工業(yè)機器人在汽車零部件中應用

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摘要：在機器人技術(shù)快速提升、人力資源短缺、人力成本逐年提升等多種因素的共同作用下，使得工業(yè)機器的應用成為企業(yè)的迫切需要。為此，錦州立德減振器有限公司與遼寧理工職業(yè)大學合作對機器人進行改造，安裝、調(diào)試、將機器人投入到生產(chǎn)線中代替單調(diào)的、重復的體力勞動進而提高生產(chǎn)效率和現(xiàn)代化生產(chǎn)水平。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；系統(tǒng)集成；生產(chǎn)效率

0引言

機器人是衡量科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的標志?！皺C器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局。機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。習近平總書記提出不僅要把技術(shù)水平提高上去，而且要盡可能多地占領(lǐng)市場。錦州立德減振器有限公司專業(yè)從事汽車減振器及零件研發(fā)、制造、銷售。公司為了適應減震器規(guī)模化生產(chǎn)，解決單調(diào)、重復的體力勞動和提高生產(chǎn)質(zhì)量。于是計劃用一套焊接機器人代替人工作業(yè)。隨著現(xiàn)代科技的不斷前進，工業(yè)機器人融合了機械、控制、傳感檢測等多門學科。對于傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)來說是一個新技術(shù)。將工業(yè)機器人應用到汽車零部件生產(chǎn)過程中具有如下優(yōu)點：淤企業(yè)生產(chǎn)成本的縮減。工業(yè)機器人與傳統(tǒng)的人工不同，工業(yè)機器人是先進的智能制造設備，設備不需要吃飯、休息等需求，可以代替人類全天無間斷生產(chǎn)。例如在廠房臟亂的條件中進行復雜的、重復的搬運任務。若是利用人員來操作，則需要幾個甚至幾十個員工，而設備不一樣，只需一個人維護一臺或者多臺工業(yè)機器人即可完成復雜、重復乏味的搬運操作，為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了人工成本。另外，工業(yè)機器人是由程序控制的。選擇適用于生產(chǎn)任務要求的機械手會減小廢品的出現(xiàn)，提高了產(chǎn)品的合格率。于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。由于工業(yè)機器人是智能制造設備，機器人的運行程序編寫完成之后，可以無限次重復再現(xiàn)運行。所以生產(chǎn)單件產(chǎn)品所耗費的時間是固定的，而人工則不同，如人員自身操作設備的熟練程度、身體情緒狀態(tài)等原因，則會導致單件產(chǎn)品的耗時不同。同時人工作業(yè)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)各不相同，產(chǎn)品的成品率較低，造成原料的浪費。而機械手設備則不同，生產(chǎn)成品效率較人工更高。盂安全系數(shù)較高。目前很多企業(yè)的很多崗位都需要實行24小時倒班制度，根據(jù)實際情況分時段安排人員值班，以實現(xiàn)24小時不落崗的生產(chǎn)經(jīng)營方式。但倒班制首先應解決人員的配置問題。并不是所有人都喜歡晚上或通宵工作，而且喜歡的人還不一定能適應。如果班次倒得太頻繁，人的生物鐘就會失控，直接影響正常的睡眠質(zhì)量，甚至因為疲勞出現(xiàn)工傷事故。使用機器人作業(yè)只要人員遵守安全操作規(guī)則，不進入工業(yè)機器人的干涉區(qū)則不會出現(xiàn)安全事故，減少人員傷亡。于是錦州立德減振器有限公司與遼寧理工職業(yè)大學合作對機器人進行配置，安裝、調(diào)試、將機器人投入到生產(chǎn)線中代替單調(diào)的、重復的體力勞動進而提高生產(chǎn)效率和現(xiàn)代化生產(chǎn)水平。該項目在松下焊接工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，通過示教編程實現(xiàn)了焊接作業(yè)。將焊槍移至生產(chǎn)設備實施焊接，提高了生產(chǎn)效率，減輕了操作者繁重的體力勞動。一個完整的工業(yè)機器人弧焊系統(tǒng)是由工業(yè)機器人、焊槍、焊機、送絲機、焊絲、焊絲盤等組成，要想使焊接機器人完成焊接作業(yè)適用于生產(chǎn)，就必須要解決以下難點：

