机器人自动焊接工艺实施与控制研究

朱承群

广州数控设备有限公司 广东 广州 510530

1 机器人自动焊缝跟踪技术的组成和原理

焊缝自动跟踪由传感器、调节器、执行机构三大部分构成一个闭环反馈系统，具有完备的检测——控制——执行功能。一些执行机构含焊接机器人(串联机器人或移动机器人)、步进电机、十字滑块(对于移动焊接机器人)等。控制处理器为单片机及硬件处理电路。焊接系统中该包括焊接电源、送丝机构、工装夹具等。

焊接机器人实现焊缝自动跟踪焊接的重要过程是通过传感器视觉引导进行姿势自动调整并实现焊缝初始点的自动识别定位，然后从初始点开始实现焊缝的自动跟踪控制。所应用的各种传感器，采集焊接过程中焊炬与坡口的图像以及焊接过程中产生的电、光、热、声、磁等物理信号；采用控制算法及图像处理等技术寻找焊缝及其中心位置，最后通过机器人的执行机构调整焊枪位置使其处于焊缝中心。焊缝跟踪技术主要是以传感器系统以及焊缝跟踪控制理论与方法为基础的。传感器是焊缝跟踪系统中的关键，决定着整个系统对焊缝的跟踪精度。传感器采集到焊缝的位置和形状的信息转化为电信号，将电信号传给控制系统，并将其处理。最后根据处理后的结果调节焊枪，实现焊缝跟踪。如现在比较盛行的激光视觉焊缝跟踪系统，激光视觉焊缝跟踪系统是为了解决工业机器人复杂三维激光焊接编程的问题，将工业机器人离线编程技术、激光视觉检测技术结合起来，实现工业机器人焊接轨迹自适应规划和机器人程序生成一套智能系统。激光视觉焊缝跟踪技术涉及的开发领域为：工业机器人离线编程相关软件开发；涉及三维CAD内核调用、机器人数据库、工艺库开发、软件界面和工业机器人相关算法；工业机器人运动学算法和动力学算法，机器人轨迹规划，奇异点规避，轴限位检测和碰撞检测。实现带视觉辅助的三维复杂工件位置在线纠偏补偿技术。面向复杂三维金属工件的工业机器人激光焊接工艺[1]。

2 机器人焊接关键工艺

机器人焊接工艺主要包括焊接方法、焊接电源、母材、焊材、气体、板厚（管径及壁厚）、坡口形式、焊前装配、焊接位置、焊接顺序、焊接轨迹、焊枪姿态及焊接参数等，在制定机器人焊接工艺前，首先要对被焊工件和焊材有着充分的了解，此后对焊件材料的焊接性、下料、成形加工工艺、装配方法的选用以及机器人的焊接轨迹、姿态、焊枪角度、焊接参数等进行分析，确定焊接重点及难点，制订解决措施，达到控制焊接质量、提高效率、降低成本等目的。根据焊件的技术要求，通过工艺分析，运用机器人焊接工艺知识来拟定机器人的焊接方案，并充分考虑焊接顺序、关键点的处理、焊枪角度及机器人的姿态等问题。在机器人焊接路径及姿态编程完成后，对焊接参数进行设置和调整，完成焊接工艺试验；最终从质量、效率、成本三方面进行工艺方案比较，选定最佳方案[2]。

3 焊接智能产线分析与控制

（1）中部槽机器人自动化焊接生产线要求。中部槽一般为多品种批量件形式，整个生产线应包括双机器人单丝焊接工作站、双机器人双丝焊接工作站、长臂单丝焊接专用机器人工作站、单机器人单丝焊接工作站。本生产线通过引入智能物流系统(带物流小车)来实现工件的自动上下料，同时设置若干上料架及下料架(带传感功能)，并辅助以MES系统，实现整个生产线机器人工作站、物流系统、上/下料架的自动化生产运作。MES实时反映整个生产过程的信息变化状态，监控全部生产过程，记录生产过程产品所使用的材料、设备，产品检测的数据和结果以及产品在每个工序上生产的时间、人员等信息。

（2）节拍分析。机器人焊接生产线设计根据中部槽焊接工艺流程，考虑以上焊接工艺顺序以及上下料时间，焊接节拍为：中板与两侧槽帮钢焊缝—打底焊接时间为0.45/h；中板与两侧槽帮钢焊缝-填充/盖面焊接时间为1.45/h；底板与两侧槽帮钢焊缝-外焊缝焊接时间为0.35/h；底板与两侧槽帮钢焊缝-外焊缝焊接时间为1.55/h。

（3）焊接生产线工艺控制。根据以上节拍计算，机器人焊接生产线要实现中部槽的自动化焊接，实现RGV小车、上料架、下料架及机器人系统和安全检测的协调控制。在自动运转时与各工位的周边装置控制箱进行信号交换，完成工件的自动搬运搬出控制。另外，也对各个工位上设置的安全插销和光电传感进行控制。同时，控制整个物流线的电源供给。控制系统需预留单站的控制接口，后续只需增加焊接机器人单站、滑触线、导轨等相关部件，即可实现生产。

中部槽机器人焊接生产线已在企业成功应用，生产线的研制实现了中部槽焊接过程的自动上下料、自动物流输送、自动焊接及质量监控，通过PLM产品全生命周期管理系统，打通了企业技术信息化CAD/CAM/MES，实现了数字化生产。该生产线自上线运营以来，在保证产品质量，提高焊接效率，改善工人作业环境方面发挥了积极作用[3]。

4 结束语

随着社会的高速发展，应该注重对于工业生产中各类现代新型技术的应用。采用以工业机器人为单位使用激光焊接技术对产品进行焊缝跟踪是现代生产的一大新兴技术。与传统的焊接技术相比，在生产过程中采用机器人自动焊接技术采用以工业机器人为单位，不仅能够有效降低对材料的消耗，在技术成熟的情况下能够大大提高工作效率。

以上论述了通过焊缝跟踪技术设计的智能产线有效保障产品质量，正确引导工业由“传统制造”向“数字化制造”直至机器换人的“智能制造”转变，提高生产效率。