经济型弧焊机器人集成系统的应用
摘要：本文以工程机械行业为例，叙述了弧焊机器人应用存在的问题。提出了发展经济型弧焊机器人集成系统的思路，并给出了应用实例。可供企业技术改造领导决策和工艺师制定技术方案时参考。
关键词：机器人、焊接、工程机械
0 引言
所谓弧焊机器人，一般指6轴机器人本体，夹持重量为6KG；另外，还应包括一套控制系统和焊接系统（焊接电源、焊枪及水冷系统、焊接软件系统等）。其它：起始点寻找、焊缝跟踪等，需要特殊订货。为完成一项弧焊机器人工程，除需要弧焊机器人以外，还需要实用的周边设备。弧焊机器人与周边设备组成的系统，称弧焊机器人集成系统。
周边设备的设计依据是上机焊接的工件，由于焊件的差异很大，需要的周边设备的差异也就很大，繁简不一。从焊件的焊接要求分析，周边设备的用途大致可分为三种类型。
其一，简易型，周边设备仅用来支持机器人本体和装夹焊件，如：C型架、平台以及夹具等。
其二， 工位变换型， 该型除具有上述功能外，还具有工位变换功能。其周边设备除具有上述装置外，还可能包括单、双回转和倾翻%回转式变位机等；
其三， 协调焊接型， 该型除具有上述功能外，还具有协调焊接功能。其周边设备除具有上述设备外，还可能包括一个或多个做成外部轴的变位机、龙门架及滑板、地轨及滑板等。
弧焊机器人是成熟、标准、批量生产的高科技产品，价格不贵。但设计一项弧焊机器人集成系统， 其上述周边设备是非标准的。这些设备需要专业设计和非标产品制造，其价格是比较昂贵的。
在结构件生产上，企业的竞争一方面要装备弧焊机器人，提高产品质量；另一方面要减少设备投资，降低产品成本。这是企业家考虑的事。
另外，从技术方面考虑，购置机器人不能脱离企业技术现状。采用机器人焊接的前道工序，下料精度，组对精度都有严格要求。如果达不到要求，就会导致机器人应用失败。尤其是复杂焊件，问题更比较突出。
笔者从现实技术和优化投资的角度综合考虑，提出了发展、装备经济型弧焊机器人集成系统的思路。这种思路于九十年代在某合资企业已经成功应用。
1 工程机械行业弧焊机器人集成系统装备及应用情况
工程机械行业是国民经济支柱产业之一，始建于1961年。在六、七十年代，工程机械分为八大类。自“七五”以后，随着国民经济、国防建设的发展， 给工程机械提供了较大的发展空间，产品品种、产量均有大幅度增长。中国工程机械工业协会把工程机械扩展到18类122组产品，形成了18个协会分支，会员单位约1000个生产厂家。本文所讨论的问题仅涉及到工程机械行业的主要企业，即：挖掘机械、装载机、推土机和工程起重机等生产厂家。在“八五”期间，由部委专项经费支持，一些装载机、推土机厂家装备了焊接机器人集成系统和柔性生产线。
1.1 机器人集成系统装备和应用的基本情况
据笔者不完全统计，拥有弧焊机器人集成系统的厂家约20余家。其中，装载机行业大约9家，推土机行业5家， 工程起重机行业大约3家，挖掘机行业大约5家。其中，包括多条弧焊机器人柔性生产线。这些弧焊机器人集成系统，全部是进口的。包括：igm、cloos、ABB及3K（安川）等厂家的产品。设备购置费用很高，一个焊接单400－500万元；一条柔性生产线1500－3000万元。昂贵的设备投资，应用情况基本为不理想。相比之下，一些外资企业，要么没有装备焊接机器人；要么装备的焊接机器人，应用效果很好。
应用的具体情况如下：
（1）几条焊接机器人柔性生产线，全部不能实现设计功能。较好的生产线，做单机使用；应用比较差的生产线，差到千余万元的设备，一次没有应用；
（2）弧焊机器人单机也没有达到设计要求。使用较好的， 可焊率达到设计要求的40－50％，或20－30％应用差的，差到几百万元的设备没有应用；
（3）笔者见到应用机器人焊接较好的例子，大都用在焊缝简单的焊件上。如挖掘机动臂中段、斗杆、履带架、中间架环缝；装载机桥壳、动臂；推土机台车架（履带架）等。在焊缝分布复杂的中厚板焊件焊接上，采用机器人焊接，尚未看到应用较好的例子。如装载机的前车架，大约可焊率仅能达不到20％－50％，需要二次上变位机焊接
1.2 焊接机器人应用效果不良的原因
首先，在工艺设计中，对设备选型没有深入研究，以为机器人是“万能”的。选择的焊件，焊缝分布复杂，机器人难以适应。一个焊件，几十道甚至百道焊道，即使机器人具有起始点寻找和跟踪功能，由于待焊焊道的偏差，机器人在完成焊接20％－30％，多者40％－50％焊接以后，夹持的焊枪就可能偏离焊道了。有这样的一个设计，要求用一条机器人柔性焊接生产线，完成推土机几个大焊件的焊接，这几乎是不可能的。
