自從20世紀(jì)60年代初,人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機(jī)器人以后,工業(yè)機(jī)器人就顯示出它極大的生命力,在短短40多年的時間中,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前,工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中,焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。本文以下重點介紹焊接機(jī)器人。

　　本文介紹了基于PC的機(jī)器人控制箱AXC、最新的動作控制方法、最新的激光傳感器、最適合弧焊的機(jī)器人、最適合點焊的機(jī)器人等技術(shù)內(nèi)容,一覽焊接機(jī)器人的最新動態(tài)。

　　技術(shù)一：基于PC的機(jī)器人控制箱AXC

　　OTC公司的AXC機(jī)器人控制箱是基于PC開發(fā)的,其特點是:功能更多,操作更加便利,保養(yǎng)更加高效。

　　AXC控制箱的軟件構(gòu)成

　　自從發(fā)明了Windows操作系統(tǒng),計算機(jī)才逐漸向一般家庭普及。這是因為Windows擁有超群的操作性能。但是,Windows是辦公用的OS,并不具備像機(jī)器人控制所需要的那種高度實時性。例如在連接因特網(wǎng)時,有時屏幕畫面會有短暫的等待,如果在機(jī)器人上發(fā)生這樣的情況,即使是一瞬間的停止也會造成焊接無法進(jìn)行。為此,OTC公司在Windows系統(tǒng)中加入具有實時控制功能的OS,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)器人控制軟件的開發(fā),最終實現(xiàn)在AXC控制箱上可以進(jìn)行所有的控制管理功能。

　　以往采用Windows系統(tǒng)的機(jī)器人控制箱,其構(gòu)成基本都是如圖1(a)所示,雖然發(fā)揮了Windows的操作性能,但是在實際應(yīng)用中其適應(yīng)能力沒有變化。與之不同,AXC控制箱則擁有如圖1(b)所示的構(gòu)成,實現(xiàn)了完全的PC化。圖2顯示了其軟件的構(gòu)成。

　　基于PC上的操作性

　　AXC控制系統(tǒng)中,示教盒只用來鍵操作及信息顯示。其特點是操作性能非常良好,具有與計算機(jī)一樣的彩色畫面顯示。

　　保養(yǎng)工作的高效化

　　使用AXC的保養(yǎng)輔助工具功能,能使原來困難的保養(yǎng)修理工作變得簡單。當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時,保養(yǎng)輔助工具不只是顯示故障代碼,還能夠以圖的形式顯示故障位置,從而縮短故障修復(fù)的時間。另外,零件更換的順序也能夠以實物照片的形式顯示和說明,不需要操作人員一手拿著使用說明書,一手進(jìn)行作業(yè)。

　　軟PLC功能的強(qiáng)化

　　AXC控制箱中藏有市場上銷售的高性能軟PLC功能（見圖3）,它支持國際標(biāo)準(zhǔn)語言IEC1131-3,在示教盒上面可以進(jìn)行梯形圖的編輯。另外,如果使用市場上銷售的編程工具,在PC的平臺上就可以進(jìn)行離線編程。使用AXC控制箱內(nèi)藏的軟PLC功能就可以控制周邊設(shè)備,不需要另外準(zhǔn)備夾具控制箱。

　　技術(shù)二：可控制姿態(tài)的激光傳感器

　　早在20年前,人們就開始利用激光傳感器檢出坡口斷面,從而實現(xiàn)跟蹤功能。目前,激光傳感器（見圖4）的檢出性能、可靠性和耐久性得到了大幅度的改善,從而使其能夠應(yīng)用于各種場合。另外,不僅是進(jìn)行跟蹤,它還附加了一些其他功能。在此對其中的一些主要功能作一下介紹。

　　基本原理

　　如圖5所示，將激光照在工件上,然后接受反射光,通過三角測距的原理測量出到工件的距離。但是這只是測量了1個點的距離。實際應(yīng)用時則通過操作內(nèi)部的掃描鏡,使激光傳感器在工件坡口方向擺動,通過測量到坡口位置的距離,從而得出端面形狀。

　　6D跟蹤

　　傳統(tǒng)的激光傳感器采用的是2D跟蹤控制的方法,在焊縫跟蹤過程中無法實現(xiàn)焊槍姿態(tài)的變更。如果使用激光傳感器的6D跟蹤功能,則不僅可以實現(xiàn)焊縫的跟蹤,還可以實現(xiàn)焊槍角度的自動調(diào)整。

　　6D跟蹤的原理是:機(jī)器人控制器管理著機(jī)器人底座坐標(biāo)原點到焊槍坐標(biāo)系之間的位置姿勢bTt,而激光傳感器則測量從傳感器坐標(biāo)系看的工件坡口的位置姿勢cTs。在這里,對工具坐標(biāo)系來說,由于激光傳感器坐標(biāo)系是固定不動的,tTc是已知的固定值,所以利用高速通信技術(shù)可以同時求出bTt與cTs。從機(jī)器人底座坐標(biāo)看的坡口位置姿勢bTs就可以從以下公式中求得:

　　bTs=bTt·tTc·cTs

　　此作為檢出軌跡,只要焊槍按此軌跡移動的話,就可以實現(xiàn)沿著坡口的位置姿態(tài)自動跟蹤。

　　適應(yīng)性控制

　　激光傳感器測量坡口的端面形狀,可以檢出搭接接頭的間隙。根據(jù)檢出的間隙量自動調(diào)整焊接條件的功能就是所謂的適應(yīng)性控制。OTC公司的激光傳感器根據(jù)檢出的間隙量可以自動調(diào)整焊接速度、焊接條件、擺弧條件、焊絲對準(zhǔn)位置、焊槍姿態(tài)等。

