焊裝機(jī)器人可用負(fù)載問(wèn)題的解決與預(yù)防

王波 崔海濱 孫國(guó)林 吳政勛 馮玉濤 崔天宇

（中國(guó)一汽集團(tuán)股份有限公司，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

近些年，隨著六軸串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）在汽車(chē)焊裝自動(dòng)生產(chǎn)線的應(yīng)用增多，在采購(gòu)機(jī)器人之前，其末端執(zhí)行器工具系統(tǒng)的可用負(fù)載評(píng)估就變得非常緊迫和重要。在工具系統(tǒng)確定的情況下，裕量足夠的負(fù)載評(píng)估結(jié)果，可以保證機(jī)器人按照設(shè)計(jì)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡運(yùn)行，保證機(jī)器人末端（例如第6軸法蘭端面中心）的位置精度[1]，保證單軸電機(jī)及關(guān)節(jié)構(gòu)件的可靠運(yùn)行，可以降低焊裝車(chē)間自動(dòng)化生產(chǎn)線的機(jī)器人保養(yǎng)維修費(fèi)用。

機(jī)器人負(fù)載是指在規(guī)定的速度和加速度條件下沿著運(yùn)動(dòng)的各個(gè)方向機(jī)械接口處可承受的力或扭矩[2]。有效負(fù)載是指機(jī)器人末端法蘭上的執(zhí)行器工具系統(tǒng)施于機(jī)器人的（外部）負(fù)載。額定負(fù)載是正常操作條件下作用于機(jī)器人機(jī)械接口并且不會(huì)使機(jī)器人性能降低的最大負(fù)載，包括末端執(zhí)行器，管線包附件及工具系統(tǒng)的慣性力（或扭矩）[2]?？捎秘?fù)載是客戶在一定使用條件下的機(jī)器人負(fù)載?？捎秘?fù)載包括有效負(fù)載和管線包附件引起的附加負(fù)載。

機(jī)器人可用負(fù)載評(píng)估即根據(jù)每臺(tái)機(jī)器人的使用條件，使其適量小于該條件下的額定負(fù)載，留出一定的裕量。由于以往在機(jī)器人負(fù)載評(píng)估過(guò)程中缺乏詳盡細(xì)致的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在焊裝共用車(chē)型生產(chǎn)線的改造中，導(dǎo)致部分機(jī)器人的可用負(fù)載裕量偏小，或是負(fù)載超限。

為了從源頭上解決機(jī)器人可用負(fù)載超限的問(wèn)題，主要研究分析生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人負(fù)載超限導(dǎo)致的軸組構(gòu)件損壞問(wèn)題，問(wèn)題涉及的原因、技術(shù)原理及技術(shù)解決途徑，以及負(fù)載超限問(wèn)題解決的橫展和預(yù)防3個(gè)方面。

2 問(wèn)題分析

在新車(chē)型導(dǎo)入前個(gè)別工位機(jī)器人的工具系統(tǒng)改造時(shí)，機(jī)器人比較容易出現(xiàn)可用負(fù)載裕量不足，甚至是負(fù)載超限的問(wèn)題。如果不及時(shí)加以改進(jìn)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人傳動(dòng)軸組構(gòu)件損壞。圖1所示為機(jī)器人服役六年后，J6軸組的軸承及傳動(dòng)軸的異常損壞情況。

圖1 機(jī)器人第6軸傳動(dòng)部件損壞

2.1 典型問(wèn)題

焊裝自動(dòng)線中，大總成（工件）的搬運(yùn)和焊接工序是機(jī)器人工具系統(tǒng)負(fù)載超出限定范圍的重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

某新車(chē)型X在融入自動(dòng)線的改造中，遇到了2個(gè)較為典型的問(wèn)題。

a.原生產(chǎn)線機(jī)器人的工具系統(tǒng)可用負(fù)載裕量偏小，新車(chē)型X改造時(shí)，其焊接分總成的設(shè)計(jì)尺寸增大，質(zhì)量增加，在設(shè)計(jì)改造該分總成的抓具后，導(dǎo)致機(jī)器人的X車(chē)型的抓具系統(tǒng)的負(fù)載超限。

b.采用高電極壓力、大喉深喉寬的輕量化伺服焊鉗替換原有小喉深喉寬伺服焊鉗后，即使低速運(yùn)行，機(jī)器人焊鉗也會(huì)在作業(yè)時(shí)抖動(dòng)，同時(shí)也能聽(tīng)到單軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)異響。

