【技術(shù)應(yīng)用】機(jī)器人在車身焊裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

［摘要］：主要分析了機(jī)器人在車身焊裝生產(chǎn)線中的作用和應(yīng)用中存在的主要問題。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用情況的分析，得知工業(yè)機(jī)器人在汽車工業(yè)發(fā)展中，尤其在車身焊裝生產(chǎn)中起到重要作用；目前機(jī)器人在車身焊裝生產(chǎn)中的應(yīng)用還存在諸多問題。預(yù)計(jì)工業(yè)機(jī)器人在汽車工業(yè)中的作用日益突出，應(yīng)用中存在的問題也將逐步得到解決。

［關(guān)鍵詞］：工業(yè)機(jī)器人；焊接機(jī)器人；焊裝生產(chǎn)線

1引言

依據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自2000年以來(lái)，中國(guó)汽車產(chǎn)銷量年均增長(zhǎng)率超過20%，遠(yuǎn)高于全球平均增長(zhǎng)率；而且年生產(chǎn)量占全球汽車生產(chǎn)量的比重持續(xù)上升，2009年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量超過美國(guó)，成為全球汽車工業(yè)產(chǎn)銷量第一的國(guó)家；根據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)汽車消費(fèi)市場(chǎng)仍會(huì)以較快的速度增長(zhǎng)。

汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)對(duì)汽車生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求，催生工業(yè)機(jī)器人在汽車制造業(yè)中得到深入廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年國(guó)內(nèi)廠家所生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。目前，國(guó)際上工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用范圍已很廣泛，現(xiàn)已從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)。但汽車工業(yè)仍是工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)了解，美國(guó)60%的工業(yè)機(jī)器人用于汽車生產(chǎn)，全世界用于汽車工業(yè)的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到總用量的37%，用于汽車零部件的工業(yè)機(jī)器人約占24%。

汽車工業(yè)生產(chǎn)中采用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，不僅可以節(jié)約人力，降低成本，提高設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，更重要的是它可以保障工人安全，改善工作條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。

2機(jī)器人在車身焊接生產(chǎn)線中的作用

工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中的沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大生產(chǎn)工藝過程中都有廣泛應(yīng)用，具體在汽車車身焊裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用主要有：點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)、裝配、檢測(cè)等。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為具有柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的主要自動(dòng)化工具。在發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套裝備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來(lái)的發(fā)展方向。

2.1工件焊接

工件焊接是目前最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。由于汽車制造業(yè)對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等指標(biāo)提出越來(lái)越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時(shí)的火花及煙霧等，對(duì)人體造成危害，因此，焊接過程的完全自動(dòng)化已成為重要的研究課題，其中，最為重要的就是要應(yīng)用焊接機(jī)器人。現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中，各種焊接工藝和過程都可以使用工業(yè)機(jī)器人來(lái)執(zhí)行，以取代使用工人在實(shí)際惡劣的焊接環(huán)境下工作。機(jī)器人在點(diǎn)焊和弧焊過程中的應(yīng)用最為廣泛，在其他一些工藝焊接過程中的應(yīng)用還處在起步或摸索的階段。

2.2工件夾持

在汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域，機(jī)器人除了在焊接工藝過程中有主要應(yīng)用之外，還在工件加持定位中有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)汽車車身焊接生產(chǎn)的焊裝車間中，要實(shí)現(xiàn)車身工件高質(zhì)量的焊接，就要求必須對(duì)焊接過程進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，一方面要求焊接機(jī)器人對(duì)焊鉗的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確控制，另一方面要求各種夾具對(duì)待焊接工件進(jìn)行夾持定位。夾具種類很多，大部分的專用夾具只能用來(lái)實(shí)現(xiàn)非移動(dòng)工件的定位，但不能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工件的定位，這需要采用夾持機(jī)器人（一種將工業(yè)機(jī)器人同小型夾具結(jié)合起來(lái)的，具有實(shí)現(xiàn)工件的定位和運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)器人）才能實(shí)現(xiàn)。

2.3工件搬運(yùn)

