焊装机器人可用负载问题的解决与预防

王波 崔海滨 孙国林 吴政勋 冯玉涛 崔天宇

（中国一汽集团股份有限公司，长春 130011）

1 前言

近些年，随着六轴串联式工业机器人（机械手）在汽车焊装自动生产线的应用增多，在采购机器人之前，其末端执行器工具系统的可用负载评估就变得非常紧迫和重要。在工具系统确定的情况下，裕量足够的负载评估结果，可以保证机器人按照设计规定的运动速度和轨迹运行，保证机器人末端（例如第6轴法兰端面中心）的位置精度[1]，保证单轴电机及关节构件的可靠运行，可以降低焊装车间自动化生产线的机器人保养维修费用。

机器人负载是指在规定的速度和加速度条件下沿着运动的各个方向机械接口处可承受的力或扭矩[2]。有效负载是指机器人末端法兰上的执行器工具系统施于机器人的（外部）负载。额定负载是正常操作条件下作用于机器人机械接口并且不会使机器人性能降低的最大负载，包括末端执行器，管线包附件及工具系统的惯性力（或扭矩）[2]。可用负载是客户在一定使用条件下的机器人负载。可用负载包括有效负载和管线包附件引起的附加负载。

机器人可用负载评估即根据每台机器人的使用条件，使其适量小于该条件下的额定负载，留出一定的裕量。由于以往在机器人负载评估过程中缺乏详尽细致的企业标准，在焊装共用车型生产线的改造中，导致部分机器人的可用负载裕量偏小，或是负载超限。

为了从源头上解决机器人可用负载超限的问题，主要研究分析生产现场机器人负载超限导致的轴组构件损坏问题，问题涉及的原因、技术原理及技术解决途径，以及负载超限问题解决的横展和预防3个方面。

2 问题分析

在新车型导入前个别工位机器人的工具系统改造时，机器人比较容易出现可用负载裕量不足，甚至是负载超限的问题。如果不及时加以改进，就会导致机器人传动轴组构件损坏。图1所示为机器人服役六年后，J6轴组的轴承及传动轴的异常损坏情况。

图1 机器人第6轴传动部件损坏

2.1 典型问题

焊装自动线中，大总成（工件）的搬运和焊接工序是机器人工具系统负载超出限定范围的重要风险点。

某新车型X在融入自动线的改造中，遇到了2个较为典型的问题。

a.原生产线机器人的工具系统可用负载裕量偏小，新车型X改造时，其焊接分总成的设计尺寸增大，质量增加，在设计改造该分总成的抓具后，导致机器人的X车型的抓具系统的负载超限。

b.采用高电极压力、大喉深喉宽的轻量化伺服焊钳替换原有小喉深喉宽伺服焊钳后，即使低速运行，机器人焊钳也会在作业时抖动，同时也能听到单轴电机的运转异响。

2.2 原因分析

新车型在融入到原有生产线时，其焊接分总成的尺寸增大，或焊接分总成的质量增加，超出了原有机器人的负载规格上限。

生产线改造时，抓具系统的尺寸增大，或工具系统的气缸夹紧单元增多增重，致使原有机器人的负载超限。

机器人选型的技术依据不充分，甲乙双方的工程协同工作机制及标准还不完善。

内部工艺人员对机器人工具可用负载的技术原理认知不足，缺乏业务训练。外部设计及仿真人员的负载评估存在一些不当之处，例如J4轴和J5轴的转动惯量区分不清等。

机器人在生产线的布局规划时，对臂展的关注往往多于对负载的关注。

除此之外，其它例如机器人品牌规格局限及维护保养的原因，本文不做讨论。

3 技术解决途径

工程机械类问题的解决须在遵循物理原理或客观规律的基础上，结合工厂生产实际，找出具体可操作的技术解决方案。

3.1 评估技术原理

机器人的负载评估的技术原理可概括为系统功能平衡原理及刚体系统的广义力学原理。

3.1.1 系统功能平衡原理

系统功能平衡原理的本质是系统能量守恒。机器人系统从生产线供电柜中取电，将大部分电能转换为该系统的动能，机器人六轴末端与工具系统机械联接后，机器人系统的动能部分地转换为工具系统的机械能。在焊接分总成定位到工具系统并被抓手夹持之后，工具系统的动能可以部分转换为焊接分总成的机械能，就可以实现焊接分总成的空间转动和移动。

机器人末端的负载，是工具系统和工件系统施加在机器人本体上的外部载荷。机器人在作业时，会根据该功能平衡原理来动态调整作业速度和位置控制参数。

标准串联结构的工业机器人，是分别由6台电机驱动的6个关节轴，耦合形成6个自由度的空间机构，如图2所示[3]。机器人工具系统的有效负载与各轴电机的有效功率、机械强度和刚度有关，需要根据机器人厂商的测算方法及机器人具体使用条件来评估。如果工具系统和工件系统的总质量超出了机器人厂商规定的额定载荷，机器人作业轨迹会发生偏移，机器人各轴本体会发生不同程度的变形[1]。

