焊接技術(shù)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

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摘要：現(xiàn)階段，焊接已成為使用最為普遍的連接方案，在航空航天行業(yè)、電子產(chǎn)品制造行業(yè)、機(jī)械加工制造行業(yè)及船舶制造行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。由于焊接作業(yè)的工作情況通常比較惡劣，焊接過(guò)程中焊槍發(fā)出的有毒有害氣體及隨之帶來(lái)的非常刺眼的弧光，極易使現(xiàn)場(chǎng)焊接工作人員的健康及安全受到嚴(yán)重的影響。所以，相關(guān)企業(yè)需要降低在焊接過(guò)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的健康和安全帶來(lái)的危險(xiǎn)及改善工作現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；焊接技術(shù)；工作安全

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的宏觀經(jīng)濟(jì)水平取得了非常迅猛的進(jìn)步，廣大民眾的生活品質(zhì)持續(xù)提升，然而隨著國(guó)內(nèi)人口結(jié)構(gòu)老齡化的情況日益嚴(yán)重，出現(xiàn)了因?yàn)楹附庸ぷ鳜F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，造成焊接行業(yè)的工人逐年流失的情況，這樣的情況與國(guó)內(nèi)的宏觀經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，焊接工作量顯著增加的實(shí)際狀況發(fā)生了較大的矛盾。為妥善應(yīng)對(duì)此種情況，滿足國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诤附庸ぷ魅找嬖黾拥男枨?。焊接機(jī)器人已經(jīng)逐漸被各類企業(yè)大量采用。焊接機(jī)器人與普通的焊接操作的工人對(duì)比，該類設(shè)備的工作模式相對(duì)比較單一，焊接工人具有全方位的工作能力，能借助本身在實(shí)際工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于待焊接的工件實(shí)施特定的加工操作及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行改造，進(jìn)而取得預(yù)期的工作成果。不過(guò)和焊接工人相比，焊接機(jī)器人也具有比較大的優(yōu)勢(shì)，能夠大幅度地提升焊接工作的效率，同時(shí)還能適應(yīng)焊接相關(guān)工程技術(shù)人員所處的環(huán)境。各類企業(yè)目前已經(jīng)在焊接操作的過(guò)程中普遍采用焊接機(jī)器人相關(guān)技術(shù)。伴隨著電子領(lǐng)域的加工技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人焊接技術(shù)在加工制造領(lǐng)域內(nèi)得到了顯著的發(fā)展。與此同時(shí)，對(duì)于焊接機(jī)器人的材料、結(jié)構(gòu)及高效的焊接加工實(shí)際需求得到了相關(guān)人員的普遍重視。能夠完成安全穩(wěn)定、高效率的焊接工作是目前焊接工作中機(jī)器人的價(jià)值所在，同時(shí)也是焊接機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究層面中需要面對(duì)的問(wèn)題之一。焊接行業(yè)中的機(jī)器人相關(guān)技術(shù)現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)處于比較重要的位置，對(duì)于宏觀經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型工作發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。

1焊接機(jī)器人技術(shù)的簡(jiǎn)介

焊接機(jī)器人是一種用于焊接工作（包含切割工序和噴涂工序）的工業(yè)用機(jī)器人設(shè)備。依照ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）對(duì)于工業(yè)用機(jī)器人歸類于標(biāo)準(zhǔn)化的焊接機(jī)器人的相關(guān)定義，工業(yè)機(jī)器人指的是一類用途非常廣泛、可以反復(fù)編寫(xiě)程序的自動(dòng)操控操作機(jī)械設(shè)備，通常情況下具備3個(gè)或者更多數(shù)量可編程的軸結(jié)構(gòu)，可以廣泛使用到工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域之中。為滿足各行各業(yè)的不同用途，機(jī)器人設(shè)備的一個(gè)軸的接口處通常是一個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)，可用于連接各種工具或者是末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。焊接機(jī)器人指的是位于工業(yè)機(jī)器人末軸法蘭連接上焊鉗部件或者焊（割）槍部件，讓其具備焊接功能，切割功能或者熱噴涂的功能。焊接機(jī)器人如圖1所示。

