工业机器人在汽车零部件中应用

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摘要：在机器人技术快速提升、人力资源短缺、人力成本逐年提升等多种因素的共同作用下，使得工业机器的应用成为企业的迫切需要。为此，锦州立德减振器有限公司与辽宁理工职业大学合作对机器人进行改造，安装、调试、将机器人投入到生产线中代替单调的、重复的体力劳动进而提高生产效率和现代化生产水平。

关键词：工业机器人；系统集成；生产效率

0引言

机器人是衡量科技创新和制造业水平的标志。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局。机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。习近平总书记提出不仅要把技术水平提高上去，而且要尽可能多地占领市场。锦州立德减振器有限公司专业从事汽车减振器及零件研发、制造、销售。公司为了适应减震器规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量。于是计划用一套焊接机器人代替人工作业。随着现代科技的不断前进，工业机器人融合了机械、控制、传感检测等多门学科。对于传统的生产企业来说是一个新技术。将工业机器人应用到汽车零部件生产过程中具有如下优点：淤企业生产成本的缩减。工业机器人与传统的人工不同，工业机器人是先进的智能制造设备，设备不需要吃饭、休息等需求，可以代替人类全天无间断生产。例如在厂房脏乱的条件中进行复杂的、重复的搬运任务。若是利用人员来操作，则需要几个甚至几十个员工，而设备不一样，只需一个人维护一台或者多台工业机器人即可完成复杂、重复乏味的搬运操作，为生产企业节省了人工成本。另外，工业机器人是由程序控制的。选择适用于生产任务要求的机械手会减小废品的出现，提高了产品的合格率。于提高产品的生产效率。由于工业机器人是智能制造设备，机器人的运行程序编写完成之后，可以无限次重复再现运行。所以生产单件产品所耗费的时间是固定的，而人工则不同，如人员自身操作设备的熟练程度、身体情绪状态等原因，则会导致单件产品的耗时不同。同时人工作业，生产出的产品品质各不相同，产品的成品率较低，造成原料的浪费。而机械手设备则不同，生产成品效率较人工更高。盂安全系数较高。目前很多企业的很多岗位都需要实行24小时倒班制度，根据实际情况分时段安排人员值班，以实现24小时不落岗的生产经营方式。但倒班制首先应解决人员的配置问题。并不是所有人都喜欢晚上或通宵工作，而且喜欢的人还不一定能适应。如果班次倒得太频繁，人的生物钟就会失控，直接影响正常的睡眠质量，甚至因为疲劳出现工伤事故。使用机器人作业只要人员遵守安全操作规则，不进入工业机器人的干涉区则不会出现安全事故，减少人员伤亡。于是锦州立德减振器有限公司与辽宁理工职业大学合作对机器人进行配置，安装、调试、将机器人投入到生产线中代替单调的、重复的体力劳动进而提高生产效率和现代化生产水平。该项目在松下焊接工业机器人的基础上，通过示教编程实现了焊接作业。将焊枪移至生产设备实施焊接，提高了生产效率，减轻了操作者繁重的体力劳动。一个完整的工业机器人弧焊系统是由工业机器人、焊枪、焊机、送丝机、焊丝、焊丝盘等组成，要想使焊接机器人完成焊接作业适用于生产，就必须要解决以下难点：

