摘要：本文以工程機(jī)械行業(yè)為例，敘述了弧焊機(jī)器人應(yīng)用存在的問題。提出了發(fā)展經(jīng)濟(jì)型弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)的思路，并給出了應(yīng)用實例?？晒┢髽I(yè)技術(shù)改造領(lǐng)導(dǎo)決策和工藝師制定技術(shù)方案時參考。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人、焊接、工程機(jī)械 一、引言 所謂弧焊機(jī)器人，一般指6軸機(jī)器人本體，夾持重量為6KG；另外，還應(yīng)包括一套控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)（焊接電源、焊槍及水冷系統(tǒng)、焊接軟件系統(tǒng)等）。其它：起始點(diǎn)尋找、焊縫跟蹤等，需要特殊訂貨。為完成一項弧焊機(jī)器人工程，除需要弧焊機(jī)器人以外，還需要實用的周邊設(shè)備。弧焊機(jī)器人與周邊設(shè)備組成的系統(tǒng)，稱弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)。 周邊設(shè)備的設(shè)計依據(jù)是上機(jī)焊接的工件，由于焊件的差異很大，需要的周邊設(shè)備的差異也就很大，繁簡不一。從焊件的焊接要求分析，周邊設(shè)備的用途大致可分為三種類型。 其一，簡易型，周邊設(shè)備僅用來支持機(jī)器人本體和裝夾焊件，如：C型架、平臺以及夾具等。 其二， 工位變換型， 該型除具有上述功能外，還具有工位變換功能。其周邊設(shè)備除具有上述裝置外，還可能包括單、雙回轉(zhuǎn)和傾翻%回轉(zhuǎn)式變位機(jī)等； 其三， 協(xié)調(diào)焊接型, 該型除具有上述功能外，還具有協(xié)調(diào)焊接功能。其周邊設(shè)備除具有上述設(shè)備外，還可能包括一個或多個做成外部軸的變位機(jī)、龍門架及滑板、地軌及滑板等?；『笝C(jī)器人是成熟、標(biāo)準(zhǔn)、批量生產(chǎn)的高科技產(chǎn)品，價格不貴。但設(shè)計一項弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)， 其上述周邊設(shè)備是非標(biāo)準(zhǔn)的。這些設(shè)備需要專業(yè)設(shè)計和非標(biāo)產(chǎn)品制造，其價格是比較昂貴的。在結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)上，企業(yè)的競爭一方面要裝備弧焊機(jī)器人，提高產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面要減少設(shè)備投資，降低產(chǎn)品成本。這是企業(yè)家考慮的事。 另外，從技術(shù)方面考慮，購置機(jī)器人不能脫離企業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀。采用機(jī)器人焊接的前道工序，下料精度，組對精度都有嚴(yán)格要求。如果達(dá)不到要求，就會導(dǎo)致機(jī)器人應(yīng)用失敗。尤其是復(fù)雜焊件，問題更比較突出。 筆者從現(xiàn)實技術(shù)和優(yōu)化投資的角度綜合考慮，提出了發(fā)展、裝備經(jīng)濟(jì)型弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)的思路。這種思路于九十年代在某合資企業(yè)已經(jīng)成功應(yīng)用。 二、工程機(jī)械行業(yè)弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)裝備及應(yīng)用情況 工程機(jī)械行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，始建于1961年。在六、七十年代，工程機(jī)械分為八大類。自“七五”以后，隨著國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)的發(fā)展， 給工程機(jī)械提供了較大的發(fā)展空間，產(chǎn)品品種、產(chǎn)量均有大幅度增長。中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會把工程機(jī)械擴(kuò)展到18類122組產(chǎn)品，形成了18個協(xié)會分支，會員單位約1000個生產(chǎn)廠家。本文所討論的問題僅涉及到工程機(jī)械行業(yè)的主要企業(yè)，即：挖掘機(jī)械、裝載機(jī)、推土機(jī)和工程起重機(jī)等生產(chǎn)廠家。在“八五”期間，由部委專項經(jīng)費(fèi)支持，一些裝載機(jī)、推土機(jī)廠家裝備了焊接機(jī)器人集成系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)線。 