焊接機(jī)器人生產(chǎn)中的質(zhì)量控制

　　焊接機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)為我們提供了很好的生產(chǎn)工具，但這并不意味著我們一定可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接生產(chǎn)。焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，通過(guò)近10年的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我覺(jué)得以下幾個(gè)方面的工作不容忽視：

　　建立并培養(yǎng)一個(gè)具有機(jī)器人技術(shù)素養(yǎng)的隊(duì)伍

　　焊接機(jī)器人工程是機(jī)電一體化技術(shù)的濃縮，其中包含了機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、焊接技術(shù)等。人機(jī)對(duì)話是“指令”和“傳感”的交流，它的發(fā)展依賴(lài)于傳感技術(shù)的發(fā)展。期望一個(gè)企業(yè)培養(yǎng)的技術(shù)人才是不現(xiàn)實(shí)的，但是焊接機(jī)器人的應(yīng)用狀況又確實(shí)與這些人的技術(shù)素養(yǎng)相關(guān)。所以，我認(rèn)為機(jī)器人用戶可以建立一個(gè)服務(wù)于機(jī)器人應(yīng)用的隊(duì)伍，在這個(gè)隊(duì)伍中，可以分為機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)管理、焊接工藝和機(jī)器人作業(yè)程序調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作等幾類(lèi)人員，各司其職，各負(fù)其責(zé)。

　?。?）機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)管理人員主要負(fù)責(zé)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)及管理、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，以挖掘機(jī)器人的工作能力為目的。

　?。?）焊接工藝和機(jī)器人作業(yè)程序調(diào)試人員主要負(fù)責(zé)機(jī)器人作業(yè)程序的管理工作，焊接機(jī)器人應(yīng)用的目的是為焊接生產(chǎn)服務(wù)，焊接工藝員對(duì)焊接品質(zhì)的把握是機(jī)器人焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在，他的職責(zé)是讓機(jī)器人成為他得心應(yīng)手的工具，把他的焊接思路完整地傳達(dá)給機(jī)器人。傳感結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳輸給機(jī)器人控制，由控制器發(fā)出指令對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

　?。?）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作人員的主要工作雖然是裝卸工件，但僅有這些是不夠的，還必須要有自己的判斷能力，并且能夠?qū)⒑附訖C(jī)器人工作過(guò)程中的表現(xiàn)準(zhǔn)確及時(shí)地反饋給機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)管理人員，包括焊接工藝和機(jī)器人作業(yè)程序調(diào)試人員，這樣有利于設(shè)備一旦出現(xiàn)故障時(shí)立即做出準(zhǔn)確判斷，制訂故障解決方案，為恢復(fù)生產(chǎn)搶得時(shí)間。焊接機(jī)器人構(gòu)造及功能下面就以我公司使用的德魯斯DRW3110F-40型焊接機(jī)器人（見(jiàn)圖1）為例，簡(jiǎn)要介紹一下機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)及主要功能。

焊接是高速列車(chē)制造過(guò)程中和基本的工藝方法。近10年來(lái)，進(jìn)口機(jī)器人的價(jià)格大幅度降低，從每臺(tái)7-8萬(wàn)美元降低到2-3萬(wàn)美元，使我國(guó)自行制造的普通工業(yè)機(jī)器人在價(jià)格上很難與之競(jìng)爭(zhēng)。隨著列車(chē)高速化和輕量化， 各部件的服役環(huán)境惡化， 對(duì)車(chē)體和轉(zhuǎn)向架的焊接技術(shù)提出了更高的要求。采用焊接機(jī)器人工作站或自動(dòng)焊接專(zhuān)機(jī)是提高和穩(wěn)定焊接質(zhì)量的重要途徑， 而且隨著勞動(dòng)力成本的提高， 機(jī)器人焊接的成本優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。

《智能制造科技發(fā)展 “十二五” 專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》 指出：“中國(guó)已是世界第二大經(jīng)濟(jì)體和制造業(yè)大國(guó)， 但自主能力薄弱、 先進(jìn)裝備貿(mào)易逆差嚴(yán)重、 裝備與智能裝備嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口， 嚴(yán)重制約我國(guó)制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展?？梢钥吹剑?dāng)工件位置不同時(shí)，激光光斑成像在CCD上的位置是不同的。而智能制造技術(shù)是世界制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向之一” 。近年來(lái)， 我國(guó)高速鐵路和高速列車(chē)發(fā)展迅猛， 獲得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科技成果。但是， 我國(guó)高速列車(chē)制造過(guò)程與國(guó)外高速列車(chē)生產(chǎn)現(xiàn)狀還有一定差距， 行業(yè)中的裝備和智能裝備依賴(lài)進(jìn)口。走智能制造的道路也是我國(guó)未來(lái)高速列車(chē)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