图2 六轴串联式工业机器人本体及坐标系

3.1.2 刚体系统的广义力学原理

对刚体而言，牛顿经典力学原理证实了力是改变物体（这里指工具系统和工件系统）运动的原因。如果需要平移这个物体，就需要平衡该物体自身的重力，及其产生的重力矩。

当需要转动该物体时，还需要克服物体转动的惯性（惯性是指物体保持静止或其回转运动的固有特性）。物体绕轴转动的惯性大小，用转动惯量量度。转动惯量只取决于刚体的形状、质量分布和旋转轴的位置，而与刚体绕轴的转动状态（如角速度的大小）无关。刚体转动惯量的测算依据是平行轴定理和垂直轴定理[4]。

3.2 构建评估模型

为了简要分析说明，构建机器人单轴（例如腕部J6轴）与工具系统机械连接的力学模型，如图3所示。

图3 单轴负载力学模型

建立坐标系Oxyz，固连于图示的腕部J6轴前端O点。J6轴与工具系统固连于Om点，并且与z轴重合。

工具系统的重力矩M计算如下。

式中，m为工具系统的质量；g为重力加速度；L为工具系统重力力臂。

工具系统绕z轴的转动惯量计算如下。

式中，m为工具系统的质量，r为旋转半径。

在图3表示的模型中，工具系统重力力臂L与旋转半径r相等，因此公式（2）转化如下。

3.3 评估技术指标系统

由于线体集成商和机器人厂商的评估标准还存在不一致的情况，需要找到机器人负载的评估指标，进而规范机器人的负载评估及选型工作。

机器人可用负载的评估主要有3项技术指标：工具质量百分比p、重力矩M和单轴转动惯量I。除此之外，工具系统相对于机器人默认工具坐标系（TCP0）[5]的重心矢量也需要关注，在欧几里得空间中一般以G（Gx，Gy，Gz）表示。

工具质量百分比是指工具系统的总质量与某规格机器人额定负载质量的比值。例如工具系统的质量为140 kg，选用额定负载质量为200 kg规格的机器人时，p值为70%。注意p值判定的前提是，工具系统的重心处于额定负载所设定的空间可行域范围之内。

为了将工具质量百分比p、重力矩M和单轴转动惯量I的参数同时展现在一张图表中，需要分别将M和I的估算值与机器人腕部轴的标称值的比值作为观测指标。

3.4 评估测算步骤

机器人可用负载包括实际装配工具的有效负载及管线包组件的附加负载2部分。考虑到这2部分负载对机器人位置精度和作业效率的影响，及其对机器人J4-J6轴构成的腕部轴的影响，负载评估需要运用正确的测算工具，准确的输入数据及规范的评估步骤，才能得出接近实际工况的可用负载。评估机器人可用负载时，应先测算机器人工具系统的质量百分比技术参数，评估使之处于合理区间；然后测算机器人臂部轴上附带的管线包附加质量对机器人关节轴组的影响，提前识别负载超限的风险。

3.4.1 测算工具

机器人负载的评估工具一般可借助于机器人厂商提供的软件及图表。使用这些工具之前，需要估算出准确的输入数据。得到这些输入数据后，按照软件或图表的指导要求，才能得出接近实际运行状态的数据结果。

对于Y品牌机器人负载的评估，主要是针对腕部轴（J4～J6轴进行），可以通过负载曲线图、计算表格及软件评估。管线包评估需要咨询厂商技术人员。

A品牌机器人通过软件评估负载时，可以评估J2～J6轴的重力矩比值和J5～J6轴的转动惯量比值。管线包负载在咨询厂商技术人员后，可以输入软件一并测出。负载测算报告中缺乏J4轴的转动惯量结果，即J4的评判结果，需要机器人制造商更新软件包。

3.4.2 评估具体步骤

步骤1：仿真得出工具在机器人机械原点（TCP0）的安装位姿。

仿真环境中将机器人置为HOME位（机械原点），得出工具（焊钳或抓手）系统在机器人末端的安装位姿，如图4所示。

图4 工具系统的安装位姿

如果没有按照此步骤做，测出的负载一般会使J4轴和J5轴的转动惯量值颠倒，从而不能正确地反映机器人轴组的负载结果。

步骤2：机械设计人员测算或读取工具设计数据，输入给仿真人员测算负载。

a.在CATIA等3D设计环境中的原点上插入轴系，使机器人TCP0坐标系的坐标方向与轴系的3个坐标方向重合。然而不同品牌的机器人，其TCP0的方位各有不同，需要首先确认。

b.将抓手和零部件的数模导入，其方位按照步骤1中的仿真位姿调整完毕。

c.将抓手构件和零部件赋以相关的材料数据，如铁和铝等材料的物理参数。

d.抓手结构的设计人员将抓手和工件的质量、重心及转动惯量数据，输出给仿真人员。焊钳的质量、重心及转动惯量数据需要从焊钳制造商的图纸说明中读取或转换。快换盘的输入数据也需要从生产商的设计图表中读取。