2焊接機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的分析與研究

2.1焊縫的自動(dòng)捕捉和自動(dòng)跟蹤相關(guān)技術(shù)

焊接機(jī)器人自動(dòng)捕捉焊接工件位置及工件焊縫的跟蹤相關(guān)技術(shù)上的探索，是有效提升焊接工作品質(zhì)的重要技術(shù)[1]。焊接機(jī)器人在焊接作業(yè)的進(jìn)程中，因?yàn)榧庸み^(guò)程及裝配過(guò)程中累積的各類誤差、焊接操作過(guò)程出現(xiàn)的弧光和輻射現(xiàn)象的影響、焊接火花飛濺及工件在施加焊接過(guò)程中的溫度分布不平衡，導(dǎo)致焊炬及焊縫出現(xiàn)了偏離的現(xiàn)象，使得焊接工作的最終品質(zhì)有所下降。焊縫的捕捉技術(shù)的實(shí)質(zhì)即為隨著焊接工況的改變而即時(shí)對(duì)于焊縫的情況進(jìn)行校驗(yàn)，捕捉并跟蹤焊縫的軌跡對(duì)焊縫實(shí)施準(zhǔn)確的定位工作。借助傳感裝置實(shí)現(xiàn)操控電壓及電流的效果，來(lái)完成焊槍對(duì)于設(shè)定的待焊接位置的焊接作業(yè)。伴隨著現(xiàn)階段互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步及數(shù)字技術(shù)在焊接領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，焊接相關(guān)跟蹤技術(shù)已經(jīng)步入了智慧化的階段。

2.2遠(yuǎn)距離遙控焊接、編程、規(guī)劃焊接路線相關(guān)技術(shù)

伴隨著宏觀經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的共同發(fā)展，焊接連接的使用領(lǐng)域正在朝著海洋、外層空間、高溫高壓、高寒等極限環(huán)境迅速延伸。在確保最終焊接品質(zhì)的基礎(chǔ)上，最大限度提升了工作人員的舒適度，減少焊接作業(yè)過(guò)程中的意外事故。現(xiàn)階段，焊接技術(shù)的進(jìn)步，在一定范圍內(nèi)解決了焊接技術(shù)在遠(yuǎn)距離操控上的限制。目前普遍采用的遙控焊接方案均為人機(jī)交互的模式，指的是相關(guān)焊接操作者控制焊接機(jī)器人在遠(yuǎn)程條件下執(zhí)行焊接工作的任務(wù)。因?yàn)樵诩夹g(shù)領(lǐng)域的研究力度有所欠缺，進(jìn)行完全自動(dòng)化遙控的機(jī)器人研究隊(duì)伍很少出現(xiàn)。不過(guò)在遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)化焊接工作領(lǐng)域獲得了持續(xù)的進(jìn)步，該類遙控焊接自動(dòng)化技術(shù)未來(lái)的研究目的即為完全自動(dòng)化的遙控焊接技術(shù)。比如20世紀(jì)70年代的某國(guó)一處核發(fā)電站曾經(jīng)發(fā)生了比較嚴(yán)重的核廢料泄露的事故，在此次事故的搶險(xiǎn)過(guò)程中就合理地利用了遙控的焊接技術(shù)針對(duì)核廢料泄漏的位置實(shí)施了遠(yuǎn)距離的焊接操作，成功地修補(bǔ)了泄漏位置，保證了核電站安全運(yùn)行。在其他領(lǐng)域的技術(shù)大幅度進(jìn)步的背景下，遙控焊接相關(guān)技術(shù)的焊接品質(zhì)、安全性及穩(wěn)定性，焊接工作適用的范圍都在持續(xù)的進(jìn)步和擴(kuò)大。機(jī)器人設(shè)備的離線編程方案指的是機(jī)器人系統(tǒng)的編程語(yǔ)言的延伸，使用圖像及有關(guān)的計(jì)算機(jī)算法，設(shè)定機(jī)器人和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境間的數(shù)字模型。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行焊接工作的時(shí)候，依據(jù)具體的焊接要求、焊接工況參數(shù)實(shí)施焊槍軌跡的設(shè)計(jì)和校正，最終完成整個(gè)焊接過(guò)程，因此而發(fā)展起來(lái)焊接機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)。該類編程模式的工作效率及智能化水平較高，目前正朝著全方位自動(dòng)化的編程趨勢(shì)不斷發(fā)展。

