焊接機器人降低空閑損耗的方法研究

黃曉東 李錚 王凱

摘 要：焊接機器人的組成部分之一是焊接設(shè)備，而隨著2019年10月1日歐盟發(fā)布的（EU）No 2019/1784《電焊機的生態(tài)設(shè)計要求》焊接設(shè)備空閑損耗概念的引進，焊接機器人也將迎來一次重大的技術(shù)革新。本文指出了空閑損耗狀態(tài)對于焊接機器人的效率制約，從機械臂、控制系統(tǒng)、焊接設(shè)備、安全系統(tǒng)四個方面介紹了有效抵消空閑損耗的方法，其中焊接設(shè)備部分結(jié)合試驗數(shù)據(jù)做了著重分析，從功率器件、主變壓器磁芯、控制模塊和冷卻系統(tǒng)入手，找出了高功耗的原因，提出了相應(yīng)的解決方案，對焊接機器人的綠色可持續(xù)發(fā)展有積極推動作用。

關(guān)鍵詞：焊接機器人，空閑損耗，焊接設(shè)備，標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.026

0 引 言

我國焊接機器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，在焊接機器人減速器、傳感器、控制器等核心技術(shù)領(lǐng)域與世界主要機器人生產(chǎn)國家美德日韓等還有很大差距。隨著2023年1月歐盟（EU）No 2019/1784能效指令的強制實施，進入歐盟市場的弧焊電源必須滿足空閑損耗不高于50W的指標要求[1]，這對于我國焊接機器人工業(yè)發(fā)展起到了一定的制約效果，研究如何打破這種技術(shù)壁壘對于焊接機器人產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展勢在必行。

焊接機器人的工作流程一般包括四個步驟。首先通過傳感器系統(tǒng)感知焊接環(huán)境和工件狀態(tài)對焊接材料特性做出合理選擇；然后機器人控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的焊接參數(shù)規(guī)劃機械臂的運動軌跡；接下來焊接設(shè)備通電，為機械臂執(zhí)行焊接操作提供持續(xù)的能量輸出；為確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[2]，最后還需要通過控制系統(tǒng)的反饋和監(jiān)控功能對整個焊接過程實時調(diào)整，形成閉環(huán)操作。本文按以上工作步驟，對每一個流程涉及到的軟硬件進行了詳細分解、認真分析，較全面地總結(jié)歸納了焊接機器人空閑狀態(tài)時高功耗的原因和解決辦法。

1 機械臂部分

機械臂是焊接機器人的骨骼和肌肉，它由多個關(guān)節(jié)連接而成，具有多自由度、柔性化[3]的運動能力。機械臂的空閑狀態(tài)損耗相對較小，尤其是與實際焊接操作相比。其空閑狀態(tài)下通常會有以下能量和資源的損耗。

（1）維持能耗。機械臂在空閑狀態(tài)下仍需維持一定的電力供應(yīng)，以保持其電子系統(tǒng)的運行和待命狀態(tài)。

（2）熱量散失。機械臂的電子元件和電機在運行過程中會產(chǎn)生一定的熱量，即使在空閑狀態(tài)下，機械臂仍需散發(fā)這些熱量，以保持元件和電機的正常工作溫度。

（3）氣壓損耗。某些焊接機器人的機械臂可能需要使用氣壓來驅(qū)動一些執(zhí)行器或輔助設(shè)備。即使在空閑狀態(tài)下，機械臂可能需要維持一定的氣壓供應(yīng)，以保持這些設(shè)備的待命狀態(tài)，這會導(dǎo)致氣壓的損耗。

為了最大程度地減少空閑狀態(tài)損耗，本部分可以采取一些措施，如優(yōu)化機械臂的待機模式、合理調(diào)整電力供應(yīng)、定期維護和保養(yǎng)等，以提高能源利用效率和減少資源浪費。

2 控制系統(tǒng)

焊接機器人的控制系統(tǒng)是指用于控制和管理機器人的硬件和軟件組件。它負責監(jiān)控和調(diào)節(jié)機器人的運動、焊接參數(shù)和操作過程，以實現(xiàn)精確、平滑[4]的焊接操作。焊接機器人的控制系統(tǒng)通常由圖1所示控制器、通信模塊、傳感器系統(tǒng)三個主要部分[5]構(gòu)成。

（1）控制器。控制器是焊接機器人控制系統(tǒng)的核心部件，它負責接收和處理來自傳感器和用戶輸入的信號，并控制機器人的運動和焊接操作。控制器通常包括硬件和軟件兩個組成部分，硬件部分包括主控板、輸入輸出接口等，用于接收和發(fā)送信號，軟件部分包括控制算法、運動規(guī)劃算法、路徑規(guī)劃算法[6]等，用于實現(xiàn)焊接任務(wù)的自動化控制。為減少空閑狀態(tài)損耗，硬件部分可以采用功耗較小的主控板（如神經(jīng)元芯片）取代傳統(tǒng)高耗能芯片，接口用RS422串口代替RS232和RS485串口，既能實現(xiàn)高效率數(shù)據(jù)傳輸，又能解決RS485只能半雙工的缺陷。軟件部分則可以根據(jù)硬件的信息反饋，設(shè)計更精確的系統(tǒng)休眠和響應(yīng)時間，工作時高效運行，空閑時迅速休眠。

（2）通信模塊。建議用5G無線通信模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)高能耗的CAN總線、LIN總線、Ethernet通信模式，實現(xiàn)高速率信息反饋的同時也極大地降低了線路傳輸帶來的空閑狀態(tài)損耗。