2.2 原因分析

新車(chē)型在融入到原有生產(chǎn)線時(shí)，其焊接分總成的尺寸增大，或焊接分總成的質(zhì)量增加，超出了原有機(jī)器人的負(fù)載規(guī)格上限。

生產(chǎn)線改造時(shí)，抓具系統(tǒng)的尺寸增大，或工具系統(tǒng)的氣缸夾緊單元增多增重，致使原有機(jī)器人的負(fù)載超限。

機(jī)器人選型的技術(shù)依據(jù)不充分，甲乙雙方的工程協(xié)同工作機(jī)制及標(biāo)準(zhǔn)還不完善。

內(nèi)部工藝人員對(duì)機(jī)器人工具可用負(fù)載的技術(shù)原理認(rèn)知不足，缺乏業(yè)務(wù)訓(xùn)練。外部設(shè)計(jì)及仿真人員的負(fù)載評(píng)估存在一些不當(dāng)之處，例如J4軸和J5軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量區(qū)分不清等。

機(jī)器人在生產(chǎn)線的布局規(guī)劃時(shí)，對(duì)臂展的關(guān)注往往多于對(duì)負(fù)載的關(guān)注。

除此之外，其它例如機(jī)器人品牌規(guī)格局限及維護(hù)保養(yǎng)的原因，本文不做討論。

3 技術(shù)解決途徑

工程機(jī)械類(lèi)問(wèn)題的解決須在遵循物理原理或客觀規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠生產(chǎn)實(shí)際，找出具體可操作的技術(shù)解決方案。

3.1 評(píng)估技術(shù)原理

機(jī)器人的負(fù)載評(píng)估的技術(shù)原理可概括為系統(tǒng)功能平衡原理及剛體系統(tǒng)的廣義力學(xué)原理。

3.1.1 系統(tǒng)功能平衡原理

系統(tǒng)功能平衡原理的本質(zhì)是系統(tǒng)能量守恒。機(jī)器人系統(tǒng)從生產(chǎn)線供電柜中取電，將大部分電能轉(zhuǎn)換為該系統(tǒng)的動(dòng)能，機(jī)器人六軸末端與工具系統(tǒng)機(jī)械聯(lián)接后，機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)能部分地轉(zhuǎn)換為工具系統(tǒng)的機(jī)械能。在焊接分總成定位到工具系統(tǒng)并被抓手夾持之后，工具系統(tǒng)的動(dòng)能可以部分轉(zhuǎn)換為焊接分總成的機(jī)械能，就可以實(shí)現(xiàn)焊接分總成的空間轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。

機(jī)器人末端的負(fù)載，是工具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)施加在機(jī)器人本體上的外部載荷。機(jī)器人在作業(yè)時(shí)，會(huì)根據(jù)該功能平衡原理來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整作業(yè)速度和位置控制參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人，是分別由6臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6個(gè)關(guān)節(jié)軸，耦合形成6個(gè)自由度的空間機(jī)構(gòu)，如圖2所示[3]。機(jī)器人工具系統(tǒng)的有效負(fù)載與各軸電機(jī)的有效功率、機(jī)械強(qiáng)度和剛度有關(guān)，需要根據(jù)機(jī)器人廠商的測(cè)算方法及機(jī)器人具體使用條件來(lái)評(píng)估。如果工具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)的總質(zhì)量超出了機(jī)器人廠商規(guī)定的額定載荷，機(jī)器人作業(yè)軌跡會(huì)發(fā)生偏移，機(jī)器人各軸本體會(huì)發(fā)生不同程度的變形[1]。

圖2 六軸串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人本體及坐標(biāo)系

3.1.2 剛體系統(tǒng)的廣義力學(xué)原理

對(duì)剛體而言，牛頓經(jīng)典力學(xué)原理證實(shí)了力是改變物體（這里指工具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)）運(yùn)動(dòng)的原因。如果需要平移這個(gè)物體，就需要平衡該物體自身的重力，及其產(chǎn)生的重力矩。