1工作站系統(tǒng)組成及各單元間的連接

1.1工作站系統(tǒng)組成

本工作站采用Panasonic弧焊工業(yè)機器人，配有控制柜和示教編程器。如圖1所示，通過控制柜連接示教盒和機器人?？刂乒窭镉兄鴥?nèi)置PLC，可以控制一定的輸入輸出。示教盒是機器人的人機界面，通過示教盒，操作員可以查看機器人的工作狀態(tài)、修改運行參數(shù)、編輯運動程序等工作。機器人工作站的外圍設備是十分豐富和復雜的，為了滿足不同的作業(yè)要求，推出了各種各樣的外圍設備，如果沒有這些豐富的外圍設備，只有一臺機器人，將沒有任何實際應用價值，也無法完成一些具體的工作任務。這些外圍設備都是根據(jù)作業(yè)內(nèi)容、工件類型、質(zhì)量要求等參數(shù)配備的。外圍設備配備的好壞很大程度上影響著機器人的工作效率。是工作站系統(tǒng)設計中不可缺失的一環(huán)。本工作站系統(tǒng)中弧焊系統(tǒng)是各外圍設備中最重要的一環(huán)。包括焊接專用電源、送絲機構(gòu)、焊槍、剪絲器、焊槍清理裝置、保護氣裝置。這些設備在機器人控制柜的控制下與機器人系統(tǒng)配合完成弧焊任務。淤焊接電源。焊接電源是弧焊系統(tǒng)中最重要的設備，因為焊接電源的性能強烈影響著焊接質(zhì)量。一臺能夠精確控制電壓電流的焊接電源肯定能更好的控制焊接質(zhì)量。系統(tǒng)采用PanasonicYD-350GL機器人專用焊接電源，能與機器人控制柜通過IO通訊，焊接信號及焊接參數(shù)通過控制柜傳遞給焊接電源。于送絲機構(gòu)。送絲機構(gòu)保證在焊接過程中，不斷均勻送入焊絲以補充焊絲的消耗，在送絲過程中，送絲機應保證送絲的穩(wěn)定均勻，否則容易卡住送絲機造成送絲困難，影響焊接質(zhì)量。送絲機綁定在機器人上，其大小重量對機器人的空間運動有著一定的影響，太大和太重的送絲機往往增大了機器人的負荷，增大運動慣性，因此降低了機器人運動時的穩(wěn)定性和精確性。在焊槍工作一段時間后，焊槍內(nèi)部可能存在一些飛濺，為了保證焊接質(zhì)量，需要定期清理飛濺。盂焊接保護氣。焊接保護氣目前使用較多的是二氧化碳保護氣和氬保護氣，這兩種保護氣有各自的優(yōu)缺點。由于二氧化碳氣體熱物理性能的特殊影響，使用常規(guī)焊接電源時，焊絲端頭熔化金屬不可能形成平衡的軸向自由過渡，通常需要采用短路和熔滴縮頸爆斷。因此，與MIG焊自由過渡相比，飛濺較多。但如采用優(yōu)質(zhì)焊機，參數(shù)選擇合適，可以得到很穩(wěn)定的焊接過程，使飛濺降低到最小的程度。由于所用保護氣體價格低廉，采用短路過渡時焊縫成形良好，加上使用含脫氧劑的焊絲即可獲得無內(nèi)部缺陷的高質(zhì)量焊接接頭。因此這種焊接方法目前已成為黑色金屬材料最重要焊接方法之一。使用Ar保護氣時，惰性保護氣體不參與熔池的冶金反應，適用于各種質(zhì)量要求較高或易氧化的金屬材料，如不銹鋼、鋁、鈦、錯等的焊接，但成本較高。也有保護氣體以氬為主，加入適量的二氧化碳（15~30%）或氧（0.5耀5%）。與二氧化碳氣體保護焊相比，這種保護焊焊接規(guī)范較寬，成形較好，質(zhì)量較佳；與熔化極惰性氣體保護焊相比，熔池較活潑，冶金反應較佳。