在此步骤中，常见的问题是工具的方位坐标没有以机器人末端法兰端面中心点的坐标系（简记为TCP0）为参照进行转换，因而会导致测算不准。

步骤3：仿真人员梳理收到的数据后，测算负载数据，并且判别超载风险。

在3D设计软件中，抓手的构件分别赋以相关的材料数据后，可以称重得出抓手的质量、重心及转动惯量数据。

图5所示为三维设计软件CATIA中称重得出的数据结果，需将图中右侧框中的数据作为输入信息，输入到机器人负载测算软件中。这里不建议将图中的重心主惯量矩[M1,M2,M3]的数据填入负载测算软件中。

图5 抓手的称重数据

追加管线包对J3轴的附加质量后，得到的机器人可用负载结果如图6所示。

图6 机器人抓手负载结果

焊钳及快换盘的质量、重心及转动惯量数据从焊钳制造商的图纸说明中直接读取后，还需要将其方位坐标以机器人坐标系TCP0为参照进行比对、转换，之后测算得出负载评估结果。

3.4.3 管线包加载模型

加载机器人管线包质量时，特别是加载到腕部轴和J3轴的附加质量，当评估的负载指标接近标准的阈值时，会对机器人负载能力评估有显著的影响。建立机器人管线包质量加载的力学模型就很有必要，如图7所示。

图7 管线包质量加载模型

图中，m1是管线包支撑机构的集中质量，m2是管线包线缆的集中质量，m3是管线包支撑环的集中质量，质心位置需要根据管线包厂商的图纸或数模测量得出。

3.5 机器人型谱选型

对某一确定规格的机器人，其有效负载与工具系统的重心位置强相关。工具系统的设计重心在TCP0坐标系中的方位和坐标位置，可参考图6中的负载曲线图。

机器人负载评估及选型方案确定时，机器人规格也是非常重要的考量。重复定位精度在0.3 mm以下的，额定负载规格在150 kg以上的双品牌六轴工业机器人型谱如图8所示。图中可以看出，Y品牌和A品牌额定负载在[150,235]kg区间的机器人分布比较密集。Y品牌在500 kg（第11号）和800 kg（第13号）的规格上没有满足区分条件的机器人对应，而A品牌在800 kg以上也没有对应。

图8 双品牌机器人额定负载比较

4 改善实践案例

通过如下技术措施解决及改善图1所示问题。

a.清洗相关构件，更换轴承及传动轴。

b.对焊钳及抓具进行轻量化设计。

c.优化机器人和凸焊机的相对位置布局，并调整优化焊接机器人的作业姿态。

4.1 搬运机器人有效负载改善

新车型X融入地板前部自动线中，由于焊接分总成的设计尺寸和质量变大，搬运机器人260 kg机器人的评估负载，出现预警。图9为地板前部抓手的机械安装位姿。经过软件的称重计算，得出机器人坐标系TCP0下的工具系统重心矢量G（18.0，0.5，309.5）mm，转动惯量I（66.09,93.13,120）kg·m2。

图9 抓手的安装位姿

根据测算分析，在不考虑抓手质量预留的情况下，机器人的工具质量百分比已达到96%，已经很接近机器人的额定负载。而且机器人J4-J6轴的转动惯量均已超限，其各自的百分数为100%，118%，133%，需要立即采取技术措施。

图11 更换完成的搬运机器人

经过技术方案论证，需要更换腕部轴许用转动惯量更大的机器人，原有260 kg机器人通过办理利旧手续，移至其它小负载的工位上。在项目实施中，新采购400 kg的机器人替换了原有机器人，解决了J4-J6轴转动惯量超限的问题，如图10所示。测算的结果即使考虑抓手的质量预留15 kg，也完全胜任此搬运工位的工作负载（p=66%，Mmax=53%，Imax=38%）。

图10 抓手测算结果对比

在这个案例中，通过提升机器人规格（260 kg提升为400 kg），提高了该生产线的改造裕量，同时也从根本上避免了搬运机器人可用负载裕量不足或负载超限的情况，延长了机器人的使用寿命。

