焊接機器人驅(qū)動方式應(yīng)用的探討

唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系 田明瑜

引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化的快速發(fā)展，焊接工藝作為產(chǎn)品制造加工過程中重要工藝之一，在機械加工、汽車制造工業(yè)、船舶制造、航天航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在人工智能技術(shù)的快速發(fā)展下，焊接機器人得到了快速發(fā)展。焊接機器人可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善勞動者的勞動環(huán)境，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，易于實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)量化生產(chǎn)，并能夠推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)自動化升級改造。焊接的自動化以及智能化已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，焊接機器人已經(jīng)成為現(xiàn)代化與自動化緊密結(jié)合的一大標(biāo)志[1]。

1 焊接機器人分類

1.1 工藝方法分類

焊接機器人主要有弧焊機器人、點焊機器人、激光焊機器人、等離子焊機器人和攪拌摩擦焊機器人等；目前弧焊機器人和點焊機器人在生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛?；『笝C器人可進行長時間連續(xù)焊接作業(yè)，其特點是生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量高和穩(wěn)定性好等。點焊機器人具有結(jié)構(gòu)簡單，易操作、生產(chǎn)率高等優(yōu)點，同時點焊工藝主要應(yīng)用于金屬薄板的焊接，被廣泛用于汽車制造業(yè)和航空航天生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域[2]。

1.2 受控運動方式分類：點位控制型、連續(xù)軌跡控制型

點位控制是在操作空間中某些規(guī)定的離散點上的定位運動。要求焊接機器人能夠快速、準確地在相鄰各點之間準確運動，其技術(shù)指標(biāo)是運動時間和定位精度。點位控制特點是具有易實現(xiàn)、控制方式簡單及定位精度不高等；連續(xù)軌跡控制是按照設(shè)計好預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度范圍內(nèi)運動，連續(xù)軌跡控制的特點是速度可控、軌跡光滑、運動平穩(wěn)。連續(xù)軌跡控制的焊接機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地進行相應(yīng)的運動，其焊接執(zhí)行部件形成連續(xù)的軌跡。軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性是連續(xù)軌跡控制的焊接機器人技術(shù)指標(biāo)。

1.3 驅(qū)動方式分類：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動

液壓驅(qū)動是將壓力能轉(zhuǎn)變成的機械能實現(xiàn)的，其工作介質(zhì)為液壓油。該驅(qū)動方式特點是具有較高的功率重量比，驅(qū)動力較大，在重載運輸上具有較大優(yōu)勢； 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，控制性能好，精度較高； 對外部環(huán)境要求不高，有很強的適應(yīng)能力。氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動相同也是將壓力能轉(zhuǎn)變成機械能實現(xiàn)力的傳遞，但其工作介質(zhì)為空氣?？諝馔ㄟ^空氣壓縮機后，具有可控的壓力作為輸出動力源，實現(xiàn)能量的傳遞。氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點是成本低、氣源方便、系統(tǒng)安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單，同時，因為空氣的物理特性，被壓縮后不會產(chǎn)生黏性過大的特征，因此，使用氣壓驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)執(zhí)行動作迅速變化，控制速度和執(zhí)行速度快； 其產(chǎn)生的廢氣不會污染環(huán)境，但精度較差。電氣驅(qū)動是通過電機產(chǎn)生力和力矩進行控制，易操作，成本低，適用于大功率機器人。電氣驅(qū)動常見有：步進電機驅(qū)動、直流伺服電機驅(qū)動和交流伺服電機驅(qū)動。其中步進電機的定位精度高，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，且速度的調(diào)節(jié)范圍較小[3-4]。

1.4 結(jié)構(gòu)形式分類

按照運動的結(jié)構(gòu)形式主要將焊接機器人分為球坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和全關(guān)節(jié)型4 類。