1.2各單元間的連接

弧焊機器人各單元間的連接包括焊機和送絲機，焊機和焊接工作臺，焊機和加熱器，送絲機和機器人柜，焊槍和送絲機，氣瓶和送絲機氣管等。完成上述工作后，連接焊機電源，接入焊絲和保護氣體，即可進行焊接。完整焊接系統(tǒng)接線示意圖如圖2所示。

1.3夾具的設計

針對汽車產(chǎn)業(yè)減震器的特點，對汽車減震器的焊接工序進行分析，主要包括弧形焊接作業(yè)和直線焊接作業(yè)，根據(jù)以上3點要求設計適合汽車減震器的工裝夾具，以便精確定位減震器工件。夾具設計時需要滿足以下要求：淤保證可靠性：人工裝配時需要考慮待焊減震器工件是否可靠夾緊，焊接作業(yè)時減震器工件是否受到夾具的擠壓變形等情況。于可制造性：夾具設計時需要考慮夾具的材質(zhì)，減少加工成本的支出。盂精度要求：設計夾具時，需要滿足加工的制造精度，同時夾具固定時也許考慮安裝精度，以及夾具的合理布局等因素。設計減震器夾具時，運用Solidworks軟件進行夾具三維模型設計，Solidworks軟件是當前設計制造領(lǐng)域流行的一款三維設計軟件，其應用涉及汽車制造、機器人、數(shù)控機床等眾多領(lǐng)域。設計步驟包括草圖繪制、零件建模、裝配體設計、工程圖、運動分析等。將相關(guān)數(shù)據(jù)標注到二維工程圖中，生成工程圖紙。

2弧焊機器人信號設定

通訊與I/0在機器人工作站中是十分重要的一環(huán),將機器人工作站的各組成部分協(xié)調(diào)起來，保持工作站有序穩(wěn)定的工作，在機器人工作站的系統(tǒng)編程中，正確處理好各I/0端口的信號是關(guān)鍵所在。機器人控制柜的I/0端口是進行工作站系統(tǒng)設計時必需要了解的一塊，在機器人控制柜中，有著一個機器人專用的PLC，機器人的內(nèi)部信號必須通過該PLC的端口映射到通用輸入輸出端口，與外部設備（包括外部控制器）進行銜接。為了完成弧焊機器人與生產(chǎn)線的系統(tǒng)集成，必須根據(jù)板卡的地址情況進行信號的分配。主要信號有數(shù)字輸出信號和數(shù)字輸入信號。針對于本項目，解決好工業(yè)機器人與自動化生產(chǎn)線成套設備之間的交互是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵部分。將待焊工件安裝到A夾具之后，點擊開始按鈕，機器人夾持焊槍運動到設定姿態(tài)，機器人系統(tǒng)發(fā)出指令焊接電源開始焊接。同時，工人在B夾具上安裝工件，待焊接完成，機器人夾持的焊槍移開，回到初始點位置，點擊變位機旋轉(zhuǎn)按鈕，B夾具重復A夾具的作業(yè)動作，A、B夾具上的工件交替焊接。我們根據(jù)生產(chǎn)需求對各個設備接口進行重新定義，統(tǒng)一分配，以滿足通信要求，對整個系統(tǒng)的信息流進行綜合，然后再控制各個設備按流程運轉(zhuǎn)。自動化生產(chǎn)線通過傳感器與機器人連接，每個工位上都裝有傳感器，用于檢測工件位置，當傳感器檢測到某個工位上有信號時機器人啟動焊接作業(yè)，焊接完成之后進行下一工位工件的焊接作業(yè)，進而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線與工業(yè)機器人之間的信號交互。

3程序的編制

該項目的焊接機器人屬于示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人，主要由控制器和示教盒等構(gòu)成。機器人示教編程是操作者與機器人之間的主要交流界面。操作者通過示教編程器對機器人進行各種操作、示教、編制程序，并可直接移動機器人。