當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)該物體時(shí)，還需要克服物體轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性（慣性是指物體保持靜止或其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的固有特性）。物體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性大小，用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只取決于剛體的形狀、質(zhì)量分布和旋轉(zhuǎn)軸的位置，而與剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（如角速度的大?。o(wú)關(guān)。剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)算依據(jù)是平行軸定理和垂直軸定理[4]。

3.2 構(gòu)建評(píng)估模型

為了簡(jiǎn)要分析說(shuō)明，構(gòu)建機(jī)器人單軸（例如腕部J6軸）與工具系統(tǒng)機(jī)械連接的力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 單軸負(fù)載力學(xué)模型

建立坐標(biāo)系Oxyz，固連于圖示的腕部J6軸前端O點(diǎn)。J6軸與工具系統(tǒng)固連于Om點(diǎn)，并且與z軸重合。

工具系統(tǒng)的重力矩M計(jì)算如下。

式中，m為工具系統(tǒng)的質(zhì)量；g為重力加速度；L為工具系統(tǒng)重力力臂。

工具系統(tǒng)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下。

式中，m為工具系統(tǒng)的質(zhì)量，r為旋轉(zhuǎn)半徑。

在圖3表示的模型中，工具系統(tǒng)重力力臂L與旋轉(zhuǎn)半徑r相等，因此公式（2）轉(zhuǎn)化如下。

3.3 評(píng)估技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)

由于線體集成商和機(jī)器人廠商的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)還存在不一致的情況，需要找到機(jī)器人負(fù)載的評(píng)估指標(biāo)，進(jìn)而規(guī)范機(jī)器人的負(fù)載評(píng)估及選型工作。

機(jī)器人可用負(fù)載的評(píng)估主要有3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：工具質(zhì)量百分比p、重力矩M和單軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I。除此之外，工具系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)器人默認(rèn)工具坐標(biāo)系（TCP0）[5]的重心矢量也需要關(guān)注，在歐幾里得空間中一般以G（Gx，Gy，Gz）表示。

工具質(zhì)量百分比是指工具系統(tǒng)的總質(zhì)量與某規(guī)格機(jī)器人額定負(fù)載質(zhì)量的比值。例如工具系統(tǒng)的質(zhì)量為140 kg，選用額定負(fù)載質(zhì)量為200 kg規(guī)格的機(jī)器人時(shí)，p值為70%。注意p值判定的前提是，工具系統(tǒng)的重心處于額定負(fù)載所設(shè)定的空間可行域范圍之內(nèi)。

為了將工具質(zhì)量百分比p、重力矩M和單軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的參數(shù)同時(shí)展現(xiàn)在一張圖表中，需要分別將M和I的估算值與機(jī)器人腕部軸的標(biāo)稱值的比值作為觀測(cè)指標(biāo)。

3.4 評(píng)估測(cè)算步驟

機(jī)器人可用負(fù)載包括實(shí)際裝配工具的有效負(fù)載及管線包組件的附加負(fù)載2部分。考慮到這2部分負(fù)載對(duì)機(jī)器人位置精度和作業(yè)效率的影響，及其對(duì)機(jī)器人J4-J6軸構(gòu)成的腕部軸的影響，負(fù)載評(píng)估需要運(yùn)用正確的測(cè)算工具，準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)及規(guī)范的評(píng)估步驟，才能得出接近實(shí)際工況的可用負(fù)載。評(píng)估機(jī)器人可用負(fù)載時(shí)，應(yīng)先測(cè)算機(jī)器人工具系統(tǒng)的質(zhì)量百分比技術(shù)參數(shù)，評(píng)估使之處于合理區(qū)間；然后測(cè)算機(jī)器人臂部軸上附帶的管線包附加質(zhì)量對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸組的影響，提前識(shí)別負(fù)載超限的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4.1 測(cè)算工具

機(jī)器人負(fù)載的評(píng)估工具一般可借助于機(jī)器人廠商提供的軟件及圖表。使用這些工具之前，需要估算出準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)。得到這些輸入數(shù)據(jù)后，按照軟件或圖表的指導(dǎo)要求，才能得出接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

