焊接机器人在工程机械行业应用

鲍燕舞

随着制造业劳动本钱的上涨，机器人产品价格的不断下降，人们更加追求更舒适的工作条件，机器人的应用每年递增，为了追求更高的焊接品质，焊接机器人已经广泛应用于工程机械各类产品。焊接机器人由操纵机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操纵、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种变批量的柔性生产。它对稳定、进步产品质量，进步生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作业，如下：

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的产业机器人，它主要包括机器人和焊接设备两部分，目前在工程机械起重机、履带吊、泵车、搅拌车等产品生产过程中得到广泛应用，应用分为点焊机器人和弧焊机器人，其中特点如下：

1、点焊机器人的特点

由于采用了一体化焊钳，焊接变压器装在焊钳后面，所以点焊机器人的变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器可以用50Hz工频交流，而对于容量较大的变压器，产业上已经开始采用逆变技术把50Hz工频交流变为600～700Hz交流，使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600～700Hz交流电焊接，也可以再进行二次整流，用直流电焊接，焊接参数由定时器调节。目前，新型定时器已经微机化，因此机器人控制柜可以直接控制定时器，无需另配接口。点焊机器人的焊钳，用电伺服点焊钳，焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，码盘反馈，使焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置，而且电极间的压紧力也可以无级调节。

电伺服点焊钳具有如下优点：

（1）每个焊点的焊接周期可大幅度降低，由于焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程，焊钳就可以开始闭合;而焊完一点后，焊钳一边张开，机器人就可以一边位移，不必等机器人到位后，焊钳才闭合或焊钳完全张开后机器人再移动。

（2）焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞或干涉，可尽可能减少张开度，以节省焊钳开度，节省焊钳开合所占的时间。

（3）焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，可减少撞击变形和噪声。

2、弧焊机器人的特点

弧焊机器人多采用气体保护焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等的焊接电源都可以装到机器人上作电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。

近年来，国外机器人生产厂都有自己特定的配套焊接设备，在这些焊接设备内已经插进相应的接口板，所以弧焊机器人系统中并没有附加接口箱。应该指出的是，在弧焊机器人工作周期中，电弧时间所占的比例较大，因此在选择焊接电源时，一般应按持续率100%来确定电源的容量。送丝机构可以装在机器人的上臂上，也可以放在机器人之外，前者焊枪到送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝的稳定性，而后者软管校长，当机器人把焊枪送到某些位置，使软管处于多弯曲状态，会严重影响送丝的质量，所以送丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的题目。

3、焊接机器人的意义

焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行

业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：

（1）穩定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。

（2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。

（3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24h连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。

（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

（5）可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他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。

4、焊接机器人工程机械应用中存在的题目和解决措施

（1）出现焊偏题目：可能为焊接的位置不正确或焊枪寻找时出现题目。这时，要考虑TCP（焊枪中心点位置）是否正确，并加以调整。假如频繁出现这种情况就要检查一下机器人各轴的零位置，重新校零予以修正。

（2）出现咬边题目：可能为焊接参数选择不当、焊枪角度或焊枪位置不对，可适当调整。

（3）出现气孔题目：可能为气体保护差、工件的底漆太厚或者保护气不够干燥，进行相应的调整就可以处理。

（4）飞溅过多题目：可能为焊接参数选择不当、气体组分原因或焊丝外伸长度太长，可适当调整机器功率的大小来改变焊接参数，调节气体配比仪来调整混合气体比例，调整焊枪与工件的相对位置。

（5）焊缝结尾处冷却后形成一弧坑题目：可编程时在工作步中添加埋弧坑功能，可以将其填满。

5、在焊接过程中，机器人系统常见的故障

（1）发生撞枪：可能是由于工件组装发生偏差或焊枪的TCP不正确，可检查装配情况或修正焊枪TCP。

（2）出现电弧故障，不能引弧：可能是由于焊丝没有接触到工件或工艺参数太小，可手动送丝，调整焊枪与焊缝的间隔，或者适当调节工艺参数。

（3）保护气监控报警：冷却水或保护气供给存有故障，检查冷却水或保护气管路。

6. 焊接机器人的编程技巧

（1）选择公道的焊接顺序，以减小焊接变形、焊枪行走路径长度来制定焊接顺序。

（2）焊枪空间过渡要求移动轨迹较短、平滑、安全。

（3）优化焊接参数，为了获得最佳的焊接参数，制作工作试件进行焊接试验和工艺评定。

（4）采用公道的变位机位置、焊枪姿态、焊枪相对接头的位置。工件在变位机上固定之后，若焊缝不是理想的位置与角度，就要求编程时不断调整变位机，使得焊接的焊缝按照焊接顺序逐次达到水平位置。同时，要不断调整机器人各軸位置，公道地确定焊枪相对接头的位置、角度与焊丝伸出长度。工件的位置确定之后，焊枪相对接头的位置必须通过编程者的双眼观察，难度较大。这就要求编程者善于总结积累经验。

（5）及时插进清枪程序，编写一定长度的焊接程序后，应及时插进清枪程序，可以防止焊接飞溅堵塞焊接喷嘴和导电嘴，保证焊枪的清洁，进步喷嘴的寿命，确保可靠引弧、减少焊接飞溅。

（6）编制程序一般不能一步到位，要在机器人焊接过程中不断检验和修改程序，调整焊接参数及焊枪姿态等，才会形成一个好程序。

7、焊接机器人的最新技术

（1）TCP（tool center point工具中心点）自动校零技术

焊接机器人的工具中心点就是焊枪的焊丝的端点，因此TCP的零位精度直接影响着焊接质量的稳定性。但在实际生产中不可避免会发生焊枪与夹具之间的碰撞等不可预见性因素导致TCP位置偏离。通常的做法是利用手动进行机器人TCP校零，但一般全过程需要30min才能完成，影响生产效率。TCP自动校零是用在机器人焊接中的一项新技术，它的硬件设施是由一梯形固定支座和一组激光传感器组成。当焊枪以不同姿态经过TCP支座时，激光传感器都将记录下的数据传递到CPU与最初设定值进行比较与计算。当TCP发生偏离时，机器人会自动运行校零程序，自动对每根轴的角度进行调整，并在最少的时间内恢复TCP零位。

（2）双丝焊接技术

近年来由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展，对高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度，达到3～6m/min，焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外，双丝焊接还有其他的工艺特点：在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔率低等。

结束语

随着工程机械发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到工程机械越来越多的重视。