1、機(jī)器人集成系統(tǒng)裝備和應(yīng)用的基本情況 據(jù)筆者不完全統(tǒng)計，擁有弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)的廠家約20余家。其中，裝載機(jī)行業(yè)大約9家，推土機(jī)行業(yè)5家，工程起重機(jī)行業(yè)大約3家，挖掘機(jī)行業(yè)大約5家。其中，包括多條弧焊機(jī)器人柔性生產(chǎn)線。這些弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)，全部是進(jìn)口的。包括：igm、cloos、ABB及3K（安川）等廠家的產(chǎn)品。設(shè)備購置費(fèi)用很高，一個焊接單400－500萬元；一條柔性生產(chǎn)線1500－3000萬元。昂貴的設(shè)備投資，應(yīng)用情況基本為不理想。相比之下，一些外資企業(yè)，要么沒有裝備焊接機(jī)器人；要么裝備的焊接機(jī)器人，應(yīng)用效果很好。 應(yīng)用的具體情況如下： （1）幾條焊接機(jī)器人柔性生產(chǎn)線，全部不能實現(xiàn)設(shè)計功能。較好的生產(chǎn)線，做單機(jī)使用；應(yīng)用比較差的生產(chǎn)線，差到千余萬元的設(shè)備，一次沒有應(yīng)用； （2）弧焊機(jī)器人單機(jī)也沒有達(dá)到設(shè)計要求。使用較好的， 可焊率達(dá)到設(shè)計要求的40－50％，或20－30％應(yīng)用差的，差到幾百萬元的設(shè)備沒有應(yīng)用； （3）筆者見到應(yīng)用機(jī)器人焊接較好的例子，大都用在焊縫簡單的焊件上。如挖掘機(jī)動臂中段、斗桿、履帶架、中間架環(huán)縫；裝載機(jī)橋殼、動臂；推土機(jī)臺車架（履帶架）等。在焊縫分布復(fù)雜的中厚板焊件焊接上，采用機(jī)器人焊接，尚未看到應(yīng)用較好的例子。如裝載機(jī)的前車架，大約可焊率僅能達(dá)不到20％－50％，需要二次上變位機(jī)焊接 2、焊接機(jī)器人應(yīng)用效果不良的原因 首先，在工藝設(shè)計中，對設(shè)備選型沒有深入研究，以為機(jī)器人是“萬能”的。選擇的焊件，焊縫分布復(fù)雜，機(jī)器人難以適應(yīng)。一個焊件，幾十道甚至百道焊道，即使機(jī)器人具有起始點(diǎn)尋找和跟蹤功能，由于待焊焊道的偏差，機(jī)器人在完成焊接20％－30％，多者40％－50％焊接以后，夾持的焊槍就可能偏離焊道了。有這樣的一個設(shè)計，要求用一條機(jī)器人柔性焊接生產(chǎn)線，完成推土機(jī)幾個大焊件的焊接，這幾乎是不可能的。 其次，焊坯制造精度低。焊接的前序，存在兩個問題：一是下料精度低，達(dá)不到要求；二是組對（焊坯的拼裝、點(diǎn)焊）設(shè)備精度低。由于切割下料的熱變形，焊件的板坯誤差較大。下道工序又在低精度的搭焊模（拼點(diǎn)機(jī)或焊胎）上組對、制坯。這樣， 生產(chǎn)的焊坯，其待焊焊縫的“互換”性很差，滿足不了示教精度要求。筆者目睹，某主梁6條主要待焊焊道的間隙，大小相差約10mm之多。進(jìn)口的機(jī)器人，就在車間里，沒法使用。 三、經(jīng)濟(jì)型弧焊機(jī)器人及其應(yīng)用 1、經(jīng)濟(jì)型弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng) 所謂經(jīng)濟(jì)型弧焊機(jī)器人集成系統(tǒng)是價格便宜的系統(tǒng)。如果一個焊接工作單元，由一臺焊接機(jī)器人和一臺或兩臺焊接變位機(jī)組成，價格在百萬之內(nèi)，這個價格是非經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人系統(tǒng)的1/3－1/5，可稱經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)。主要用在焊縫分布簡單，焊接工作量大，焊接勞動強(qiáng)度大、焊接環(huán)境惡劣的工件。 一般焊接機(jī)器人要求周邊設(shè)備的傳動精度偏高，如要求變位機(jī)傳動精度1米直徑，容差±0.15（±1’）。而普通的回轉(zhuǎn)支承，1米直徑的徑向跳動量， 超過0.3mm普通減速機(jī)的傳動間隙也達(dá)不到要求。這些要求是可以放寬的，我們用普通電機(jī)、減速機(jī)和回轉(zhuǎn)支承作成的變位機(jī)， 與機(jī)器人組成的集成系統(tǒng)已經(jīng)在外資公司服役七年， 仍在正常工作。證明這種經(jīng)濟(jì)型的設(shè)備是實用的。 2、典型應(yīng)用實例 （1）傾翻回轉(zhuǎn)式變位機(jī)－機(jī)器人自動焊接系統(tǒng) 這個系統(tǒng)由傾翻回轉(zhuǎn)調(diào)速式變位機(jī)、焊接機(jī)器人和plc 集中控制系統(tǒng)等組成。 