任务3.2 焊接工业机器人工作站
1.任务引入
自1962年世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人诞生以来，到1996年年底全世界已有68万台工业机器人投入生产领域，其中约有1/2是焊接工业机器人。随着科学技术的不断发展，焊接自动化技术有了飞跃性的进步，从焊接刚性自动化的传统方式过渡到柔性自动化生产方式。刚性自动化一般适用于中、大批量的生产，柔性自动化适用于单件小批量的生产，焊接工业机器人使小批量产品也能实现自动化生产。
2.任务目标
1）知识目标
了解焊接工业机器人工作站的组成和分类。
2）技能目标
学会焊接工业机器人的使用方法。
3）素养目标
3.任务分析
焊接工业机器人是一种高度自动化的焊接设备，采用焊接工业机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本及改善工作环境的重要手段。采用焊接工业机器人进行焊接，还必须配备外围设备，即组成焊接工业机器人工作站。
焊接工业机器人工作站广泛用于汽车及其零部件制造，以及摩托车、五金交电、工程机械、航空航天、化工等行业的焊接工程。焊接工业机器人工作站如图3-1所示。
4.相关知识
1）焊接工业机器人工作站的组成和分类
（1）焊接工业机器人工作站的组成。
图3-1 焊接工业机器人工作站
焊接工业机器人工作站是以焊接工业机器人为核心，控制器、安全防护系统、操作台、回转工作台、变位机、焊接夹具和焊接系统（焊接电源、焊枪、送丝系统、水箱）等设备相结合的系统。焊接系统结构合理，操作方便，适合大批量、高效率、高质量和柔性化的生产。焊接工业机器人工作站通常由以下几部分组成。
①焊接工业机器人。它一般是伺服电动机驱动的六轴关节式操作机，由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。焊接工业机器人的任务是精确地保证机械手臂末端（焊枪）所要求的位置、姿态和运动轨迹。
②控制器。它是焊接工业机器人工作站的神经中枢，包括计算机硬件、软件和一些专用电路，负责处理焊接工业机器人工作过程中的全部信息和控制全部动作。
③焊接电源系统，包括焊接电源、专用焊枪等。焊枪清理装置主要包括剪丝、沾油、清渣以及喷嘴外表面的打磨装置。剪丝装置主要用于用焊丝进行起始点检出的场合，以保证焊丝的伸长度一定，提高检出精度；沾油装置的作用是使喷嘴表面的飞溅易于清理；清渣装置用于清除喷嘴内表面的飞溅，以保证保护气体的通畅；喷嘴外表面的打磨装置主要用于清除喷嘴外表面的飞溅。
④焊接安全保护设施，用于降低焊接过程中有毒有害气体、粉尘和噪声等对身体的危害程度，提高作业安全系数。
⑤焊接工装夹具及变位机等，用于装夹和承载工件，使其回转和倾斜，以得到最佳的焊接姿势和位置。
焊接变位机是通过倾斜和回转动作，将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。焊接变位机与焊接工业机器人连用可缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。焊接变位机在焊接工业机器人的焊接作业中是不可缺少的周边设备。根据实际生产的需要，焊接变位机可以有多种形式。从驱动方式来看，有普通直流电动机驱动、普通交流电动机驱动及可以与焊接工业机器人同步协调运动的交流伺服驱动。
（2）焊接工业机器人的构成。
人操作机是焊接工业机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。它的任务是精确地保证机械手臂末端所要求的位置、姿态并实现其运动。根据定义，焊接工业机器人操作机在结构上应具有3个以上的可自由编程的运动关节，分为主要关节和次要关节2个层次，不同数目和层次的关节组合决定了相应的工作空间。具有6个旋转关节的铰接开链式焊接工业机器人操作机，从运动学上已被证明，能以最小的结构尺寸获取最大的工作空间，并且能以较高的位置精度和最优的路径达到指定位置，因此这种类型的焊接工业机器人操作机在焊接领域得到广泛运用。
变位机作为焊接工业机器人生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊工件旋转（平移）到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具来装卡和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使焊接工业机器人操作机充分发挥效能，通常采用2台变位机，当其中的一台进行焊接作业时，另一台则完成工件的上装和卸载，从而使整个工作站获得最高的费用效能比。