（3）傳感器系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)用于感知焊接環(huán)境和工件狀態(tài)，以便控制系統(tǒng)能夠做出相應(yīng)的調(diào)整和決策。常見的傳感器包括視覺傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。視覺傳感器可以用于檢測焊縫位置和形狀，力傳感器可以用于檢測焊接力度，溫度傳感器可以用于監(jiān)測焊接過程中的溫度變化。對空閑狀態(tài)的準確感知是傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗的研究重點，相較于Honeywell霍尼韋爾傳感器、Interface傳感器，ABB傳感器更加匹配焊接機器人復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)實時控制，更能自動優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化。

3 焊接設(shè)備

山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院已于2022年底開展焊接設(shè)備的空閑損耗降低策略研究，項目結(jié)合了焊機能效標準GB 28736—2019和安全標準GB/ T15579.1—2013的試驗方法，目前取得的成果如表1所示。

本部分研究按照實際情況進行了兩組試驗，第一組試驗設(shè)置了其他影響單元和功率器件、主變壓器磁芯、冷卻系統(tǒng)、控制模塊做為一個整體的影響單元，分析了四個單元部位做為整體對焊接機器人空閑損耗的影響程度。第二組試驗對四個單元部位進行了分項研究，結(jié)果如圖2所示。

試驗數(shù)據(jù)顯示，弧焊設(shè)備的功率器件、主變壓器磁芯、冷卻系統(tǒng)和控制模塊是影響焊接機器人空閑損耗的四個主要因素，焊接設(shè)備要降低空閑狀態(tài)損耗，按對焊接機器人整個系統(tǒng)空閑損耗貢獻值從小到大可以采取以下措施。

（1）功率器件。應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求和設(shè)計要求進行評估和選擇，在成本控制合理的基礎(chǔ)上采購更加高效的IGBT模塊，使弧焊設(shè)備空閑運行時功耗更低。

（2）主變壓器磁芯。選擇具有低磁滯和低損耗特性的磁芯材料，常見的磁芯材料包括硅鋼片、鐵氧體和非晶合金等，非晶合金材料具有更低的損耗；選擇適當?shù)拇判拘螤?，以最大程度地減少磁通漏磁和渦流損耗，不同形狀的磁芯適用于不同的應(yīng)用和功率級別；選擇適當?shù)拇判境叽?；適當?shù)拇判警B壓可以提高磁通密度，從而減少磁芯的尺寸和損耗；在磁芯表面涂覆絕緣涂層可以減少渦流損耗，絕緣涂層可以阻止渦流在磁芯表面形成，從而減少能量損耗。

（3）控制模塊。采用智能控制系統(tǒng)來監(jiān)測焊機的工作狀態(tài)和溫度，并根據(jù)實時需求調(diào)整冷卻系統(tǒng)的運行，智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)焊機的負荷和溫度變化，自動調(diào)整冷卻系統(tǒng)的運行速度和功耗，間接降低空載電流[7]，避免過度冷卻和能量浪費。

（4）冷卻系統(tǒng)。使用更精確的溫度傳感器監(jiān)測焊機的溫度，并根據(jù)需要調(diào)整冷卻系統(tǒng)的運行；采用變頻控制技術(shù)來調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的運行速度，根據(jù)焊機的工作負荷和溫度需求，調(diào)整冷卻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，以減少能耗；進行合理的散熱設(shè)計，包括優(yōu)化散熱器的布局和尺寸，增加散熱面積，改善熱風道設(shè)計。

4 安全系統(tǒng)

焊接機器人的安全系統(tǒng)主要包括休眠模式、傳感器監(jiān)測、自動關(guān)機、強制關(guān)機四個部分，強制關(guān)機對整體的空閑損耗影響相對較小，可以做為省略項排除不作為研究內(nèi)容，針對其他四個部分有以下幾個方面的改進措施。

（1）休眠模式。將焊接機器人配置為具有休眠模式，當機器人處于空閑狀態(tài)時，可以自動進入休眠模式，休眠模式可以通過降低電源供應(yīng)、關(guān)閉部分電路或減少電機轉(zhuǎn)速等方式實現(xiàn)。需要注意的是，在實際應(yīng)用過程中，部分運維人員出于其他考慮不會開啟休眠功能[8]，應(yīng)定期開展此方面培訓，增強節(jié)能意識。

（2）傳感器監(jiān)測。使用傳感器監(jiān)測機器人周圍的環(huán)境和工件狀態(tài)。當機器人沒有焊接任務(wù)時，傳感器可以檢測到是否有人員或物體靠近，以及工件是否準備好。根據(jù)傳感器的反饋，可以決定機器人是否繼續(xù)運行或進入休眠狀態(tài)，保證工程時間及質(zhì)量[9]的同時降低能耗。

（3）自動關(guān)機。當機器人連續(xù)一段時間沒有進行焊接任務(wù)時，可以自動關(guān)機。通過設(shè)置自動關(guān)機功能，可以避免機器人長時間處于空閑耗能狀態(tài)，減少能耗。

5 結(jié) 語

為滿足焊接機器人正常焊接工作，空閑損耗的極大降低是本階段解決整體損耗過高的主要關(guān)注點。通過對焊接機器人的機械臂、控制系統(tǒng)、焊接設(shè)備、安全系統(tǒng)四個方面進行分析研究，綜合采取上述措施可以有效降低空閑狀態(tài)的損耗，提高設(shè)備的效率和能源利用效率，減少資源浪費。在焊接機器人在實際應(yīng)用中，工況更加多變且環(huán)境具有不確定性，應(yīng)根據(jù)具體需求和設(shè)計要求，選擇適當?shù)拇胧┖图夹g(shù)，實現(xiàn)最佳的能耗和功耗優(yōu)化效果。

參考文獻

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作者簡介

黃曉東，本科，工程師，研究方向為電焊機、電機及其他電氣產(chǎn)品的質(zhì)量檢測與標準。

（責任編輯：袁文靜）