2 焊接機器人的動力源分析

機器人的工作離不開動力，目前主要采用的是傳統(tǒng)能源和新型能源兩種，焊接機器人采用的傳統(tǒng)能源是指以單一電能供電，其應(yīng)用主要在固定工位，對單一產(chǎn)品焊接，供電主要是由線纜進行。固定工位焊接機器人作業(yè)主要有車間內(nèi)設(shè)移動軌道和單自由度機械手焊接兩種。相對應(yīng)可移動的焊接機器人，其動力源采用蓄電池，可以保障完成焊接作業(yè)區(qū)面積大、運動距離較長的焊接任務(wù)，但蓄電池的壽命短、質(zhì)量重、功率密度較低和充電耗時較長等缺點，讓其很難滿足企業(yè)實際需求。為了更好地提高可移動機器人的應(yīng)用性能，傳統(tǒng)能源目前存在的問題缺陷是當(dāng)前研究者迫切需要解決的問題，將環(huán)保潔能的新能源應(yīng)用到焊接機器人動力系統(tǒng)中可以解決傳統(tǒng)能源存在的缺陷。尤其是環(huán)保無污染的清潔能源得到廣泛關(guān)注，以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，其環(huán)保性能好、轉(zhuǎn)換效率高，可擺脫電纜的約束。然而單一的燃料電池作為動力能源，存在設(shè)備啟動速度緩慢，載荷變大時響應(yīng)較慢等缺陷。因此設(shè)計人員結(jié)合燃料電池與其他電源的優(yōu)缺點，將兩種能源方式進行結(jié)合，形成一種混合動力能源向移動焊接機器人供能。如：將超級電容與清潔的燃料電池結(jié)合，大大改善了焊接機器人的功率需求；將具有快速供電性能的鋰電池和清潔的燃料電池結(jié)合，作為輔助能源的鋰電池可以在啟動加速階段快速供電，保證其正常的功率需求，同時保證清潔的燃料電池處的反應(yīng)放電高效范圍；在減速制動時，機器人自身系統(tǒng)產(chǎn)生回饋，鋰電池進行儲能，為機器人下次的啟動加速工作做好準備?；旌蟿恿δ茉春艽蟪潭壬蠈崿F(xiàn)焊接機器人快速、高效的工作需求。

3 焊接機器人驅(qū)動方式分析

隨著焊接技術(shù)的快速發(fā)展，焊接機器人也被越來越多的企業(yè)應(yīng)用，在電氣驅(qū)動和氣動驅(qū)動的傳統(tǒng)驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，多種改進的驅(qū)動形式在焊接機器人的設(shè)計制造得到應(yīng)用。如移動焊接機器人中采用的差速驅(qū)動，可以實現(xiàn)對焊縫高精度的跟蹤控制，具有較好的穩(wěn)定性，通過采用后輪差速驅(qū)動對機器人的軌跡控制和姿態(tài)的調(diào)節(jié)。差速轉(zhuǎn)向解決了移動焊接機器人運行中的轉(zhuǎn)向側(cè)滑問題，同時大大將焊接機器人的運行穩(wěn)定性和跟蹤軌跡的精度提高。因冗余驅(qū)動技術(shù)具有較好的靈活性和精準度，因此將冗余機器人與焊接技術(shù)結(jié)合優(yōu)化，不僅可以避免機器人運行時本體與焊接肢體的干涉碰撞，同時能夠使機器人的工藝位置更加精確，產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得到大大提高；球形電機具有多自由度、控制簡單、性價比高等特點，將其作為驅(qū)動裝置，可減少焊接機器人系統(tǒng)的電機數(shù)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，提高焊接機器人的經(jīng)濟性能。新型的驅(qū)動方式在很大程度蓋改善了焊接機器人的性能，提高了生產(chǎn)效率，得到企業(yè)的廣泛認可，從而也促進了焊接機器人快速發(fā)展。

4 結(jié)語

焊接機器人的技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為企業(yè)提高了生產(chǎn)效益，同時，在一定程度上改善了焊工操作者的工作環(huán)境。焊接機器人的能源和驅(qū)動方式選用是研發(fā)設(shè)計過程中重要環(huán)節(jié)。文中對焊接機器人的分類及驅(qū)動方式進行了闡述，分析了當(dāng)前焊接機器人采用的主要驅(qū)動方式，對企業(yè)或研發(fā)人員進行焊接機器人設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。