在汽車車身焊裝生產(chǎn)車間，焊接前物料的搬運(yùn)與轉(zhuǎn)移是一項(xiàng)很繁瑣的任務(wù)，這大部分都由專用叉車來(lái)完成，但專用叉車做的工作主要是將大量工件從儲(chǔ)存車間搬運(yùn)到焊裝生產(chǎn)線的兩側(cè)，將工件從生產(chǎn)線的兩側(cè)搬運(yùn)到生產(chǎn)線上的焊接夾具上以及工件在順序工位夾具上的傳遞工作都需要由動(dòng)作靈活的工業(yè)機(jī)器人來(lái)完成，這不僅提高了生產(chǎn)效率，又減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在自動(dòng)化程度較低的車身焊裝生產(chǎn)車間里，這項(xiàng)工作都要通過人工來(lái)完成。

2.4焊點(diǎn)檢測(cè)

為了保證車身的整體焊接質(zhì)量，在車身焊接的過程中或整個(gè)焊接工作完成之后，需要對(duì)車身上的一些重要部位的焊縫進(jìn)行檢查，又稱焊縫檢測(cè)。焊縫位置和形狀的復(fù)雜性給檢測(cè)工具的適應(yīng)性提出了要求。在自動(dòng)化程度很高的焊裝生產(chǎn)線上，可以使用動(dòng)作靈活的機(jī)器人代替工人攜帶專用的檢測(cè)裝置進(jìn)行焊縫檢測(cè)，一般的機(jī)械裝置就很難像機(jī)器人那樣執(zhí)行這一任務(wù)。

3焊接機(jī)器人的作用

焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的本體獨(dú)立，動(dòng)作自由度多，程序變更靈活、自動(dòng)化程度高、柔性程度極高的先進(jìn)焊接設(shè)備，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人，具有多功能、重復(fù)精度高、焊接質(zhì)量高、抓取重量大、運(yùn)動(dòng)速度快、動(dòng)作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

汽車工業(yè)對(duì)產(chǎn)品制造批量化、高效率和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一致性的需求，使焊接機(jī)器人生產(chǎn)方式在汽車生產(chǎn)制造過程中獲得了廣泛應(yīng)用，最突出的是焊接機(jī)器人在汽車焊裝生產(chǎn)上的應(yīng)用，可以說(shuō)，機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)汽車焊接生產(chǎn)線柔性化的關(guān)鍵。

目前典型的焊接機(jī)器人系統(tǒng)有焊接機(jī)器人工作站、焊接機(jī)器人生產(chǎn)線和焊接專機(jī)。從汽車工業(yè)的焊接發(fā)展趨勢(shì)看，焊接生產(chǎn)線將向自動(dòng)化和柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展。焊裝生產(chǎn)線是由焊接設(shè)備、工裝夾具、傳輸系統(tǒng)和自動(dòng)控制等部分組成。從整體與部分功能之間的關(guān)系說(shuō)，生產(chǎn)線的整體柔性程度由各組成部分的柔性程度所決定，其中焊接設(shè)備的柔性是決定焊裝生產(chǎn)線柔性程度的關(guān)鍵。因焊接機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品要求具有高度的適應(yīng)性和諸多優(yōu)點(diǎn)，焊接機(jī)器人生產(chǎn)方式成為焊接設(shè)備柔性化的最佳選擇。是否采用焊接機(jī)器人是焊裝生產(chǎn)線柔性程度的重要標(biāo)志之一。

4焊接機(jī)器人應(yīng)用中的焦點(diǎn)問題

雖說(shuō)焊接機(jī)器人在汽車制造生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，不僅汽車焊接質(zhì)量得到了極大改善，而且有效提高了企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)效率。但目前焊接機(jī)器人在汽車制造生產(chǎn)中的應(yīng)用仍有諸多問題有待解決，以下就幾個(gè)方面的問題做一討論。

4.1焊接機(jī)器人在線示教問題

對(duì)于示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人而言，如果在焊接時(shí)發(fā)生焊接位置偏移，必須停止機(jī)器人乃至整個(gè)生產(chǎn)線的工作，進(jìn)行機(jī)器人在線示教后再現(xiàn)運(yùn)行，這個(gè)工作現(xiàn)在需要占用大量的生產(chǎn)時(shí)間。這類問題還需進(jìn)一步研究解決。