變位機(jī)的兩套傳動系統(tǒng)，工作臺回轉(zhuǎn)加編碼器，傾翻工位變換，采用行程開關(guān)。這套系統(tǒng)的控制,由兩套控制系統(tǒng)組成，除焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)外，還另做一套變位機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。在作業(yè)過程中，兩控制系統(tǒng)信息交換，協(xié)調(diào)工作。 變位機(jī)的功能有二，其一， 工位變換，工作臺的工位為0°、45° 、90°；其二，回轉(zhuǎn)傳動為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，滿足環(huán)焊縫焊接速度要求， 焊接過程可無人操作。 這個系統(tǒng)也可以做成焊接專機(jī)系統(tǒng)（變位機(jī)1操作機(jī)）。如果專機(jī)系統(tǒng)沒有焊槍跟蹤、擺動，焊接過程需要人工時實監(jiān)控、跟蹤。機(jī)器人系統(tǒng)解決了專機(jī)不能解決的全部問題。 （2）雙坐單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)－機(jī)器人自動焊接系統(tǒng) 這個系統(tǒng)由變位機(jī)、焊接機(jī)器人及落地滑板（外部軸）等組成。變位機(jī)為單回轉(zhuǎn)式，回轉(zhuǎn)傳動加編碼器。變位機(jī)的功能為回轉(zhuǎn)定8個工位。變位機(jī)不參與協(xié)調(diào)焊接。這套變位機(jī)－焊接機(jī)器人系統(tǒng),配焊接機(jī)器人的工位變換變位機(jī)，有立式和臥式兩類產(chǎn)品，工位數(shù)可有2、4、8等?；驹砼c上述產(chǎn)品大致相同。8工位的變位機(jī)，機(jī)器人發(fā)給變位機(jī)的轉(zhuǎn)角指令為3bit信號， 由000、001、011、100、101、110、111構(gòu)成八種工作狀態(tài)。這個用普通電機(jī)、減速機(jī)、編碼器做成的工位變換系統(tǒng)很多。根據(jù)配套的焊接機(jī)器人不同和工件不同，設(shè)計的細(xì)節(jié)也不同。對薄板焊接件，不能跟蹤，其工位定位還可加氣動銷。對中厚板焊件的工位定位，不需要那么嚴(yán)格，傳動到位即可。如， 挖掘機(jī)履帶架、斗桿、動臂中段焊接等，均獲得成功。 四、關(guān)于裝備焊接機(jī)器人集成系統(tǒng)的思考 （1）支持發(fā)展經(jīng)濟(jì)型焊接機(jī)器人集成系統(tǒng)。在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中，總體工藝水平外資高于內(nèi)資企業(yè)。外資企業(yè)的焊接機(jī)器人裝備情況，不如內(nèi)資企業(yè)（大、中型）裝備率高。但某外資企業(yè)采用了經(jīng)濟(jì)型焊接機(jī)器人集成系統(tǒng)，比較經(jīng)濟(jì)、合理，這是值得借鑒的經(jīng)驗。 （2）合理選擇應(yīng)用對象。應(yīng)當(dāng)選擇焊接工作量大，焊縫分布簡單（如,長直、圓周環(huán)焊縫等）的工件，作為機(jī)器人焊接工件。就目前的工業(yè)水平而言，普通數(shù)控切割下料，普通的裝焊工藝，裝備焊接機(jī)器人柔性生產(chǎn)線是不實際的。在我國，迄今為止，弧焊機(jī)器人系統(tǒng)，購置不少。用在中厚板復(fù)雜焊件焊接上，尚無成功范例。復(fù)雜焊件或焊縫分布復(fù)雜的焊件，大量采用變位機(jī)焊接是合理的。 （3）焊接機(jī)器人應(yīng)用是一個系統(tǒng)工程。結(jié)構(gòu)件焊接水平應(yīng)與下料、組對等生產(chǎn)工藝水平同步提高。某外資企業(yè)，板材下料已經(jīng)采用多臺激光切割機(jī)； 組對采用高精度“搭焊?！保袋c(diǎn)機(jī)。也有不少企業(yè)，已經(jīng)采用水等離子和精細(xì)等離子下料。 （4）周邊設(shè)備的高精度要求有待研究。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人有著廣泛的用途，不僅僅用在焊接上。而焊接機(jī)器人的周邊設(shè)備就是用在焊接上。周邊設(shè)備的精度要求應(yīng)與焊件和焊縫的精度要求相匹配。按著這種思路，周邊設(shè)備的制造精度可以適當(dāng)降低要求，降低造價。而且，實踐證明是可行的。 焊接機(jī)器人的應(yīng)用，與產(chǎn)品批量、勞動力成本、勞動保護(hù)及工件質(zhì)量要求有關(guān)。進(jìn)入中國的外資企業(yè)，按中國勞動力成本計算，一些企業(yè)并沒有裝備弧焊機(jī)器人。某些企業(yè)采用焊接機(jī)器人，也是用在簡單、量大的焊件上，采用了“經(jīng)濟(jì)型焊接機(jī)器人集成系統(tǒng)”。這些經(jīng)驗，不僅值得工程機(jī)械行業(yè)的廠家借鑒，其它行業(yè)的廠家也可以參考。