少的情况下采用；焊接专机适用于批量大、改型慢的产品，对焊缝数量较少，焊缝较长，形状规则的工件也较为适用。选用哪种自动化焊接生产形式，需根据企业的实际情况而定。
近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人专用弧焊逆变电源大多为单片微机控制的IGBT弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率20-50kHz，最高可达220kHz。焊接系统具有优良的动特性，适合机器人自动化和智能化焊接。弧焊电源的发展不断向着数字化方向迈进，焊接机器人焊接电源的发展方向是采用全数字化焊机。这种焊接电源的最大特点是焊接参数稳定，受网络电压波动、温升、元器件老化等因素的影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成形良好，加之DSP的响应速度快，可以根据主控制系统的指令(给定值)精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能，可以满足多种焊接方法对电源的要求。
曹乐中在《ROMAT76AW焊接机器人技术改造》一文中提到变位机的改造。单台机器人在长度方向的焊接范围只有6800mm，不能完成SS9型等电力机车转向架侧梁的焊接工作。变位机用于焊接件的旋转变位。变位机的型号为WPR25000N，头架固定，尾架可沿导轨移动，承重2．5t，可旋转至任意角度。将变位机的导轨加长1．6m，要求导轨对接良好。导轨加长后，变位机的头架与尾架之间的最大距离为9．更新变位机第八轴(变位机旋转轴)驱动电机(原为直流伺服电机)，3m。驱动形式为交流伺服驱动，确保工件在变位过程中动作平稳、无窜动，从而提高焊缝处于船型位置的焊接性能。
3、焊接机器人自动化应用的问题与解决
目前应用中的焊接机器人仍然是“示教再现型”，其焊接路径和工艺参数是预先设置的，对作业条件的一致性要求非常严格，并且在焊接过程中缺少对外部信息传感反馈和实时调节的功能。然而，实际焊接过程中的环境和条件的变化是不可避免的，如焊接工件加工和装配误差造成接头位置、焊缝间隙和尺寸的分散性，示教轨迹与实际焊缝的差异、焊接过程中热变形、熔透及焊缝成形不稳定等因素都会引起焊接质量的波动，并导致焊接缺陷的产生。为了克服焊接过程中各种不确定性因素对精密焊接质量的影响，迫切需要采用信息反馈、智能控制等技术提高现行焊接机器人的适应性或智能化水平，使之能实现初始焊位识别与自主导引、实时焊缝纠偏与跟踪，焊接熔池动态特征信息获取、工艺参数自适应调节和焊缝成形的实时控制，即实现机器人焊接过程的自主智能控制，从而弥补焊接机器人在自动焊接方面的不足。
陈善本等人运用人工智能技术模拟实现焊工观察、判断与操作行为功能，研究基于视觉信息传感的焊接机器人对初始焊接位置识别与自主导引、焊缝跟踪、熔池动态过程及焊缝成形智能控制等关键技术，研制局部环境自主智能焊接机器人LAIWR（局部环境自主智能焊接机器人即Local Autonomous Intelligent Welding Robot）集成系统，并将该系统关键技术应用于航天装备重要结构件的焊接制造。为了实现对LAIWR系统诸多硬件组件和功能软件的最优化管理和协调控制，实现机器人系统的自主控制智能功能。
随着对机器人研究的不断深入和机器人领域的不断拓展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究的安全可靠、灵活方便的工具，在本领域发挥着重要作用。《OPENGL在工业机器人动态仿真中的应用》一文结合6R(旋转关节)焊接机器人，对6R机器人仿真系统的开发进行了探讨。并给出了开发的仿真界面和系统图形交互的过程。实现多自由度、多关节机器人的动态仿真，达到考查研究多自由度、多关节机器人的目的。
《视觉传感铝合金脉冲MIG焊熔宽控制系统》一文中，描述了针对铝合金在焊接过程中热积累作用强、恒参数焊接时容易产生各种缺陷的问题，设计了模糊专家控制系统。通过CCD获得熔池的图像以及相应的图像处理软件计算出熔宽的大小，然后该模糊控制器控制焊接热输入，专家系统负责脉冲参数匹配，从而维持熔宽不变，即保证了焊接质量的稳定性，适应于自动化的生产要求。
其他的措施包括对焊接机器人外围结构进行改造、焊接工艺改造、。在钢结构等现场施工中，结构件形状复杂，除常规的圆形、方形的工件外，还有间断不连续的、椭圆形的、外形渐变的工件以及厚壁、大型工件，要想最大限度解决现场的自动化焊接，充分发挥焊接机器人的现场施工利用率，提高焊接效率，难度是比较大的。通过总结“鸟巢”的现场焊接实践和后续大量的焊接工程实践，研发了RHC-2、RHC-3系列柔性轨道焊接机器人，可选用直导轨、圆导轨、柔性导轨实现各种复杂曲面的全位置焊接，设计出在线焊缝轨迹示教、在线全位置焊接参数控制、离线焊接参数设置等职能控制程序，并开发自主学习开放式专家系统，可以适应不规则焊缝的轨迹跟踪，实现多层多道焊及全位置焊的自动化焊接。
4、焊接机器人在工业中的应用实例
弧焊机器人工业中的主要应用分布在船舶的制造、汽车零部件、摩托车、自行车、薄板五金等行业，另外在以工程机械为丰的中厚板行业也在不断扩大弧焊机器人的应用。
焊接自动化是船舶产业进步和升级的关键。经过十多年艰苦不懈的努力，我国造船自动焊接技术取得了长足进步和丰硕成果。众所周知，造船焊接技术是现代船舶制造的关键工艺技术，在船体建造中，焊接工时约占船体建造总工时的30％~40％，焊接成本约占船体建造总成本的30％-50％。船舶焊接质量是评价船舶质量的重要指标，焊接效率直接影响到造船周期和船舶建造成本。因此焊接自动化将是船舶产业进步和升级的关键，也是造船行业的一大趋势，随着焊接技术的发展这种趋势还将越来越明显。