点焊机器人

关于点焊机器人的初步研究

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。焊接机器人是应用最广泛的一类工业机器人，在各国机器人应用比例中大约占总数的40％～60％。

1.焊接机器人的发展

随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。而人工焊接时，由于受到技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限等客观和主观因素的应影响，难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性。而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少，熟练的技术工人更有短缺的趋势。另一方面，电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化提供了有利的条件，并已渗透到焊接的各个领域。

采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化新方式。焊接机器人的主要优点如下：（1）易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；

（2）提高生产率，一天可 24h 连续生产；

（3）改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；

（4）降低对工人操作技术难度的要求；

（5）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；

（6）可实现小批量产品焊接自动化；

（7）为焊接柔性生产线提供技术基础。

因此，焊接机器人也愈来愈受青睐，点焊机器人便是广泛应用的焊接机器人之一。

2.点焊机器人

2.1点焊机器人概述

点焊机器人【spot welding robot】是用于点焊自动作业的工业机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命

令进行工作。

焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。

2.2点焊机器人的用途

点焊机器人的典型应用领域是汽车工业。一般装配每台汽车车体大约需要完成3000—4000个焊点，而其中的60％是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达150台。汽车工业引入机器人已取得了下述明显效益：改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量：提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱。

最初，点焊机器人只用于增强焊点作业( 往已拼接好的工件上增加焊点 ) 。后来，为了保样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有：安装面积小，工作空间大；快速完成小节距的多点定位( 例如每0.3～0.4s 移动30～50mm 节距后定位 ) ；定位精度高( ±0.25mm) ，以确保焊接质量；持重大(300～1000N) ，以便携带内装变压器的焊钳；示教简单，节省工时；安全可靠性好。

2.3点焊机器人的分类

表1 列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电动机驱动方向过渡，随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面日新月异；在机型方面，尽管主流仍是多用途的大型 6 轴垂直多关节机器人，但是，出于机器人加工单元的需要，一些汽车制造厂家也进行开发立体配置 3 ～ 5 轴小型专用机器人的尝试。

表1 点焊机器人的分类

分类特征用途

垂直多关节型（落地式）工作空间/安装面积之比大，持重多数

为1000N左右，有时还可以附加整机移

动自由度主要用语增强焊点作

业

垂直多关节型（悬挂式）工作空间均在机器人的下方车体的拼接作业

直角坐标型多数为3、4、5轴，适合于连续直线焊

缝，价格便宜

定位焊接用机器人（单向

加压）能承受500KG加压反力的高刚度机器

人。有些机器人本身带加压作业功能

车身底板的定位焊

2.4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，工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，因为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。

2.5点焊机器人的规格及主要技术指标

典型点焊机器人的规格：以持重1000N ，最高速度 4m／s 的6轴垂直多关节点焊机器人为例。由于实用中几乎全部用来完成间隔为30～50mm 左右的打点作业，运动中很少能达到最高速度，因此，改善最短时间内频繁短节距起、制动的性能是本机追求的重点。为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重量，增加驱动系统的输出力矩。同时，为了缩短滞后时间，得到高的静态定位精度，该机采用低惯性、高刚度减速器和高功率的无刷伺服电动机。由于在控制回路中采取了加前馈环节和状态观测器等措施，控制性能得到大大改善，50mm 短距离移动的定位时间被缩短到0.4s 以内。

一般关节式点焊机器人本体的技术指标，见表2 。