控制器是整个焊接工业机器人工作站的神经中枢，它由计算机软件、硬件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、工业机器人运动学软件、工业机器人控制软件、工业机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接工业机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。所有现代工业机器人的控制器都是基于多处理器的，根据操作系统的指令，工业控制计算机通过系统总线实现对不同组件的驱动及协调控制。
焊接系统是焊接工业机器人完成作业的核心装备，主要由焊钳（点焊机器人），焊枪（弧焊机器人），焊接控制器，以及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部分外围接口芯片组成的控制系统，它可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系统的故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通信联系。用于弧焊机器人的焊接电源及送丝设备，由于参数选择的需要，必须由控制器直接控制，电源在其功率和接通时间上必须与自动过程相符。
在焊接过程中，尽管操作机、变位机、装夹设备和工具能达到很高的精度，但由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差，以及焊接过程中热输入引起工件的变形，传感器仍是焊接过程中（尤其是焊接大厚工件时）不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。
中央控制计算机在工业机器人向系统化、PC化和网络化的发展过程中发挥着重要的作用。中央控制计算机通过串行接口与控制器连接，主要用于在同一层次和不同层次的计算机之间形成网络，同时与传感系统配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理。
安全设备是焊接工业机器人工作站安全运行的重要保障，主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、焊接工业机器人工作空间干涉自断电保护及人工急停断电保护等，起到防止机器人伤人或损坏周边设备的作用。在焊接工业机器人的工作部还装有各类触觉和接近传感器，可以使焊接工业机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。
（3）焊接工业机器人工作站的分类。
焊接工业机器人工作站有多种，现简单介绍以下几种。
①箱体焊接工业机器人工作站。
箱体焊接工业机器人工作站是专门针对箱体类工件生产量大、结构复杂、焊接质量及尺寸要求高等特点而开发的专用装备。
箱体焊接工业机器人工作站由弧焊机器人、焊接电源、焊枪、送丝机构、回转双工位变位机、工装夹具和控制系统组成。该工作站适用于各式箱体类工件的焊接，在同一工作站内通过使用不同的工装可实现多品种的箱体类工件焊接，焊接的相对位置精度高，双工位的设计大大提高了生产效率。
②轴类工件焊接工业机器人工作站。
轴类工件焊接工业机器人工作站是专门针对轴类工件焊接而开发的专用装备。
轴类工件焊接工业机器人工作站多采用单轴单工位配置，外部轴采用卧式机床结构，尾座轴向可调，头尾双气动卡盘夹紧方式，设置辅助中心托架。该工作站的特点是焊接机械手选用综合性能好的工业机器人为系统核心，控制器、安全防护系统、操作台、回转工作台、变位机、焊接夹具和焊接系统等可采用进口设备，既保证了系统先进可靠，又降低了成本。
焊接机械手结构合理，操作方便，适合大批量、高效率、高质量及柔性化生产，可以焊接低碳钢、不锈钢、铝材和铜材等轴类工件。轴类工件焊接工业机器人能够灵活调整焊接状态，对于结构复杂的零部件配以各种辅助工装夹具，形成焊接流水线，能够实现最佳的焊接效果。
（4）螺柱焊接工业机器人工作站。
螺柱焊接工业机器人工作站采用PLC总控制方式，主要包括：对工业机器人进行控制，实现手动、自动的操作方式，并保持和工业机器人的实时通信，在工业机器人出现故障时能及时反馈信号并停止后续操作；与采用的人机控制界面（触摸屏）进行通信，实现对焊接夹具等工装的控制要求，满足人工操作和工件的装夹。
针对系统单元不同的工作程序，如主程序、夹具子程序及螺柱焊枪导电嘴更换程序等，通过I/O端口设计不同的信号，在按下启动按钮后，PLC将相应信号发送给工业机器人，由其调用执行不同的子程序，实现相应的动作。(https://www.daowen.com)
（5）激光焊接工业机器人工作站。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深宽比大，因此焊接质量比传统焊接方法高。激光焊接过程监测与质量控制是激光利用领域的一个重要内容，包括利用电感、电容、声波和光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测和焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接参数，从而实现自动化激光焊接。
2）焊接工业机器人的分类
