焊接机器人设计时需要注意的问题

张炯　陈韶飞

摘 要：文章就焊接机器人的设计要点，控制系统，以及对机器人焊接设计时需要注意问题进行的阐述。焊接机器人广泛应用于流水线作业，例如汽车加工中的焊接操作等，焊接机器人具有焊接稳定，成品率高的特点，越来越为人们所接受。

关键词：焊接；机器人；研究分析

焊接工作由于工作量大，焊接产生的气体会对人体产生危害等，现如今，在焊接过程中产生了焊接机器人来替代人来进行焊接，焊接机器人主要由机械部分和电气控制部分组成，机械部分包括机器人本身和焊接部分，电气控制等主要是由计算机控制的电机来带动机器人运动到程序指定的位置并通过测量反馈来精确控制运动从而完成焊接。

1 焊接机器人的设计情报收集

焊接机器人在设计时要根据焊接的实际需要，了解焊件的材料特性，焊缝的要求，以及工序的安排的情况，在了解到这些信息后结合实际进行设计。

1.1 设计初步选型

焊接机器人为达到在空间位置移动的目的一般设计为六轴，在设计之初需要了解到机器人将要完成什么样的焊接，结合焊件的材质，对焊缝的要求，以及采用什么样的焊接方式，机器人以什么样的行动轨迹来达到程序制定的位置，怎么实现以上这些要求等，初步估计出机器人的定位方式，焊接夹具大小和质量等。從以上这些来选用相应的机械结构形式和驱动方式，检测及方式等。

焊接机器人通常是成套协作来完成焊接，根据用户提供的焊接流程，所需完成的焊接等来确定机器人的布置方式，例如（立式、侧壁、倒挂）等，通过使用相应的模拟软件来查看前后工序之间的协调运动，依据软件显示的模拟结果，来明确机器人的布置方式是否合理。

1.2 焊接工艺装备确定

1.2.1 工装夹具。焊接机器人由于其具有的成品率高，焊接速度快，焊接稳定等特点可用于大批量焊接作业，但是以上这些都是建立在焊件的装夹稳定，装夹精度高的基础上的，所以合理的焊件装夹工具，以及装配模台对焊接具有很重要的影响意义。

1.2.2 变位机。焊接输送线上装配着焊件和装夹工具等，其要求具有很高的定位能力和运动的平稳性，来保证焊件能够精确地运动到制定的位置不能由大的传动误差，因此输送线的定位精度对焊接的精度具有和高的影响作用，因此在设计时要对这些方面重点关注。

1.2.3 机器人工作滑台。在焊接的过程中，机器人由于本身结构的原因，焊接的某些位置无法达到，只能通过改变机器人的位置从而达到使机器人的焊枪达到指定的位置从而进行焊接。这些位置的改变是通过滑台来达到目的的。

1.2.4 焊接系统。下面将介绍焊接系统，以上介绍的是机器人通过移动和定位从而使焊枪能够达到指定的位置，而到达指定位置以后就需要焊接系统来进行焊接。

2 焊接机器人的安装调试

2.1 抗干扰措施

在焊接机器人焊接过程中由于焊接系统需要通过很大的电流来进行焊接，这些将对机器人的运动机构、定位机构、以及位置检测装置等进行影响，同时这些干扰也会对机器人的运算控制部分产生影响，虽然在设计时就这些影响因素进行了考虑，采取了滤波、接地等一系列的干扰措施，但是安装说明上明确要求对高频干扰进行防范。在铺设地线时用摇表进行电阻测量，达到不大于4.0Ω的标准。

2.2 机器人外部轴标定

焊接机器人采用的六个轴一般在在制造时已经进行了定义，而在实际运行时建立的空间直角坐标则需要进行现场标定。

2.4 焊接试验

在以上这些安装步骤完成后将进行试焊接，在花盘或夹紧工具上放置焊件并夹紧，编制一定的焊接程序，采用测量工具检测机器人在运动的过程中的偏差看是否在允许的误差范围内，检测看能否达到设计指标，如不能达到则需要对工具中心点CP进行校准，直到满足要求为止。