對(duì)于Y品牌機(jī)器人負(fù)載的評(píng)估，主要是針對(duì)腕部軸（J4～J6軸進(jìn)行），可以通過(guò)負(fù)載曲線圖、計(jì)算表格及軟件評(píng)估。管線包評(píng)估需要咨詢廠商技術(shù)人員。

A品牌機(jī)器人通過(guò)軟件評(píng)估負(fù)載時(shí)，可以評(píng)估J2～J6軸的重力矩比值和J5～J6軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比值。管線包負(fù)載在咨詢廠商技術(shù)人員后，可以輸入軟件一并測(cè)出。負(fù)載測(cè)算報(bào)告中缺乏J4軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量結(jié)果，即J4的評(píng)判結(jié)果，需要機(jī)器人制造商更新軟件包。

3.4.2 評(píng)估具體步驟

步驟1：仿真得出工具在機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)（TCP0）的安裝位姿。

仿真環(huán)境中將機(jī)器人置為HOME位（機(jī)械原點(diǎn)），得出工具（焊鉗或抓手）系統(tǒng)在機(jī)器人末端的安裝位姿，如圖4所示。

圖4 工具系統(tǒng)的安裝位姿

如果沒(méi)有按照此步驟做，測(cè)出的負(fù)載一般會(huì)使J4軸和J5軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值顛倒，從而不能正確地反映機(jī)器人軸組的負(fù)載結(jié)果。

步驟2：機(jī)械設(shè)計(jì)人員測(cè)算或讀取工具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，輸入給仿真人員測(cè)算負(fù)載。

a.在CATIA等3D設(shè)計(jì)環(huán)境中的原點(diǎn)上插入軸系，使機(jī)器人TCP0坐標(biāo)系的坐標(biāo)方向與軸系的3個(gè)坐標(biāo)方向重合。然而不同品牌的機(jī)器人，其TCP0的方位各有不同，需要首先確認(rèn)。

b.將抓手和零部件的數(shù)模導(dǎo)入，其方位按照步驟1中的仿真位姿調(diào)整完畢。

c.將抓手構(gòu)件和零部件賦以相關(guān)的材料數(shù)據(jù)，如鐵和鋁等材料的物理參數(shù)。

d.抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員將抓手和工件的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)據(jù)，輸出給仿真人員。焊鉗的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)據(jù)需要從焊鉗制造商的圖紙說(shuō)明中讀取或轉(zhuǎn)換。快換盤(pán)的輸入數(shù)據(jù)也需要從生產(chǎn)商的設(shè)計(jì)圖表中讀取。

在此步驟中，常見(jiàn)的問(wèn)題是工具的方位坐標(biāo)沒(méi)有以機(jī)器人末端法蘭端面中心點(diǎn)的坐標(biāo)系（簡(jiǎn)記為T(mén)CP0）為參照進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因而會(huì)導(dǎo)致測(cè)算不準(zhǔn)。

步驟3：仿真人員梳理收到的數(shù)據(jù)后，測(cè)算負(fù)載數(shù)據(jù)，并且判別超載風(fēng)險(xiǎn)。

在3D設(shè)計(jì)軟件中，抓手的構(gòu)件分別賦以相關(guān)的材料數(shù)據(jù)后，可以稱重得出抓手的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)據(jù)。

圖5所示為三維設(shè)計(jì)軟件CATIA中稱重得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，需將圖中右側(cè)框中的數(shù)據(jù)作為輸入信息，輸入到機(jī)器人負(fù)載測(cè)算軟件中。這里不建議將圖中的重心主慣量矩[M1,M2,M3]的數(shù)據(jù)填入負(fù)載測(cè)算軟件中。

圖5 抓手的稱重?cái)?shù)據(jù)

追加管線包對(duì)J3軸的附加質(zhì)量后，得到的機(jī)器人可用負(fù)載結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)器人抓手負(fù)載結(jié)果

焊鉗及快換盤(pán)的質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)據(jù)從焊鉗制造商的圖紙說(shuō)明中直接讀取后，還需要將其方位坐標(biāo)以機(jī)器人坐標(biāo)系TCP0為參照進(jìn)行比對(duì)、轉(zhuǎn)換，之后測(cè)算得出負(fù)載評(píng)估結(jié)果。