3.1對機器人的路徑進行規(guī)劃

在編寫程序的過程中為了避免機器人碰撞和姿態(tài)方面的問題，我們需要對機器人的路徑進行規(guī)劃，在選擇機器人的運行軌跡和操作方法時，采用示教點的方法，即在機器人的運行軌跡上設置一些關(guān)鍵點，主要包括拾取點Pick，放置點Place、程序起始點Home、安全點等等，通過這些關(guān)鍵點能夠大致確定機器人的運行路線。示教時，操作人員通過示教盒操作機器人本體，使其末端運動至所需的軌跡點，記錄該點時各關(guān)節(jié)伺服電機編碼器信息，并通過命令的形式確定運動至該點的插補方式、速度、精度等，然后由機器人控制器按照這些命令查找相應的功能代碼并存放到某個指定的示教數(shù)據(jù)區(qū)去。示教時示教盒可以通過幾種坐標系來控制機器人的規(guī)則運動。從而到達程序登錄點，常用的幾個坐標系如下：淤關(guān)節(jié)坐標建立在各運動關(guān)節(jié)，示教時可以單獨控制各個關(guān)節(jié)的擺動或回轉(zhuǎn)。這種坐標運動方式往往用于機器人的快速移動。于使用直角坐標時，可以控制機器人工作點做水平和上下移動和轉(zhuǎn)動，這種方式能夠很好的控制焊槍姿態(tài)，因此在示教中應用廣泛。盂工具坐標建立在工具端點，由于其一軸與工具軸向重合，因此在運動時可以很好的保持工具姿態(tài)，是微調(diào)作業(yè)姿態(tài)時常用的一種操作方式。各個坐標系統(tǒng)通過機器人控制柜中的計算器轉(zhuǎn)換成各個軸運動的脈沖。其運動精度和機器人的伺服電機有著很大的關(guān)系，因此，控制系統(tǒng)的運動算法也是機器人基礎(chǔ)研究中比較重要的一塊。

3.2運動指令的選擇

在進行機器人的編程時，為了使機器人按照規(guī)劃的路徑精確、安全地達到指定位置。必須要根據(jù)路徑特點擇優(yōu)選擇機器人的運動指令，主要包括MoveL、MoveJ和MoveC。示教時，可以使用多種插補方式，最常用的為自由插補MoveJ，機器人能夠根據(jù)速度和精度合理安排各個軸的運動方式，直線插補MoveL也比較常見，往往用于直線上的弧焊。圓弧插補MoveC比較不常見，這種插補方式用于焊接一些比較復雜的工件。一般機器的速度和精度是相互制約的，為了獲得高的焊接速度，往往在一些轉(zhuǎn)角比較大的地方由于運動慣性不能得到高的精度，為了獲得高的精度就不得不犧牲一定的速度，這在焊接一些大轉(zhuǎn)角焊縫時必須注意。

3.3程序的結(jié)構(gòu)化設計

為了提高程序的可移值性，我們采用了主程序調(diào)用子程序的設計方式，完成了搬運機器人所要實現(xiàn)的全部功能，使機器人可以按照我們預先設置好的路徑移動。采用主程序調(diào)用子程序的設計方法避免了示教程序過于冗長的缺點，同時還增加了程序的可讀性。再現(xiàn)時，機器人控制器將自動逐條讀取示教命令與其他相關(guān)數(shù)據(jù)，進行解讀、計算。作出判斷后，將相應控制信號和數(shù)據(jù)送至各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)，驅(qū)動機器人精確地再現(xiàn)示教動作。該機器人改造集成項目成功的實現(xiàn)了減震器生產(chǎn)線的一個工序。機器人投入運行后，將大幅度減輕操作者的勞動強度，使操作更為簡便，勞動生產(chǎn)率可提高30%。提高產(chǎn)品的質(zhì)量，合格率由原來的96%提高到99.9%。積累經(jīng)驗后為整條生產(chǎn)逐漸增加工業(yè)機器人，實現(xiàn)整個生產(chǎn)線規(guī)范化、科學化和經(jīng)濟化，解決單調(diào)、重復的體力勞動，降低勞動力。同時也是提升公司科學技術(shù)水平，進而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4結(jié)束語

機器換人，是必須的，是工業(yè)4.0時代的大勢所趨。工業(yè)機器人是最典型的智能制造裝備，技術(shù)附加值很高，應用范圍很廣，作為先進智能制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用，為公司發(fā)展指明方向。

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作者:陳艷 李占林 李彥鑫 谷興文 單位:遼寧理工職業(yè)大學