3 实际应用

焊接机器人广泛应用于流水线等大批量等焊接，而在单件、大型结构件、小批量生产中，焊接机器人由于投入成本过高投入和产出不成正比往往应用不多，焊接机器人对使用环境等要求过高造成很多企业更倾向于使用人工焊接这种灵活性高，使用要求低的方式。

3.1 对这些可能存在的问题进行分析

（1）变位机设计不到位，具体体现在传动无法达到精确定位，同时机器人本身的刚性较差，机器人通常选用的是伺服电机进行驱动，伺服电机具有体积小，响应准确，调节灵活的特点，较之于一般电机，具有更好的可操作性，可以灵活的调节电机对于控制响应的速度。（2）机器人使用自由度不够，焊接机器人由于采用了六个轴的设计，这种设计在达到灵活的同时也会造成控制复杂的影响，在焊接时，有时需要采沿着某一直线或者是曲线来连续工作，由于是空间移动，需要六个轴同时进行协调移动，这就需要大量插补计算，六个轴在运动的过程中可能会出现突然出现速度急剧上升或下降趋势，而造成的电机电流过大，系统报警等从而影响焊接的进行，这种位置一般称为奇点，这就要求在设计时避开这些点，从而保证焊接的进行。（3）焊件装夹工具的设计不合理，在设计时并未结合机器人的焊接实际进行考虑，从而造成机器人造价的上升。（4）焊件要求的加工精度高，机器人焊接不同于人工焊接，人工焊接时，可以通过实际情况采用相应的应对措施，例如，根据熔池液面状况，随时调整焊枪移动量、送丝量。而在机器人焊接时，其都是通过程序控制，控制其走多少，怎么走等，根据实际情况来更改焊接工艺要么是很难以实现，要么就是实现的成本过高，这都造成焊接时对焊件的加工要求高。

3.2 针对问题的解决方法

对于变位机出现的定位不准或者是重复定位的问题，可以通过进行增加轨迹点的问题来进行解决。而在对于焊接时出现的抖动问题可以通过采用焊头通过伺服电机来跟随焊件进行平焊，当遇到上坡焊与下坡焊时，通过采用伺服控制来使焊头进行偏转，是指尽量与焊件保持平缓的姿态从而减少抖动的。

3.3 焊接的控制系统

从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。下面将介绍移动式焊接机器人的焊缝跟踪系统。 在整个焊接过程中，焊接机器人要自动寻找焊缝，施焊缝的自动跟踪和机器人位姿的自动调整。显然焊接机器系统是一个复杂的实时多任务控制系统，系统选用DSP作为整个控制系统的核心，运行速度快，具有强大的运算功能和丰富的外围资源，可以大大简化电路设计，提高系统的可靠性。另外，DSP具有强大的数字信号处理能力和运算能力，便于各种先进的控制算法和跟踪算法在系统上的实现，提高了系统的智能化程度。

3.4 机器人的使用安全

焊接机器人是高度集成化的工业结晶，是机械、电子、数控及计算机技术等的完美结合，其具有本身结构复杂，集成化程度高等的特点，通过使用焊接机器人是能够达到生产速度快、焊接品质高等，但是在操作使用焊接机器人时也是具有一定的安全风险，一点使用不当，则会发生碰撞焊枪，更甚至是机器人进行碰撞，这就度操作人员提出了更高的要求，对操作人员的职业素养和技能提出了更高的要求。在使用时必须建立完善的管理机制，防止意外事故发生。

4 结束语

文章就焊接机器人的结构设计时应注意的一些问题以及使用的安全问题进行了介绍。

参考文献

[1]李永明，王健.焊接机器人控制系统的研究[J].仪表技术，2009.