3.4.3 管線包加載模型

加載機(jī)器人管線包質(zhì)量時(shí)，特別是加載到腕部軸和J3軸的附加質(zhì)量，當(dāng)評(píng)估的負(fù)載指標(biāo)接近標(biāo)準(zhǔn)的閾值時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)器人負(fù)載能力評(píng)估有顯著的影響。建立機(jī)器人管線包質(zhì)量加載的力學(xué)模型就很有必要，如圖7所示。

圖7 管線包質(zhì)量加載模型

圖中，m1是管線包支撐機(jī)構(gòu)的集中質(zhì)量，m2是管線包線纜的集中質(zhì)量，m3是管線包支撐環(huán)的集中質(zhì)量，質(zhì)心位置需要根據(jù)管線包廠商的圖紙或數(shù)模測(cè)量得出。

3.5 機(jī)器人型譜選型

對(duì)某一確定規(guī)格的機(jī)器人，其有效負(fù)載與工具系統(tǒng)的重心位置強(qiáng)相關(guān)。工具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重心在TCP0坐標(biāo)系中的方位和坐標(biāo)位置，可參考圖6中的負(fù)載曲線圖。

機(jī)器人負(fù)載評(píng)估及選型方案確定時(shí)，機(jī)器人規(guī)格也是非常重要的考量。重復(fù)定位精度在0.3 mm以下的，額定負(fù)載規(guī)格在150 kg以上的雙品牌六軸工業(yè)機(jī)器人型譜如圖8所示。圖中可以看出，Y品牌和A品牌額定負(fù)載在[150,235]kg區(qū)間的機(jī)器人分布比較密集。Y品牌在500 kg（第11號(hào)）和800 kg（第13號(hào)）的規(guī)格上沒(méi)有滿足區(qū)分條件的機(jī)器人對(duì)應(yīng)，而A品牌在800 kg以上也沒(méi)有對(duì)應(yīng)。

圖8 雙品牌機(jī)器人額定負(fù)載比較

4 改善實(shí)踐案例

通過(guò)如下技術(shù)措施解決及改善圖1所示問(wèn)題。

a.清洗相關(guān)構(gòu)件，更換軸承及傳動(dòng)軸。

b.對(duì)焊鉗及抓具進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

c.優(yōu)化機(jī)器人和凸焊機(jī)的相對(duì)位置布局，并調(diào)整優(yōu)化焊接機(jī)器人的作業(yè)姿態(tài)。

4.1 搬運(yùn)機(jī)器人有效負(fù)載改善

新車(chē)型X融入地板前部自動(dòng)線中，由于焊接分總成的設(shè)計(jì)尺寸和質(zhì)量變大，搬運(yùn)機(jī)器人260 kg機(jī)器人的評(píng)估負(fù)載，出現(xiàn)預(yù)警。圖9為地板前部抓手的機(jī)械安裝位姿。經(jīng)過(guò)軟件的稱重計(jì)算，得出機(jī)器人坐標(biāo)系TCP0下的工具系統(tǒng)重心矢量G（18.0，0.5，309.5）mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I（66.09,93.13,120）kg·m2。

圖9 抓手的安裝位姿

根據(jù)測(cè)算分析，在不考慮抓手質(zhì)量預(yù)留的情況下，機(jī)器人的工具質(zhì)量百分比已達(dá)到96%，已經(jīng)很接近機(jī)器人的額定負(fù)載。而且機(jī)器人J4-J6軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均已超限，其各自的百分?jǐn)?shù)為100%，118%，133%，需要立即采取技術(shù)措施。

圖11 更換完成的搬運(yùn)機(jī)器人

經(jīng)過(guò)技術(shù)方案論證，需要更換腕部軸許用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大的機(jī)器人，原有260 kg機(jī)器人通過(guò)辦理利舊手續(xù)，移至其它小負(fù)載的工位上。在項(xiàng)目實(shí)施中，新采購(gòu)400 kg的機(jī)器人替換了原有機(jī)器人，解決了J4-J6軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量超限的問(wèn)題，如圖10所示。測(cè)算的結(jié)果即使考慮抓手的質(zhì)量預(yù)留15 kg，也完全勝任此搬運(yùn)工位的工作負(fù)載（p=66%，Mmax=53%，Imax=38%）。