焊接工业机器人是从事焊接操作的工业机器人。根据ISO的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有3个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，工业机器人最后一个轴的机械接口通常是一个连接法兰，可接装不同工具（或称为末端执行器）。焊接工业机器人就是在末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的工业机器人，可进行焊接、切割或热喷涂。
焊接工业机器人可按用途、结构坐标特点、受控运动方式和驱动方式等分类。
（1）按用途分类。
①弧焊工业机器人。
由于弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及，所以弧焊工业机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊工业机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因此对其性能有特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，在运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。在一般情况下，焊接速度取5～50 mm/s，轨迹精度为±0.2～±0.5 mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量有一定影响，所以在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围应尽量大。一些基本性能要求为：①设定焊接条件（电流、电压和速度等）；②摆动功能；③坡口填充功能；④焊接异常功能检测；⑤焊接传感器（起始点检测、焊道跟踪）的接口功能。
②点焊工业机器人。
汽车工业是点焊工业机器人的一个典型应用领域。在装配每台汽车车体时，大约60%的焊点由点焊工业机器人完成。最初，点焊工业机器人只用于增强焊作业（往已拼接好的工件上增加焊点），后来为了保证拼接精度，又让点焊工业机器人完成定位焊接作业。其具体优点有：①安装面积小，工作空间大；②快速完成小节距的多点定位（例如每0.3～0.4 s移动30～50 mm节距后定位）；③定位精度高（±0.25 mm），以确保焊接质量；④持重大（50～100 kg），以便携带内装变压器的焊钳；⑤内存容量大，示教简单，节省工时；⑥定位焊速度与生产线匹配，同时安全可靠性好。
（2）按结构坐标特点分类。
①直角坐标型机器人[图3-2（a）]。
直角坐标型机器人主要以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标型机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。
直角坐标型机器人可以在3个互相垂直的方向上做直线伸缩运动，其各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合，有较大的局限性。
②圆柱坐标型机器人[图3-2（b）]。
圆柱坐标型机器人有一个围绕基座轴的旋转运动和两个在相互垂直方向上的直线伸缩运动。它适用于液压（或气压）驱动机构，在操作对象位于其四周的情况下操作最为方便。
③球坐标型机器人[图3-2（c）]。
图3-2 按结构坐标特点分类
（a）直角坐标型机器人；（b）圆柱坐标型机器人；（c）球坐标型机器人
球坐标型机器人的动作形态包括围绕基座轴的旋转、一个回转和一个直线伸缩运动，其特点类似圆柱坐标型机器人。
（3）按受控运动方式分类。
①点位控制（PTP）型机器人。
点位控制型机器人的受控运动方式为自一个点位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。点位控制要求工业机器人在目标点上有足够的定位精度，相邻目标点间的运动方式之一是各关节驱动机以最快的速度趋近终点，各关节视其转角不同而到达终点有先有后；另一种运动方式是各关节同时趋近终点，由于各关节运动时间相同，所以角位移大的运动速度较大。点位控制型机器人主要用于点焊作业。
②连续轨迹控制（CP）型机器人。
连续轨迹控制型机器人的各关节同时做受控运动，使工业机器人终端按预期的轨迹和速度运动，为此各关节的控制系统需要实时获取驱动机的角位移和角速度信号。连续轨迹控制型机器人主要用于弧焊作业。
（4）按驱动方式分类。
①气压驱动。
气压驱动使用压力通常为0.4～0.6 MPa，最高可达1 MPa。气压驱动的主要优点是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，易于保养。其主要缺点是功率质量比小，装置体积大，定位精度不高。气压驱动工业机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。