　　焊接結(jié)束后,再次使用激光傳感器對焊縫進(jìn)行測量可以檢出焊縫的形狀;通過圖像處理計算出焊腳長度、咬邊尺寸,將測量出來的值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,判斷焊件是否合格;還可以將此結(jié)果輸出到外部設(shè)備。OTC公司的激光傳感器可以進(jìn)行自動跟蹤、適應(yīng)性控制、焊縫檢查,從而保證了焊接質(zhì)量。

　　技術(shù)三：最適合弧焊的機(jī)器人

　　AX-V4AP電纜內(nèi)藏機(jī)器人是作為最適合弧焊的機(jī)器人而被開發(fā)的。由于同軸電纜內(nèi)藏在機(jī)器人本體中,避免了與工件及夾具的干涉。傳統(tǒng)機(jī)器人（如圖6所示）的同軸電纜暴露在外,且彎曲程度大,經(jīng)常會與工件發(fā)生干涉。如果使用AX-V4AP機(jī)器人則可以非常順利地接近工件。

　　另外,由于使用離線編程時同軸電纜的模擬非常困難,所以在做模擬時就無法進(jìn)行這一部分的干涉確認(rèn),只能通過實際動作進(jìn)行確認(rèn)。如果使用AX-V4AP機(jī)器人則沒有上述同軸電纜的問題,從而更加方便地使用離線編程軟件進(jìn)行模擬。

　　機(jī)器人RS功能（見表1）

　　在使用機(jī)器人的自動化焊接生產(chǎn)線上,經(jīng)常會發(fā)生臨時停止的問題,而引起這個問題的最主要原因是起弧不良。為減少起弧不良發(fā)生率,在AX-V4AP機(jī)器人上新開發(fā)了機(jī)器人RS功能。其實OTC公司原來在使用伺服送絲裝置時,就開發(fā)了RS功能（回抽絲起弧功能）。而在AX-V4AP機(jī)器人上新開發(fā)的RS功能不需要伺服送絲裝置,通過普通的送絲裝置與機(jī)器人動作的結(jié)合就可以實現(xiàn)順利起弧。

　　焊接電源的控制

　　作為最適合弧焊的機(jī)器人的要素之一,在機(jī)器人上最大程度地利用焊接電源的功能是非常關(guān)鍵的。OTC公司在機(jī)器人與焊接電源的通信上使用了CAN通信技術(shù)。CAN通信技術(shù)具有ABS、安全氣囊的控制所需要的高反應(yīng)性及高可靠性,而且CAN通信技術(shù)使用的電子元件也具有較高的耐溫性及抗干擾性。

　　使用上述CAN通信手段,即使在焊接施工現(xiàn)場也可以實現(xiàn)穩(wěn)定的雙向通信,從而可以在機(jī)器人與焊接電源之間進(jìn)行大量的、高速的信號交流,最終實現(xiàn)對焊接電源及機(jī)器人地更好控制。

　　通過使用上述高速通信技術(shù),可以將焊接電源的豐富功能充分地應(yīng)用到機(jī)器人上。焊接條件、脈沖的有無、電弧的特性等可以根據(jù)工件的板厚、間隙的大小、焊槍的姿態(tài)在機(jī)器人上進(jìn)行自由設(shè)定。

　　技術(shù)四：最適合點焊的機(jī)器人

　　OTC公司從焊接的觀點出發(fā)徹底追求最適合點焊的性能,并開發(fā)出了最適合點焊的機(jī)器人。新開發(fā)的機(jī)器人豐富了點焊的應(yīng)用功能,進(jìn)一步縮短了節(jié)拍時間,減少了由于焊接電纜引起的與夾具的干涉,實現(xiàn)了對每個打點的質(zhì)量管理。

　　點焊控制器內(nèi)藏于AX機(jī)器人控制箱中（見圖7）

　　利用基于PC的控制箱的擴(kuò)充性,開發(fā)了可以內(nèi)藏于機(jī)器人控制箱內(nèi)的點焊控制器(TIMER)。以往的點焊控制器(TIMER)外接時通過I/O連接需要花費(fèi)較長時間,而采用內(nèi)藏型AX控制箱可以做到高速通信,減少了時間浪費(fèi),每個打點可以節(jié)約0.1s的節(jié)拍時間。

　　另外,由于采用了點焊控制器(TIMER)內(nèi)藏的結(jié)構(gòu),可以在機(jī)器人示教盒上（見圖8）實現(xiàn)點焊需要的各種參數(shù)、焊接周期的設(shè)定,以及焊接結(jié)果、焊接記錄的顯示。示教盒上還可以顯示電流值、電阻值、溫度水平的波形。通過對電阻變化進(jìn)行確認(rèn),判斷有無間隙和分流,從而對加壓力、電流值的設(shè)定作參考。另外,通過對波形進(jìn)行確認(rèn),可以減少實際工件上焊接條件調(diào)整的時間。

圖8  在機(jī)器人示教盒上可以進(jìn)行各種設(shè)定

　　減少點焊火花的RE控制

　　通過對溫度水平及通電時間進(jìn)行控制,根據(jù)情況變化電流,輸入希望得到打點的最佳能量。溫度水平是將計算得到的焊接部位的平均溫度乘上1/10后表示的數(shù)值。RE控制具有以下特點:

　　①由于能夠掌握能量狀態(tài),減少點焊火花；

　　②即使是使用已消耗的電極也能得到最佳的打點；

　　③能夠減少由于間隙和分流引起的打點不良；

　　④即使是連續(xù)打點也沒有不必要的電耗；

　　⑤由于連續(xù)打點數(shù)的增加，延長了電極修磨器的刀片的壽命。與傳統(tǒng)的恒電流控制相比較，RE能夠控制溫度水平，不受間隙的有無、電極消耗、分流等因素的影響,能夠得到穩(wěn)定的打點。