摘要：本文以工程機械行業為例，敘述了弧焊機器人應用存在的問題。提出了發展經濟型弧焊機器人集成系統的思路，并給出了應用實例。可供企業技術改造領導決策和工藝師制定技術方案時參考。 關鍵詞：機器人、焊接、工程機械 一、引言 所謂弧焊機器人，一般指6軸機器人本體，夾持重量為6KG；另外，還應包括一套控制系統和焊接系統（焊接電源、焊槍及水冷系統、焊接軟件系統等）。其它：起始點尋找、焊縫跟蹤等，需要特殊訂貨。為完成一項弧焊機器人工程，除需要弧焊機器人以外，還需要實用的周邊設備。弧焊機器人與周邊設備組成的系統，稱弧焊機器人集成系統。 周邊設備的設計依據是上機焊接的工件，由于焊件的差異很大，需要的周邊設備的差異也就很大，繁簡不一。從焊件的焊接要求分析，周邊設備的用途大致可分為三種類型。 其一，簡易型，周邊設備僅用來支持機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。其周邊設備除具有上述裝置外，還可能包括單、雙回轉和傾翻%回轉式變位機等； 其三， 協調焊接型, 該型除具有上述功能外，還具有協調焊接功能。其周邊設備除具有上述設備外，還可能包括一個或多個做成外部軸的變位機、龍門架及滑板、地軌及滑板等。弧焊機器人是成熟、標準、批量生產的高科技產品，價格不貴。但設計一項弧焊機器人集成系統， 其上述周邊設備是非標準的。這些設備需要專業設計和非標產品制造，其價格是比較昂貴的。在結構件生產上，企業的競爭一方面要裝備弧焊機器人，提高產品質量；另一方面要減少設備投資，降低產品成本。這是企業家考慮的事。 另外，從技術方面考慮，購置機器人不能脫離企業技術現狀。采用機器人焊接的前道工序，下料精度，組對精度都有嚴格要求。如果達不到要求，就會導致機器人應用失敗。尤其是復雜焊件，問題更比較突出。 筆者從現實技術和優化投資的角度綜合考慮，提出了發展、裝備經濟型弧焊機器人集成系統的思路。這種思路于九十年代在某合資企業已經成功應用。 二、工程機械行業弧焊機器人集成系統裝備及應用情況 工程機械行業是國民經濟支柱產業之一，始建于1961年。在六、七十年代，工程機械分為八大類。自“七五”以后，隨著國民經濟、國防建設的發展， 給工程機械提供了較大的發展空間，產品品種、產量均有大幅度增長。中國工程機械工業協會把工程機械擴展到18類122組產品，形成了18個協會分支，會員單位約1000個生產廠家。本文所討論的問題僅涉及到工程機械行業的主要企業，即：挖掘機械、裝載機、推土機和工程起重機等生產廠家。在“八五”期間，由部委專項經費支持，一些裝載機、推土機廠家裝備了焊接機器人集成系統和柔性生產線。 1、機器人集成系統裝備和應用的基本情況 據筆者不完全統計，擁有弧焊機器人集成系統的廠家約20余家。其中，裝載機行業大約9家，推土機行業5家，工程起重機行業大約3家，挖掘機行業大約5家。其中，包括多條弧焊機器人柔性生產線。這些弧焊機器人集成系統，全部是進口的。包括：igm、cloos、ABB及3K（安川）等廠家的產品。設備購置費用很高，一個焊接單400－500萬元；一條柔性生產線1500－3000萬元。昂貴的設備投資，應用情況基本為不理想。相比之下，一些外資企業，要么沒有裝備焊接機器人；要么裝備的焊接機器人，應用效果很好。 應用的具體情況如下： （1）幾條焊接機器人柔性生產線，全部不能實現設計功能。較好的生產線，做單機使用；應用比較差的生產線，差到千余萬元的設備，一次沒有應用； （2）弧焊機器人單機也沒有達到設計要求。使用較好的， 可焊率達到設計要求的40－50％，或20－30％應用差的，差到幾百萬元的設備沒有應用； （3）筆者見到應用機器人焊接較好的例子，大都用在焊縫簡單的焊件上。如挖掘機動臂中段、斗桿、履帶架、中間架環縫；裝載機橋殼、動臂；推土機臺車架（履帶架）等。在焊縫分布復雜的中厚板焊件焊接上，采用機器人焊接，尚未看到應用較好的例子。如裝載機的前車架，大約可焊率僅能達不到20％－50％，需要二次上變位機焊接 2、焊接機器人應用效果不良的原因 首先，在工藝設計中，對設備選型沒有深入研究，以為機器人是“萬能”的。選擇的焊件，焊縫分布復雜，機器人難以適應。一個焊件，幾十道甚至百道焊道，即使機器人具有起始點尋找和跟蹤功能，由于待焊焊道的偏差，機器人在完成焊接20％－30％，多者40％－50％焊接以后，夾持的焊槍就可能偏離焊道了。有這樣的一個設計，要求用一條機器人柔性焊接生產線，完成推土機幾個大焊件的焊接，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，達不到要求；二是組對（焊坯的拼裝、點焊）設備精度低。