1工作站系统组成及各单元间的连接

1.1工作站系统组成

本工作站采用Panasonic弧焊工业机器人，配有控制柜和示教编程器。如图1所示，通过控制柜连接示教盒和机器人。控制柜里有着内置PLC，可以控制一定的输入输出。示教盒是机器人的人机界面，通过示教盒，操作员可以查看机器人的工作状态、修改运行参数、编辑运动程序等工作。机器人工作站的外围设备是十分丰富和复杂的，为了满足不同的作业要求，推出了各种各样的外围设备，如果没有这些丰富的外围设备，只有一台机器人，将没有任何实际应用价值，也无法完成一些具体的工作任务。这些外围设备都是根据作业内容、工件类型、质量要求等参数配备的。外围设备配备的好坏很大程度上影响着机器人的工作效率。是工作站系统设计中不可缺失的一环。本工作站系统中弧焊系统是各外围设备中最重要的一环。包括焊接专用电源、送丝机构、焊枪、剪丝器、焊枪清理装置、保护气装置。这些设备在机器人控制柜的控制下与机器人系统配合完成弧焊任务。淤焊接电源。焊接电源是弧焊系统中最重要的设备，因为焊接电源的性能强烈影响着焊接质量。一台能够精确控制电压电流的焊接电源肯定能更好的控制焊接质量。系统采用PanasonicYD-350GL机器人专用焊接电源，能与机器人控制柜通过IO通讯，焊接信号及焊接参数通过控制柜传递给焊接电源。于送丝机构。送丝机构保证在焊接过程中，不断均匀送入焊丝以补充焊丝的消耗，在送丝过程中，送丝机应保证送丝的稳定均匀，否则容易卡住送丝机造成送丝困难，影响焊接质量。送丝机绑定在机器人上，其大小重量对机器人的空间运动有着一定的影响，太大和太重的送丝机往往增大了机器人的负荷，增大运动惯性，因此降低了机器人运动时的稳定性和精确性。在焊枪工作一段时间后，焊枪内部可能存在一些飞溅，为了保证焊接质量，需要定期清理飞溅。盂焊接保护气。焊接保护气目前使用较多的是二氧化碳保护气和氩保护气，这两种保护气有各自的优缺点。由于二氧化碳气体热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断。因此，与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头。因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一。使用Ar保护气时，惰性保护气体不参与熔池的冶金反应，适用于各种质量要求较高或易氧化的金属材料，如不锈钢、铝、钛、错等的焊接，但成本较高。也有保护气体以氩为主，加入适量的二氧化碳（15~30%）或氧（0.5耀5%）。与二氧化碳气体保护焊相比，这种保护焊焊接规范较宽，成形较好，质量较佳；与熔化极惰性气体保护焊相比，熔池较活泼，冶金反应较佳。

1.2各单元间的连接

弧焊机器人各单元间的连接包括焊机和送丝机，焊机和焊接工作台，焊机和加热器，送丝机和机器人柜，焊枪和送丝机，气瓶和送丝机气管等。完成上述工作后，连接焊机电源，接入焊丝和保护气体，即可进行焊接。完整焊接系统接线示意图如图2所示。

1.3夹具的设计

针对汽车产业减震器的特点，对汽车减震器的焊接工序进行分析，主要包括弧形焊接作业和直线焊接作业，根据以上3点要求设计适合汽车减震器的工装夹具，以便精确定位减震器工件。夹具设计时需要满足以下要求：淤保证可靠性：人工装配时需要考虑待焊减震器工件是否可靠夹紧，焊接作业时减震器工件是否受到夹具的挤压变形等情况。于可制造性：夹具设计时需要考虑夹具的材质，减少加工成本的支出。盂精度要求：设计夹具时，需要满足加工的制造精度，同时夹具固定时也许考虑安装精度，以及夹具的合理布局等因素。设计减震器夹具时，运用Solidworks软件进行夹具三维模型设计，Solidworks软件是当前设计制造领域流行的一款三维设计软件，其应用涉及汽车制造、机器人、数控机床等众多领域。设计步骤包括草图绘制、零件建模、装配体设计、工程图、运动分析等。将相关数据标注到二维工程图中，生成工程图纸。

2弧焊机器人信号设定

通讯与I/0在机器人工作站中是十分重要的一环,将机器人工作站的各组成部分协调起来，保持工作站有序稳定的工作，在机器人工作站的系统编程中，正确处理好各I/0端口的信号是关键所在。机器人控制柜的I/0端口是进行工作站系统设计时必需要了解的一块，在机器人控制柜中，有着一个机器人专用的PLC，机器人的内部信号必须通过该PLC的端口映射到通用输入输出端口，与外部设备（包括外部控制器）进行衔接。为了完成弧焊机器人与生产线的系统集成，必须根据板卡的地址情况进行信号的分配。主要信号有数字输出信号和数字输入信号。针对于本项目，解决好工业机器人与自动化生产线成套设备之间的交互是生产过程的关键部分。将待焊工件安装到A夹具之后，点击开始按钮，机器人夹持焊枪运动到设定姿态，机器人系统发出指令焊接电源开始焊接。同时，工人在B夹具上安装工件，待焊接完成，机器人夹持的焊枪移开，回到初始点位置，点击变位机旋转按钮，B夹具重复A夹具的作业动作，A、B夹具上的工件交替焊接。我们根据生产需求对各个设备接口进行重新定义，统一分配，以满足通信要求，对整个系统的信息流进行综合，然后再控制各个设备按流程运转。自动化生产线通过传感器与机器人连接，每个工位上都装有传感器，用于检测工件位置，当传感器检测到某个工位上有信号时机器人启动焊接作业，焊接完成之后进行下一工位工件的焊接作业，进而实现自动化生产线与工业机器人之间的信号交互。