②液压驱动。
液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好。液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。其主要缺点是易漏油，不仅影响工作稳定性与定位精度，而且污染环境。液压驱动系统需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。液压驱动工业机器人多用于要求输出力较大、运动速度较低的场合。
③电气驱动。
电气驱动是利用各种电动机产生的力或转矩，直接或经过减速机构驱动负载，以获得要求的工业机器人运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍、应用最广泛的驱动方式。电气驱动又可细分为步进电动机驱动、直流电动机驱动、无刷直流电动机驱动和交流伺服电动机驱动等多种方式。无刷直流电动机驱动和交流伺服电动机驱动有最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性极高，几乎不需任何维护。20世纪90年代后生产的工业机器人大多采用这种驱动方式。
3）工业机器人焊接的特点及注意事项
（1）工业机器人焊接的特点。
工业机器人是由计算机控制的、具有高度柔性的可编程自动化装置，工业机器人焊接具有以下特点。
①工业机器人能适应产品多样化，有柔性，在一条生产线上可以混流生产若干种类型的产品，同时，对于生产量的变动和型号的更改，能迅速地改进生产线的编组更替，发挥投资的长期效果，这是专用的自动化生产线不能比拟的。
②使用工业机器人焊接，可提高产品质量。为了使焊接作业机器人化，需要改变装配方法和加工工序，因此要提高诸如供给设备的零件、夹具和搬运工具等的精度，这些关系到产品的精度和焊接质量的提高。通过焊接作业机器人化可得到稳定的高质量产品。
③使用工业机器人焊接可提高生产率。工业机器人的作业效率不随作业者变动，可以稳定生产计划，从而提高生产率。
（2）工业机器人焊接的注意事项。
①必须进行示教作业。
在工业机器人进行自动焊接前，操作人员必须示教工业机器人焊枪的轨迹和设定焊接条件等。因为必须示教，所以工业机器人不面向多品种、少量生产的产品焊接。
②必须确保工件的精度。
工业机器人没有眼睛，只能重复相同的动作。工业机器人轨迹精度为±0.1 mm，以此精度重复相同的动作。焊接偏差大于焊丝半径时，有可能焊接不好，因此工件精度应保持在焊丝半径之内。
③焊接条件的设定取决于进行示教的操作人员的技术水平。
操作人员进行示教时必须输入焊接程序，焊枪姿态和角度，以及电流、电压、速度等焊接条件。操作人员必须充分掌握焊接知识和焊接技巧。
④必须充分注意安全。
工业机器人是一种高速运动的设备，在其自动运行时绝对不允许人靠近（必须设置安全护栏）。操作人员必须接受安全方面的专门教育，否则不准操作。
4）焊接工业机器人工作站周边设备
焊接工业机器人工作站周边设备通常是指焊接工业机器人移动滑轨、变位机和工作台等。焊接工业机器人本体和这些周边设备组合，确保焊接工业机器人处于最佳的焊接姿态，从而减少飞溅和焊接缺陷，实现高质量焊接和高速焊接，提高操作的安全性等。
（1）周边设备的驱动方式。
周边设备的驱动方式有空气驱动方式、伺服电动机驱动方式及以工业机器人外部轴驱动方式。
（2）使用变位机的优点。
使用变位机主要可以避免干涉，实现最佳焊接姿态。
①使用变位机使工件旋转可以避免干涉，提高焊接效率。左侧系统工件前端即使可以焊接到，但反面焊接时焊接工业机器人手臂会有干涉，不易取得好的焊接姿势。右侧系统通过变位机使工件回转的同时进行焊接，因此可以实现无接缝的高质量焊接。
②使用变位机可将工件调整到不受引力影响的船形焊接位置，减少焊接缺陷的发生，实现高质量的焊接，提高焊接速度。左侧水平角焊接和船形焊接相比，由于受重力影响会发生熔融金属流溢，在对有间隙和位置偏移等对焊接不利情况的接头进行焊接时，容易产生咬边或满溢等焊接缺陷。右侧由于熔融金属处于稳定状态，能够实现焊缝美观的高品质焊接，容易得到更大的焊脚尺寸。使用变位机可以提高焊接速度，整体上焊接速度可以提高20%。
（3）周边设备的控制。
进行船形焊接时，要通过周边设备，边改变工件的姿态边进行焊接，因此需要让焊接工业机器人和周边设备进行协调动作。
同时控制是指焊接工业机器人本体和变位机、焊接工业机器移位滑轨不考虑焊接速度和姿态，分别进行移动。协调软件控制是指焊接工业机器人本体和变位器、焊接工业机器移动滑轨按照各自示教的姿态进行协调动作。另外，焊接速度也按照示教进行协调动作。
协调软件控制在焊接中可以改变工件姿态，并控制焊接工业机器人和周边夹具的相对速度，保持船形焊姿态，实现高品质且高速的焊接，减少容易出现缺陷的起弧部分和结束部分，形成漂亮的外观。总之，协调软件控制可以提高焊接品质，减少手工修补作业和示教作业，提高作业效率。
5.任务评价
任务评价见表3-2。
表3-2 任务评价