圖10 抓手測(cè)算結(jié)果對(duì)比

在這個(gè)案例中，通過(guò)提升機(jī)器人規(guī)格（260 kg提升為400 kg），提高了該生產(chǎn)線的改造裕量，同時(shí)也從根本上避免了搬運(yùn)機(jī)器人可用負(fù)載裕量不足或負(fù)載超限的情況，延長(zhǎng)了機(jī)器人的使用壽命。

4.2 焊接機(jī)器人有效負(fù)載改善

自動(dòng)焊接工位的改造中，機(jī)器人的負(fù)載也會(huì)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。本案例發(fā)生在地板總成補(bǔ)焊工位左右兩側(cè)的2臺(tái)機(jī)器人（200 kg）上。焊鉗的機(jī)械安裝位姿如圖12所示。

圖12 R12機(jī)器人工具裝配姿態(tài)

經(jīng)過(guò)軟件的稱重計(jì)算，得出機(jī)器人TCP0下的工具系統(tǒng)重心矢量G（-313.5，-167.1，345）mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I（23.95,37.95,31.7）kg·m2。

從分析測(cè)算結(jié)果(圖13)來(lái)看，機(jī)器人工具側(cè)的焊鉗工具質(zhì)量百分比為80%，比較理想。但是機(jī)器人J5軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的百分?jǐn)?shù)為91%，已超出設(shè)定目標(biāo)85%，需要立即制定技術(shù)方案改進(jìn)。

圖13 焊鉗測(cè)算結(jié)果對(duì)比

該方案實(shí)施后，盡管J4和J5軸的重力矩較大，但是通過(guò)提升機(jī)器人規(guī)格（200kg提升為215 kg）的辦法，改善了機(jī)器人J5軸作業(yè)的動(dòng)態(tài)負(fù)載能力，提高了該生產(chǎn)線工位的負(fù)載改造裕量，同時(shí)也消除了工位上焊鉗抖動(dòng)及電機(jī)異響現(xiàn)象。需要提及的是，本案例的機(jī)器人規(guī)格提升是利用了原有閑置的2臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，通過(guò)改造其系統(tǒng)配置實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)還優(yōu)化了改造焊鉗的重心與J5軸在Z向的距離（Gz減小60 mm）。

圖14 更換完成的機(jī)器人

在解決以上問(wèn)題的過(guò)程中，鍛煉了內(nèi)部工程人員負(fù)載分析及評(píng)判的專(zhuān)業(yè)能力，也增強(qiáng)了整車(chē)廠、線體商及機(jī)器人供應(yīng)商多方技術(shù)管理人員的響應(yīng)和協(xié)作能力。

5 預(yù)防經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是改進(jìn)負(fù)載評(píng)估工作的機(jī)會(huì)。以問(wèn)題為導(dǎo)向，解決問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)防再發(fā)并持續(xù)改進(jìn)是工程技術(shù)人員的不斷追求和價(jià)值體現(xiàn)。

更重要的是，這項(xiàng)工作也要以工藝的先期規(guī)劃設(shè)計(jì)為主線，完善機(jī)器人選型和引進(jìn)的準(zhǔn)入程序，充實(shí)相關(guān)的管理機(jī)制和技術(shù)依據(jù)，力爭(zhēng)從前期的負(fù)載評(píng)估環(huán)節(jié)中杜絕這些典型問(wèn)題再發(fā)。

5.1 前期橫展應(yīng)用

截止到目前，在焊裝工藝生產(chǎn)準(zhǔn)備的項(xiàng)目中，采用本評(píng)估方法，識(shí)別出機(jī)器人可用負(fù)載的重要風(fēng)險(xiǎn)共132項(xiàng)，其中采取技術(shù)改進(jìn)措施的已經(jīng)達(dá)到111項(xiàng)，其余21項(xiàng)需交由工廠設(shè)備保全工程師通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)加以監(jiān)控。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)防