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（拼點機或焊胎）上組對、制坯。這樣， 生產的焊坯，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。進口的機器人，就在車間里，沒法使用。 三、經濟型弧焊機器人及其應用 1、經濟型弧焊機器人集成系統 所謂經濟型弧焊機器人集成系統是價格便宜的系統。如果一個焊接工作單元，由一臺焊接機器人和一臺或兩臺焊接變位機組成，價格在百萬之內，這個價格是非經濟型機器人系統的1/3－1/5，可稱經濟型系統。主要用在焊縫分布簡單，焊接工作量大，焊接勞動強度大、焊接環境惡劣的工件。 一般焊接機器人要求周邊設備的傳動精度偏高，如要求變位機傳動精度1米直徑，容差±0.15（±1’）。而普通的回轉支承，1米直徑的徑向跳動量， 超過0.3mm普通減速機的傳動間隙也達不到要求。這些要求是可以放寬的，我們用普通電機、減速機和回轉支承作成的變位機， 與機器人組成的集成系統已經在外資公司服役七年， 仍在正常工作。證明這種經濟型的設備是實用的。 2、典型應用實例 （1）傾翻回轉式變位機－機器人自動焊接系統 這個系統由傾翻回轉調速式變位機、焊接機器人和plc 集中控制系統等組成。 變位機的兩套傳動系統，工作臺回轉加編碼器，傾翻工位變換，采用行程開關。這套系統的控制,由兩套控制系統組成，除焊接機器人控制系統外，還另做一套變位機的PLC控制系統。在作業過程中，兩控制系統信息交換，協調工作。 變位機的功能有二，其一， 工位變換，工作臺的工位為0°、45° 、90°；其二，回轉傳動為交流變頻調速系統，滿足環焊縫焊接速度要求， 焊接過程可無人操作。 這個系統也可以做成焊接專機系統（變位機1操作機）。如果專機系統沒有焊槍跟蹤、擺動，焊接過程需要人工時實監控、跟蹤。機器人系統解決了專機不能解決的全部問題。 （2）雙坐單回轉式變位機－機器人自動焊接系統 這個系統由變位機、焊接機器人及落地滑板（外部軸）等組成。變位機為單回轉式，回轉傳動加編碼器。變位機的功能為回轉定8個工位。變位機不參與協調焊接。這套變位機－焊接機器人系統,配焊接機器人的工位變換變位機，有立式和臥式兩類產品，工位數可有2、4、8等。基本原理與上述產品大致相同。8工位的變位機，機器人發給變位機的轉角指令為3bit信號， 由000、001、011、100、101、110、111構成八種工作狀態。這個用普通電機、減速機、編碼器做成的工位變換系統很多。根據配套的焊接機器人不同和工件不同，設計的細節也不同。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，不需要那么嚴格，傳動到位即可。如， 挖掘機履帶架、斗桿、動臂中段焊接等，均獲得成功。 四、關于裝備焊接機器人集成系統的思考 （1）支持發展經濟型焊接機器人集成系統。在工程機械結構件生產中，總體工藝水平外資高于內資企業。外資企業的焊接機器人裝備情況，不如內資企業（大、中型）裝備率高。但某外資企業采用了經濟型焊接機器人集成系統，比較經濟、合理，這是值得借鑒的經驗。 （2）合理選擇應用對象。應當選擇焊接工作量大，焊縫分布簡單（如,長直、圓周環焊縫等）的工件，作為機器人焊接工件。就目前的工業水平而言，普通數控切割下料，普通的裝焊工藝，裝備焊接機器人柔性生產線是不實際的。在我國，迄今為止，弧焊機器人系統，購置不少。用在中厚板復雜焊件焊接上，尚無成功范例。復雜焊件或焊縫分布復雜的焊件，大量采用變位機焊接是合理的。 （3）焊接機器人應用是一個系統工程。結構件焊接水平應與下料、組對等生產工藝水平同步提高。某外資企業，板材下料已經采用多臺激光切割機； 組對采用高精度“搭焊模”－拼點機。也有不少企業，已經采用水等離子和精細等離子下料。 （4）周邊設備的高精度要求有待研究。標準機器人有著廣泛的用途，不僅僅用在焊接上。而焊接機器人的周邊設備就是用在焊接上。周邊設備的精度要求應與焊件和焊縫的精度要求相匹配。按著這種思路，周邊設備的制造精度可以適當降低要求，降低造價。而且，實踐證明是可行的。 焊接機器人的應用，與產品批量、勞動力成本、勞動保護及工件質量要求有關。進入中國的外資企業，按中國勞動力成本計算，一些企業并沒有裝備弧焊機器人。某些企業采用焊接機器人，也是用在簡單、量大的焊件上，采用了“經濟型焊接機器人集成系統”。這些經驗，不僅值得工程機械行業的廠家借鑒，其它行業的廠家也可以參考。