4.2 焊接机器人有效负载改善

自动焊接工位的改造中，机器人的负载也会出现风险预警。本案例发生在地板总成补焊工位左右两侧的2台机器人（200 kg）上。焊钳的机械安装位姿如图12所示。

图12 R12机器人工具装配姿态

经过软件的称重计算，得出机器人TCP0下的工具系统重心矢量G（-313.5，-167.1，345）mm，转动惯量I（23.95,37.95,31.7）kg·m2。

从分析测算结果(图13)来看，机器人工具侧的焊钳工具质量百分比为80%，比较理想。但是机器人J5轴的转动惯量的百分数为91%，已超出设定目标85%，需要立即制定技术方案改进。

图13 焊钳测算结果对比

该方案实施后，尽管J4和J5轴的重力矩较大，但是通过提升机器人规格（200kg提升为215 kg）的办法，改善了机器人J5轴作业的动态负载能力，提高了该生产线工位的负载改造裕量，同时也消除了工位上焊钳抖动及电机异响现象。需要提及的是，本案例的机器人规格提升是利用了原有闲置的2台搬运机器人，通过改造其系统配置实现的。同时还优化了改造焊钳的重心与J5轴在Z向的距离（Gz减小60 mm）。

图14 更换完成的机器人

在解决以上问题的过程中，锻炼了内部工程人员负载分析及评判的专业能力，也增强了整车厂、线体商及机器人供应商多方技术管理人员的响应和协作能力。

5 预防经验应用

发现问题是改进负载评估工作的机会。以问题为导向，解决问题，总结经验，预防再发并持续改进是工程技术人员的不断追求和价值体现。

更重要的是，这项工作也要以工艺的先期规划设计为主线，完善机器人选型和引进的准入程序，充实相关的管理机制和技术依据，力争从前期的负载评估环节中杜绝这些典型问题再发。

5.1 前期横展应用

截止到目前，在焊装工艺生产准备的项目中，采用本评估方法，识别出机器人可用负载的重要风险共132项，其中采取技术改进措施的已经达到111项，其余21项需交由工厂设备保全工程师通过预测性维护技术加以监控。

5.2 标准化预防

从问题解决逻辑来看，标准化的应用意义重大。问题解决取得初效后，工程技术团队成员从问题起因出发，对车型项目实施提出了具体的技术及管理要求。例如，在先期机器人采购或改造之前，整车厂工程技术人员须对负责区域的初版机器人清单（含负载能力报告）、初版抓手及焊钳清单进行逐一确认。原有机器人其对应的工具系统改造时，负载能力目标阈值上限推荐为（85%,90%,90%）。同时对新采购的标准六轴串联型工业机器人，不论品牌，其可用负载的3项技术指标（工具质量百分比p、单轴转动惯量百分比、重力矩百分比）的目标阈值上限（80%,85%，85%），推荐为机器人单轴的可用负载上限。这样就可以较好地提高生产线机器人的可用负载裕量，提升机器人系统运行的可靠度，以及自动生产线融入新车型的柔性。

同时，对外部的仿真及设计人员，编制了操作指导书，在工艺设计起初通过多方会签机制及问题清单跟踪解决遇到的各种具体问题。

5.3 精益化预防

在机器人负载评估过程中，精益化的技术管理能够将评估工作做得更有效、更扎实。

在工艺方案规划阶段，提出了搬运机器人布局的边界，机器人A品牌水平臂展建议不超出2 800 mm，Y品牌机器人水平臂展建议不超出2 942 mm。因为这样可以解决机器人臂展大和额定负载小的矛盾。

在工装结构设计阶段，收集梳理了同平台参考车型的工装数据图表，为选型版机器人负载评估报告提供充分的技术依据，便于及时准确地开展评估工作。

5.4 知识化预防

为了让工程技术团队成员快速地掌握机器人可用负载评估技能，克服团队成员的学科背景不一的困难，作者将遇到问题的解决方案及时总结成培训材料，与成员分享、讨论、探究，并同时交流想法意见，不断改进。

6 结束语

生产现场是实践真知的第一场所。根据现场生产线中遇到的机器人负载问题，从问题发生的原因和技术原理进行具体解析，制定问题解决措施，并在实际改善中落实。

通过对Y和A两种品牌机器人的负载测算过程的梳理，提出了机器人腕部轴可用负载是由有效负载和附加负载组成的基本判断；归纳总结了单关节轴可用负载评估的基本模型和管线包加载模型，以及可用负载评估的方法步骤；同时也指出了评估过程中一些常见的不足。

在机器人可用负载的实际案例分析的基础之上，围绕新改车型项目的焊装工艺规划设计，梳理了机器人作业负载评估的横向展开做法，并且提出了机器人可用负载评估的标准化、精益化和知识化的预防性建议，以点带面地推动该负载评估工作的持续开展和进一步落实。

车身焊装专业的机器人使用点位较多，需要工程技术团队和合作伙伴共同付出努力，才能达成机器人可用负载评估的预设目标。