3程序的编制

该项目的焊接机器人属于示教再现式工业机器人，主要由控制器和示教盒等构成。机器人示教编程是操作者与机器人之间的主要交流界面。操作者通过示教编程器对机器人进行各种操作、示教、编制程序，并可直接移动机器人。

3.1对机器人的路径进行规划

在编写程序的过程中为了避免机器人碰撞和姿态方面的问题，我们需要对机器人的路径进行规划，在选择机器人的运行轨迹和操作方法时，采用示教点的方法，即在机器人的运行轨迹上设置一些关键点，主要包括拾取点Pick，放置点Place、程序起始点Home、安全点等等，通过这些关键点能够大致确定机器人的运行路线。示教时，操作人员通过示教盒操作机器人本体，使其末端运动至所需的轨迹点，记录该点时各关节伺服电机编码器信息，并通过命令的形式确定运动至该点的插补方式、速度、精度等，然后由机器人控制器按照这些命令查找相应的功能代码并存放到某个指定的示教数据区去。示教时示教盒可以通过几种坐标系来控制机器人的规则运动。从而到达程序登录点，常用的几个坐标系如下：淤关节坐标建立在各运动关节，示教时可以单独控制各个关节的摆动或回转。这种坐标运动方式往往用于机器人的快速移动。于使用直角坐标时，可以控制机器人工作点做水平和上下移动和转动，这种方式能够很好的控制焊枪姿态，因此在示教中应用广泛。盂工具坐标建立在工具端点，由于其一轴与工具轴向重合，因此在运动时可以很好的保持工具姿态，是微调作业姿态时常用的一种操作方式。各个坐标系统通过机器人控制柜中的计算器转换成各个轴运动的脉冲。其运动精度和机器人的伺服电机有着很大的关系，因此，控制系统的运动算法也是机器人基础研究中比较重要的一块。

3.2运动指令的选择

在进行机器人的编程时，为了使机器人按照规划的路径精确、安全地达到指定位置。必须要根据路径特点择优选择机器人的运动指令，主要包括MoveL、MoveJ和MoveC。示教时，可以使用多种插补方式，最常用的为自由插补MoveJ，机器人能够根据速度和精度合理安排各个轴的运动方式，直线插补MoveL也比较常见，往往用于直线上的弧焊。圆弧插补MoveC比较不常见，这种插补方式用于焊接一些比较复杂的工件。一般机器的速度和精度是相互制约的，为了获得高的焊接速度，往往在一些转角比较大的地方由于运动惯性不能得到高的精度，为了获得高的精度就不得不牺牲一定的速度，这在焊接一些大转角焊缝时必须注意。

3.3程序的结构化设计

为了提高程序的可移值性，我们采用了主程序调用子程序的设计方式，完成了搬运机器人所要实现的全部功能，使机器人可以按照我们预先设置好的路径移动。采用主程序调用子程序的设计方法避免了示教程序过于冗长的缺点，同时还增加了程序的可读性。再现时，机器人控制器将自动逐条读取示教命令与其他相关数据，进行解读、计算。作出判断后，将相应控制信号和数据送至各关节伺服系统，驱动机器人精确地再现示教动作。该机器人改造集成项目成功的实现了减震器生产线的一个工序。机器人投入运行后，将大幅度减轻操作者的劳动强度，使操作更为简便，劳动生产率可提高30%。提高产品的质量，合格率由原来的96%提高到99.9%。积累经验后为整条生产逐渐增加工业机器人，实现整个生产线规范化、科学化和经济化，解决单调、重复的体力劳动，降低劳动力。同时也是提升公司科学技术水平，进而提高生产效率和产品质量。

4结束语

机器换人，是必须的，是工业4.0时代的大势所趋。工业机器人是最典型的智能制造装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进智能制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用，为公司发展指明方向。

参考文献：

[1]蒋庆斌.工业机器人现场编程[M].机械工业出版社，2021.

[2]刘小波.工业机器人技术基础[M].机械工业出版社，2020.

[3]汪励.工业机器人工作站系统集成[M].机械工业出版社，2021.

[4]林燕文.工业机器人系统集成与应用[M].机械工业出版社，2021.

[5]郝巧梅.工业机器人技术[M].电子工业出版社，2020.

[6]吴芬.工业机器人三维建模[M].机械工业出版社，2020.

作者:陈艳 李占林 李彦鑫 谷兴文 单位:辽宁理工职业大学