2.3專門(mén)電弧焊相關(guān)的電源技術(shù)

焊接領(lǐng)域的主要技術(shù)包含點(diǎn)焊及弧焊等兩大類，焊接工作相關(guān)設(shè)備的主要組成部分指的是推進(jìn)機(jī)構(gòu)及電源設(shè)備，專門(mén)的電弧焊電源具備比較優(yōu)良的電氣綜合性能，該電源對(duì)于焊接機(jī)器人的綜合性能表現(xiàn)非常重要。隨著計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，為現(xiàn)代機(jī)器人焊接的專門(mén)電弧焊接電源的發(fā)展提供了一條更新更快的通道。依靠反饋型的控制系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)的控制操作，包含對(duì)于電弧焊電流的控制過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人焊接裝置在焊接進(jìn)程中滿足高品質(zhì)的焊接效果的目的。

3焊接機(jī)器人現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)用情況

現(xiàn)階段，焊接機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的焊接工作中取得了非常普遍的實(shí)際應(yīng)用，帶來(lái)了焊接工作品質(zhì)及效率上的大幅度提高。然而焊接機(jī)器人在實(shí)際的焊接工作應(yīng)用中依舊有某些問(wèn)題需要解決，通常包含如下幾個(gè)層面的問(wèn)題。

3.1焊接機(jī)器人的替換零部件的成本非常高昂

因?yàn)閲?guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器人相關(guān)的零部件大批量制造的能力限制，焊接機(jī)器人的替換零部件絕大多數(shù)均為國(guó)外原裝進(jìn)口，這種情況下造成了焊接機(jī)器人替換零部件的成本非常高昂。假如焊接機(jī)器人在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障，僅僅購(gòu)買(mǎi)替換零部件的花費(fèi)就有可能高達(dá)幾十萬(wàn)，并且相關(guān)零部件的供貨周期非常長(zhǎng)，維修期間嚴(yán)重制約了相關(guān)企業(yè)正常生產(chǎn)計(jì)劃的順利開(kāi)展。例如，故障率非常高的槍纜設(shè)備及焊槍等零部件的價(jià)格不菲，造成相關(guān)企業(yè)后期使用成本負(fù)擔(dān)過(guò)重，這種情況嚴(yán)重影響了我國(guó)智能制造領(lǐng)域的快速發(fā)展[2]。

3.2復(fù)雜焊接零件焊接過(guò)程的編程問(wèn)題

針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的焊接過(guò)程，焊縫數(shù)量比較多。對(duì)于此類狀況，相關(guān)焊接機(jī)器人數(shù)控編程技術(shù)人員就必須在編程工作上耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。然而絕大多數(shù)情況的焊接過(guò)程需要調(diào)試及編寫(xiě)很多相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，此過(guò)程將會(huì)耗費(fèi)很多的人力資源及財(cái)力經(jīng)濟(jì)成本。編寫(xiě)程序及調(diào)成過(guò)程浪費(fèi)過(guò)多的焊接作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而削弱了相關(guān)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。焊接機(jī)器人與待焊接零件的定位位置產(chǎn)生相對(duì)位移以后將會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量造成不利影響（出現(xiàn)砂眼及氣孔等焊接缺陷）。焊接機(jī)器人的焊接過(guò)程中，編程工作一般借助自動(dòng)控制單元對(duì)焊槍行進(jìn)路線進(jìn)行操控，當(dāng)焊槍處于規(guī)定的焊接位置時(shí)，針對(duì)焊槍的定位時(shí)間、焊絲傳送、焊接保護(hù)氣體傳送、焊絲中斷、焊接保護(hù)氣體停止、引弧及息弧等，假如待焊接零件和焊接機(jī)器人相對(duì)位置產(chǎn)生改變，相關(guān)編程程序就會(huì)進(jìn)行重新校準(zhǔn)，這種情況就會(huì)大幅延長(zhǎng)焊接作業(yè)過(guò)程。焊接機(jī)器人焊縫見(jiàn)圖2。