智能制造終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) “設(shè)計(jì)過(guò)程、 制造過(guò)程和制造裝備智能化”， 包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的數(shù)字化，制造過(guò)程中的傳感信息化和網(wǎng)絡(luò)化， 制造裝備的數(shù)字化和智能化。焊接機(jī)器人由示教再現(xiàn)型向智能型發(fā)展，增強(qiáng)其柔性和適應(yīng)性，傳感器是必不可少的。其中， 制造裝備的智能化是實(shí)現(xiàn)整體制造智能化的前提和基礎(chǔ)。在所有的智能化制造裝備中， 機(jī)器人無(wú)疑是柔性制造自動(dòng)化的集中體現(xiàn)。而在高速列車(chē)的生產(chǎn)中， 焊接又占據(jù)了相當(dāng)大的比重， 焊接機(jī)器人必然在高速列車(chē)智能制造中發(fā)揮重要作用。本文在分析焊接機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，給出其在高速列車(chē)制造行業(yè)中的應(yīng)用前景。

焊接機(jī)器人研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、 控制論、 機(jī)構(gòu)學(xué)信息和傳感技術(shù)、 人工智能、 仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)， 是當(dāng)代研究十分活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人焊接在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用僅限于前期在車(chē)間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)部件的組裝連接，如圖1所示，例如H柱、梁、箱型柱、U形肋、板肋板單元和橫隔板單元的組裝連接等。近十幾年來(lái)， 隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)快速發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。為了更好地完成焊接任務(wù)， 機(jī)器人生產(chǎn)廠商在機(jī)器人本體上做了相應(yīng)的調(diào)整。機(jī)器人所采用材料開(kāi)始轉(zhuǎn)向鋁、 不銹鋼、 高強(qiáng)鋼， 所使用的板材也越來(lái)越薄。使用材料的變化在保證剛度的前提下， 減少了機(jī)器人自身的質(zhì)量， 降低了成本。目前市場(chǎng)上機(jī)器人的售價(jià)越來(lái)越低， 性價(jià)比越來(lái)越高， 各個(gè)機(jī)器人廠商紛紛推出了 11~13 萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)型弧焊機(jī)器人。

焊接機(jī)器人工作站上使用主要為了實(shí)現(xiàn)三類(lèi)功能

目前， 這類(lèi)激光傳感器在焊接機(jī)器人工作站上使用主要為了實(shí)現(xiàn)三類(lèi)功能：

（ 1 ） 初始焊位引導(dǎo)， 也稱(chēng)為焊縫搜索或接頭搜索。機(jī)器人所采用材料開(kāi)始轉(zhuǎn)向鋁、不銹鋼、高強(qiáng)鋼，所使用的板材也越來(lái)越薄。由于裝配誤差， 可能引起焊縫位置的變化。此時(shí)如果仍然按照原示教結(jié)果進(jìn)行焊接， 可能會(huì)出現(xiàn)焊偏現(xiàn)象。焊縫搜索是利用一次或多次搜索定位焊縫， 在焊接前平移機(jī)器人的編程路徑， 確保焊縫地熔敷在接頭上的過(guò)程。用于焊接機(jī)器人的焊縫搜索定位系統(tǒng)， 包括點(diǎn)式及條紋式的激光傳感器，適用于不同項(xiàng)目需求。

（ 2 ） 焊接過(guò)程中對(duì)焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。其功能是在焊接過(guò)程中自動(dòng)檢測(cè)并自動(dòng)調(diào)節(jié)焊槍的位置，以便于始終跟隨焊接位置進(jìn)行焊接，焊槍與工件之間的距離始終保持恒定，從而確保了焊接質(zhì)量，提高了焊接效率并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。焊縫跟蹤也稱(chēng)為接頭跟蹤， 是指在焊接位置前方進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。這不僅可以校正機(jī)器人或?qū)C(jī)的軌跡， 而且可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制， 例如通過(guò)調(diào)整電壓、 送絲速度或行走速度來(lái)改變焊縫成形。利用激光焊縫跟蹤傳感器在焊槍之前實(shí)時(shí)地檢測(cè)焊縫三維空間位置和曲面曲率， 并將此信息發(fā)送給機(jī)器人控制器， 引導(dǎo)焊槍移動(dòng)。

（ 3 ） 焊后質(zhì)量檢測(cè)。利用激光傳感器的三維信息獲取能力， 可以對(duì)焊后的焊縫成形質(zhì)量和缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)成形不良、 咬邊等缺陷。

值得注意的是， 目些機(jī)器人廠商， 如 OTC ，MOTOMAN 等， 已經(jīng)開(kāi)始著手研制用于所產(chǎn)機(jī)器人的激光焊縫跟蹤傳感器。電弧跟蹤傳感優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，不用附加另外的傳感裝置，但它只適用于熔化極焊接場(chǎng)合。將來(lái)焊縫跟蹤激光傳感器將與焊接機(jī)器人協(xié)同工作得更好。先進(jìn)的激光焊縫跟蹤傳感器不僅能夠感知被測(cè)點(diǎn)的三維位置， 還能夠擬合出工件的曲率， 從而不僅調(diào)節(jié)焊槍位置， 還可以幫助調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)， 如圖 4 所示。這樣在激光焊縫跟蹤傳感器的幫助下， 有可能完全省去示教步驟， 從而大大提高工作效率。目前， 焊縫跟蹤傳感器還是非?；钴S的領(lǐng)域之一， 多條紋激光光源、 錐形激光光源等都有研究和應(yīng)用。所適用的焊接過(guò)程也從原來(lái)的單道焊接擴(kuò)展到多層多道焊的焊縫跟蹤， 對(duì)于高反光的鋁合金材料焊接， 也能夠?qū)崿F(xiàn)有效跟蹤。