其次，焊坯制造精度低。焊接的前序，存在两个问题：一是下料精度低，达不到要求；二是组对（焊坯的拼装、点焊）设备精度低。由于切割下料的热变形，焊件的板坯误差较大。下道工序又在低精度的搭焊模（拼点机或焊胎） 上组对、制坯。这样， 生产的焊坯， 其待焊焊缝的“互换”性很差，满足不了示教精度要求。笔者目睹，某主梁6条主要待焊焊道的间隙，大小相差约10mm之多。进口的机器人，就在车间里，没法使用。
2 经济型弧焊机器人及其应用
2.1 经济型弧焊机器人集成系统
所谓经济型弧焊机器人集成系统是价格便宜的系统。如果一个焊接工作单元，由一台焊接机器人和一台或两台焊接变位机组成，价格在百万之内，这个价格是非经济型机器人系统的1/3－1/5，可称经济型系统。主要用在焊缝分布简单，焊接工作量大，焊接劳动强度大、焊接环境恶劣的工件。
一般焊接机器人要求周边设备的传动精度偏高，如要求变位机传动精度1米直径，容差±0.15（±1’）。而普通的回转支承，1米直径的径向跳动量， 超过0.3mm普通减速机的传动间隙也达不到要求。
这些要求是可以放宽的，我们用普通电机、减速机和回转支承作成的变位机， 与机器人组成的集成系统已经在外资公司服役七年， 仍在正常工作。证明这种经济型的设备是实用的。
2.2 典型应用实例
2.2.1 倾翻回转式变位机－机器人自动焊接系统
这个系统由倾翻回转调速式变位机、焊接机器人和plc 集中控制系统等组成，如图1所示。
变位机的两套传动系统，工作台回转加编码器，倾翻工位变换，采用行程开关。这套系统的控制,由两套控制系统组成，除焊接机器人控制系统外，还另做一套变位机的PLC控制系统。在作业过程中，两控制系统信息交换，协调工作。
变位机的功能有二，其一， 工位变换，工作台的工位为0°、45° 、90°； 其二，回转传动为交流变频调速系统，满足环焊缝焊接速度要求， 焊接过程可无人操作。主要控制过程，见图2。
这个系统也可以做成焊接专机系统（变位机1操作机）。如果专机系统没有焊枪跟踪、摆动，焊接过程需要人工时实监控、跟踪。机器人系统解决了专机不能解决的全部问题。
2.2.2 双坐单回转式变位机－机器人自动焊接系统
这个系统由变位机、焊接机器人及落地滑板（外部轴）等组成。变位机为单回转式，回转传动加编码器。变位机的功能为回转定8个工位。变位机不参与协调焊接。这套变位机－焊接机器人系统，如图3所示。
配焊接机器人的工位变换变位机，有立式和卧式两类产品，工位数可有2、4、8等。基本原理与上述产品大致相同。8工位的变位机，机器人发给变位机的转角指令为3bit信号， 由000、001、011、100、101、110、111构成八种工作状态。
这个用普通电机、减速机、编码器做成的工位变换系统很多。根据配套的焊接机器人不同和工件不同，设计的细节也不同。对薄板焊接件，不能跟踪，其工位定位还可加气动销。对中厚板焊件的工位定位，不需要那么严格，传动到位即可。如， 挖掘机履带架、斗杆、动臂中段焊接等，均获得成功。
3 关于装备焊接机器人集成系统的思考
（1） 支持发展经济型焊接机器人集成系统。在工程机械结构件生产中，总体工艺水平外资高于内资企业。外资企业的焊接机器人装备情况，不如内资企业（大、中型）装备率高。但某外资企业采用了经济型焊接机器人集成系统，比较经济、合理，这是值得借鉴的经验。
（2）合理选择应用对象。应当选择焊接工作量大，焊缝分布简单（如， 长直、圆周环焊缝等）的工件，作为机器人焊接工件。就目前的工业水平而言，普通数控切割下料，普通的装焊工艺，装备焊接机器人柔性生产线是不实际的。在我国，迄今为止，弧焊机器人系统，购置不少。用在中厚板复杂焊件焊接上，尚无成功范例。复杂焊件或焊缝分布复杂的焊件，大量采用变位机焊接是合理的。
（3）焊接机器人应用是一个系统工程。结构件焊接水平应与下料、组对等生产工艺水平同步提高。某外资企业，板材下料已经采用多台激光切割机； 组对采用高精度“搭焊模”－拼点机。也有不少企业，已经采用水等离子和精细等离子下料。
（4）周边设备的高精度要求有待研究。标准机器人有着广泛的用途，不仅仅用在焊接上。而焊接机器人的周边设备就是用在焊接上。周边设备的精度要求应与焊件和焊缝的精度要求相匹配。按着这种思路，周边设备的制造精度可以适当降低要求，降低造价。而且，实践证明是可行的。
焊接机器人的应用，与产品批量、劳动力成本、劳动保护及工件质量要求有关。进入中国的外资企业，按中国劳动力成本计算，一些企业并没有装备弧焊机器人。某些企业采用焊接机器人，也是用在简单、量大的焊件上，采用了“经济型焊接机器人集成系统”。这些经验，不仅值得工程机械行业的厂家借鉴，其它行业的厂家也可以参考。
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