4.2焊接機(jī)器人焊縫跟蹤問題

目前，生產(chǎn)中所用的示教再現(xiàn)型弧焊機(jī)器人在進(jìn)行弧焊時(shí)，大多數(shù)情況是不能對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的跟蹤反饋，而實(shí)際焊縫與示教所用樣本焊縫必然存在著細(xì)微的差異，這樣焊縫質(zhì)量就難以得到保證。這類問題還需進(jìn)一步研究解決。

4.3焊接機(jī)器人失位校正問題

目前市場(chǎng)上所應(yīng)用的多數(shù)機(jī)器人產(chǎn)品，其軸的失位校正過程均需耗費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)于流水化的自動(dòng)生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，其停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。這類問題還需進(jìn)一步研究解決。

4.4焊接機(jī)器人電器故障

焊接機(jī)器人本體的機(jī)械可靠性相當(dāng)高，本體出現(xiàn)機(jī)械故障的概率極小。相比之下，機(jī)器人的電器控制系統(tǒng)的電器故障率卻非常高，最容易出現(xiàn)故障的部分是驅(qū)動(dòng)器的電路及元器件，此外接插件的故障頻率也相當(dāng)高。目前國(guó)際上的機(jī)器人控制電路集成化程度越來(lái)越高，控制技術(shù)的不斷進(jìn)步已使控制部分故障率大為降低。但對(duì)于汽車制造中的環(huán)境惡劣、作業(yè)強(qiáng)度極大、電壓波動(dòng)較大的焊接作業(yè)來(lái)說(shuō)，還需進(jìn)一步研究解決。

4.5焊接機(jī)器人安全使用

汽車車身焊裝生產(chǎn)線上的焊接機(jī)器人數(shù)量很大，有時(shí)在一個(gè)焊裝工位上就有多個(gè)焊接機(jī)器人，為了節(jié)省時(shí)間提高效率，同一工位上的多個(gè)機(jī)器人并行工作同時(shí)運(yùn)行。因信號(hào)交換失誤而出現(xiàn)的機(jī)器人與機(jī)器人碰撞、機(jī)器人與其它設(shè)備或障礙物碰撞的事故時(shí)有發(fā)生。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)目前機(jī)器人控制系統(tǒng)在處理信號(hào)交換時(shí)，都采用外部I/O信號(hào)來(lái)交換彼此的工作狀態(tài)，信號(hào)檢測(cè)還只是以一個(gè)"點(diǎn)"的方式測(cè)量，即在某一運(yùn)動(dòng)程序行中，確認(rèn)某一個(gè)交換信號(hào)是否存在來(lái)決定機(jī)器人是否繼續(xù)下面的工作，而不是在一個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域中持續(xù)檢測(cè)其它障礙物或機(jī)器人狀態(tài)，這樣，一旦檢測(cè)過程結(jié)束而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生錯(cuò)誤或信號(hào)交換不正常時(shí)，碰撞就發(fā)生了。這類問題還需進(jìn)一步研究解決。

4.6電路組態(tài)

目前所有知名汽車廠家的汽車車身焊裝生產(chǎn)線上都大量應(yīng)用了焊接機(jī)器人及其他自動(dòng)化設(shè)備，并通過離線編程以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與柔性化的車身焊裝生產(chǎn)。但帶來(lái)的問題是，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，軟管、電纜掉落的到處都是，很容易被進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的工作人員或器械鉤住，以致發(fā)生故障或事故。從集成觀點(diǎn)看，這是因?yàn)闆]能很好的進(jìn)行電路組態(tài)和建模。目前比較可行的解決方法是為機(jī)器人配備集成外罩，避免零部件線路外露隨處掉落的問題。但若要從根本上解決問題，還需在設(shè)計(jì)之初就做好組態(tài)和建模工作，這是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。

5結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。焊接機(jī)器人在高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。近年來(lái)，焊接機(jī)器人技術(shù)在焊縫跟蹤、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)等方面取得了許多成果，應(yīng)用中已經(jīng)出現(xiàn)的問題在逐步得到解決，但隨著新技術(shù)的引入，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還會(huì)有新的問題產(chǎn)生。文/安徽新華學(xué)院 湯傳業(yè)

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