從問(wèn)題解決邏輯來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用意義重大。問(wèn)題解決取得初效后，工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)成員從問(wèn)題起因出發(fā)，對(duì)車(chē)型項(xiàng)目實(shí)施提出了具體的技術(shù)及管理要求。例如，在先期機(jī)器人采購(gòu)或改造之前，整車(chē)廠工程技術(shù)人員須對(duì)負(fù)責(zé)區(qū)域的初版機(jī)器人清單（含負(fù)載能力報(bào)告）、初版抓手及焊鉗清單進(jìn)行逐一確認(rèn)。原有機(jī)器人其對(duì)應(yīng)的工具系統(tǒng)改造時(shí)，負(fù)載能力目標(biāo)閾值上限推薦為（85%,90%,90%）。同時(shí)對(duì)新采購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)六軸串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人，不論品牌，其可用負(fù)載的3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（工具質(zhì)量百分比p、單軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量百分比、重力矩百分比）的目標(biāo)閾值上限（80%,85%，85%），推薦為機(jī)器人單軸的可用負(fù)載上限。這樣就可以較好地提高生產(chǎn)線機(jī)器人的可用負(fù)載裕量，提升機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的可靠度，以及自動(dòng)生產(chǎn)線融入新車(chē)型的柔性。

同時(shí)，對(duì)外部的仿真及設(shè)計(jì)人員，編制了操作指導(dǎo)書(shū)，在工藝設(shè)計(jì)起初通過(guò)多方會(huì)簽機(jī)制及問(wèn)題清單跟蹤解決遇到的各種具體問(wèn)題。

5.3 精益化預(yù)防

在機(jī)器人負(fù)載評(píng)估過(guò)程中，精益化的技術(shù)管理能夠?qū)⒃u(píng)估工作做得更有效、更扎實(shí)。

在工藝方案規(guī)劃階段，提出了搬運(yùn)機(jī)器人布局的邊界，機(jī)器人A品牌水平臂展建議不超出2 800 mm，Y品牌機(jī)器人水平臂展建議不超出2 942 mm。因?yàn)檫@樣可以解決機(jī)器人臂展大和額定負(fù)載小的矛盾。

在工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，收集梳理了同平臺(tái)參考車(chē)型的工裝數(shù)據(jù)圖表，為選型版機(jī)器人負(fù)載評(píng)估報(bào)告提供充分的技術(shù)依據(jù)，便于及時(shí)準(zhǔn)確地開(kāi)展評(píng)估工作。

5.4 知識(shí)化預(yù)防

為了讓工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)成員快速地掌握機(jī)器人可用負(fù)載評(píng)估技能，克服團(tuán)隊(duì)成員的學(xué)科背景不一的困難，作者將遇到問(wèn)題的解決方案及時(shí)總結(jié)成培訓(xùn)材料，與成員分享、討論、探究，并同時(shí)交流想法意見(jiàn)，不斷改進(jìn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是實(shí)踐真知的第一場(chǎng)所。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線中遇到的機(jī)器人負(fù)載問(wèn)題，從問(wèn)題發(fā)生的原因和技術(shù)原理進(jìn)行具體解析，制定問(wèn)題解決措施，并在實(shí)際改善中落實(shí)。

通過(guò)對(duì)Y和A兩種品牌機(jī)器人的負(fù)載測(cè)算過(guò)程的梳理，提出了機(jī)器人腕部軸可用負(fù)載是由有效負(fù)載和附加負(fù)載組成的基本判斷；歸納總結(jié)了單關(guān)節(jié)軸可用負(fù)載評(píng)估的基本模型和管線包加載模型，以及可用負(fù)載評(píng)估的方法步驟；同時(shí)也指出了評(píng)估過(guò)程中一些常見(jiàn)的不足。

在機(jī)器人可用負(fù)載的實(shí)際案例分析的基礎(chǔ)之上，圍繞新改車(chē)型項(xiàng)目的焊裝工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)，梳理了機(jī)器人作業(yè)負(fù)載評(píng)估的橫向展開(kāi)做法，并且提出了機(jī)器人可用負(fù)載評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化、精益化和知識(shí)化的預(yù)防性建議，以點(diǎn)帶面地推動(dòng)該負(fù)載評(píng)估工作的持續(xù)開(kāi)展和進(jìn)一步落實(shí)。

車(chē)身焊裝專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人使用點(diǎn)位較多，需要工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)和合作伙伴共同付出努力，才能達(dá)成機(jī)器人可用負(fù)載評(píng)估的預(yù)設(shè)目標(biāo)。