3.3焊接機(jī)器人與人工焊接的差異

焊接工人在對(duì)工件的焊接過(guò)程中，能夠感知電弧的沖擊作用及熔池內(nèi)部金屬的流動(dòng)狀況，根據(jù)上述信息評(píng)判焊接過(guò)程是否正常。焊接工人根據(jù)本身的工作經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蜃匀绲卣{(diào)整焊接參數(shù)，保證焊接工作符合相關(guān)技術(shù)要求。焊接機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)需要事先設(shè)定，焊接機(jī)器人不會(huì)受到外界環(huán)境干擾而對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。焊接機(jī)器人在焊接過(guò)程中執(zhí)行的是一個(gè)預(yù)先設(shè)置的數(shù)控編程程序，其焊接參數(shù)與焊接工人的經(jīng)驗(yàn)是有巨大差別的[3]。

4焊接機(jī)器人技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向研究

4.1焊接機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)

焊接機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)主要包含模糊控制技術(shù)、視覺(jué)控制技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，每一類控制技術(shù)在零件的焊接過(guò)程中都起到相應(yīng)的作用[4]。視覺(jué)控制技術(shù)一般指的是借助視覺(jué)傳感裝置對(duì)于焊接機(jī)器人操作的區(qū)域進(jìn)行深入處理，之后再把捕捉到的視頻影像和參數(shù)信息隨時(shí)記入電腦系統(tǒng)，為廣大相關(guān)焊接機(jī)器人數(shù)控編程技術(shù)人員提供進(jìn)一步的技術(shù)支持，通過(guò)針對(duì)相關(guān)參數(shù)信息的研究精準(zhǔn)定位焊接機(jī)器人的位置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)指的是計(jì)算機(jī)對(duì)人類思維進(jìn)行模擬的一種方法，由于在焊接機(jī)器人的焊接過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生某些意外狀況，而借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)可以迅速應(yīng)對(duì)焊接機(jī)器人工作過(guò)程中遇到的狀況，然而把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)有機(jī)地應(yīng)用在焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)中，最后取得符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的焊接效果。

4.2多傳感裝置信息結(jié)合技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

多傳感裝置信息結(jié)合技術(shù)是焊接機(jī)器人領(lǐng)域比較多見(jiàn)的一類技術(shù)，該技術(shù)可以全方位符合相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)要求，也能夠把焊接機(jī)器人相關(guān)技術(shù)全方位普及和推廣。此外，焊接機(jī)器人中通常會(huì)配備超聲波傳感裝置，用來(lái)保證焊接機(jī)器人工作過(guò)程中的安全平穩(wěn)性，讓其可以快速接收準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。多傳感裝置信息結(jié)合技術(shù)原理見(jiàn)圖3。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一般指的是借助電腦編程的方式，把相關(guān)的參數(shù)信息轉(zhuǎn)化成一種模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的技術(shù)，從而為焊接機(jī)器人焊接過(guò)程提供相關(guān)技術(shù)支持。使用該項(xiàng)技術(shù)還能夠?yàn)橄嚓P(guān)焊接機(jī)器人數(shù)控編程技術(shù)人員提供真實(shí)的使用感受，最大程度上提升焊接零件的品質(zhì)及焊接機(jī)器人的工作效率[5]。與此同時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員還需要在電腦上實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的焊接機(jī)器人焊接操作步驟，用以提升整個(gè)焊接操作的實(shí)效性。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，焊接機(jī)器人在將來(lái)智能制造技術(shù)領(lǐng)域中的作用相當(dāng)重要，焊接機(jī)器人在相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，相關(guān)焊接機(jī)器人數(shù)控編程技術(shù)人員在零件的焊接過(guò)程中可以大幅提升相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量及總體焊接制造效率。相關(guān)研發(fā)隊(duì)伍對(duì)于焊接機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究最大限度地促進(jìn)了工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

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作者：譚偉美 盧柱陽(yáng) 單位：廣西玉林農(nóng)業(yè)學(xué)校