什么是焊接機器人

　　焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人。根據國際標準化組織（ISO）工業機器人屬于標準焊接機器人的定義，工業機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。

　　焊接機器人特點

　　點焊對焊接機器人的要求不是很高。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求，這也是機器人最早只能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩，定位要準確，以減少移位的時間，提高工作效率。點焊機器人需要有多大的負載能力，取決于所用的焊鉗形式。對于用與變壓器分離的焊鉗，30～45kg負載的機器人就足夠了。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機器人將焊鉗伸入工件內部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停擺動，電纜的損壞較快。

　　因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質量在70kg左右。考慮到機器人要有足夠的負載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進行焊接，一般都選用100～150kg負載的重型機器人。為了適應連續點焊時焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內完成50mm位移的功能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。

　　焊接機器人優點

　　1）穩定和提高焊接質量，能將焊接質量以數值的形式反映出來；

　　2）提高勞動生產率；

　　3）改善工人勞動強度，可在有害環境下工作；

　　4）降低了對工人操作技術的要求；

　　5）縮短了產品改型換代的準備周期，減少相應的設備投資。

　　焊接機器人的系統組成

　　焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。圖1a、b表示弧焊機器人和點焊機器人的基本組成。

　　焊接機器人編程2種方法

　　焊接機器人的編程方法目前還是以在線示教方式（Teach-in）為主，但編程器的界面比過去有了不少改進，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機器人編程時焊縫軌跡上的關鍵點坐標位置仍必須通過示教方式獲取，然后存入程序的運動指令中。這對于一些復雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費大量的時間示教，從而降低了機器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動強度。目前解決的方法有2種：

　　一是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關鍵點，然后通過焊接機器人的視覺傳感器（通常是電弧傳感器或激光視覺傳感器）自動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開示教編程，但在一定程度上可以減輕示教編程的強度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點，機器人的視覺傳感器并不是對所有焊縫形式都適用。

　　二是采取完全離線編程的辦法，使機器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標位置的獲取、以及程序的調試均在一臺計算機上獨立完成，不需要機器人本身的參與。機器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當時受計算機性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機器人的所有指令系統和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標，因此，編程工作并不輕松省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維圖形技術的發展，如今的機器人離線編程系統多數可在三維圖形環境下運行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標位置通常可以采用“虛擬示教”（virtual Teach-in）的辦法，用鼠標輕松點擊三維虛擬環境中工件的焊接部位即可獲得該點的空間坐標；在有些系統中，可通過CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然后自動生成機器人程序并下載到機器人控制系統。從而大大提高了機器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動強度。目前，國際市場上已有基于普通PC機的商用機器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開發的基于PC的三維可視化機器人離線編程系統。該系統可針對ABB公司的IRB140機器人進行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得，并在三維圖形環境中可讓機器人按程序中的軌跡作模擬運動，以此檢驗其準確性和合理性。所編程序可通過網絡直接下載給機器人控制器。

　　焊接機器人應用中存在的問題和解決措施

　　（1）出現焊偏問題：可能為焊接的位置不正確或焊槍尋找時出現問題。這時，要考慮TCP（焊槍中心點位置）是否準確，并加以調整。如果頻繁出現這種情況就要檢查一下機器人各軸的零位置，重新校零予以修正。

　　（2）出現咬邊問題：可能為焊接參數選擇不當、焊槍角度或焊槍位置不對，可適當調整。

　　（3）出現氣孔問題：可能為氣體保護差、工件的底漆太厚或者保護氣不夠干燥，進行相應的調整就可以處理。

　　（4）飛濺過多問題：可能為焊接參數選擇不當、氣體組分原因或焊絲外伸長度太長，可適當調整機器功率的大小來改變焊接參數，調節氣體配比儀來調整混合氣體比例，調整焊槍與工件的相對位置。

　　（5）焊縫結尾處冷卻后形成一弧坑問題：可編程時在工作步中添加埋弧坑功能，可以將其填滿。

　　在焊接中機器人系統常見的故障

　　（1）發生撞槍：可能是由于工件組裝發生偏差或焊槍的TCP不準確，可檢查裝配情況或修正焊槍TCP。

　　（2）出現電弧故障，不能引弧：可能是由于焊絲沒有接觸到工件或工藝參數太小，可手動送絲，調整焊槍與焊縫的距離，或者適當調節工藝參數。

　　（3）保護氣監控報警：冷卻水或保護氣供給存有故障，檢查冷卻水或保護氣管路。

　　焊接機器人的編程技巧

　　（1）選擇合理的焊接順序，以減小焊接變形、焊槍行走路徑長度來制定焊接順序。

　　（2）焊槍空間過渡要求移動軌跡較短、平滑、安全。

　　（3）優化焊接參數，為了獲得最佳的焊接參數，制作工作試件進行焊接試驗和工藝評定。

　　（4）采用合理的變位機位置、焊槍姿態、焊槍相對接頭的位置。工件在變位機上固定之后，若焊縫不是理想的位置與角度，就要求編程時不斷調整變位機，使得焊接的焊縫按照焊接順序逐次達到水平位置。同時，要不斷調整機器人各軸位置，合理地確定焊槍相對接頭的位置、角度與焊絲伸出長度。工件的位置確定之后，焊槍相對接頭的位置必須通過編程者的雙眼觀察，難度較大。這就要求編程者善于總結積累經驗。

　　（5）及時插入清槍程序，編寫一定長度的焊接程序后，應及時插入清槍程序，可以防止焊接飛濺堵塞焊接噴嘴和導電嘴，保證焊槍的清潔，提高噴嘴的壽命，確保可靠引弧、減少焊接飛濺。

　　（6）編制程序一般不能一步到位，要在機器人焊接過程中不斷檢驗和修改程序，調整焊接參數及焊槍姿態等，才會形成一個好程序。