張江濤

山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治，046011

0 引言

復(fù)雜截面機(jī)器人焊接是由機(jī)器人、電子、計(jì)算機(jī)、數(shù)控等技術(shù)支撐的一種新型技術(shù)形式。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，復(fù)雜截面機(jī)器人焊接被用于工業(yè)生產(chǎn)。與傳統(tǒng)手工生產(chǎn)相比，復(fù)雜截面機(jī)器人焊接不僅可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以縮短產(chǎn)品改造升級(jí)的準(zhǔn)備周期，提高焊接產(chǎn)品的效率和質(zhì)量。在新時(shí)代，復(fù)雜截面機(jī)器人焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用愈發(fā)深入，因此，有必要對(duì)復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的控制方法進(jìn)行綜合優(yōu)化[1]。

1 復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的特點(diǎn)

隨著復(fù)雜截面機(jī)器人焊接制造經(jīng)驗(yàn)的逐漸豐富，復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的工作將更加智能化。復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的制造需要更精密的儀器和制造工藝，保證復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的高質(zhì)量成型，滿足實(shí)際的工業(yè)需求。復(fù)雜截面機(jī)器人焊接能夠穩(wěn)定、重復(fù)地工作，這些智能化和人格化是通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)雜截面機(jī)器人焊接通過(guò)數(shù)據(jù)和智能將傳統(tǒng)技術(shù)保留在機(jī)器中，人工智能技術(shù)在這一過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[2]。人工智能技術(shù)可以看作是復(fù)雜截面機(jī)器人焊接研究的基本技能。

焊接自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程是由備料、加工、裝配、焊接、調(diào)修、檢驗(yàn)等組成的一個(gè)焊接產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化全過(guò)程。只有實(shí)現(xiàn)了這一全過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化，才能得到穩(wěn)定的焊接產(chǎn)品質(zhì)量和均衡的生產(chǎn)節(jié)奏，同時(shí)獲得較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。概括地說(shuō)機(jī)器人自動(dòng)焊與傳統(tǒng)手工焊相比有如下特點(diǎn)：①穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，較好的質(zhì)量同一性；②生產(chǎn)效率高，可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)；③改善勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)環(huán)境；④降低了工人對(duì)手工焊接技能的要求。

2 角度自檢測(cè)的復(fù)雜截面機(jī)器人焊接恒速控制缺陷

（1）褶皺是指焊縫表面顏色暗、不均勻的現(xiàn)象。起皺不僅影響焊縫的美觀，而且降低了焊接接頭的力學(xué)性能，主要是由于保護(hù)氣體流量過(guò)大或焊縫過(guò)熱引起的。

（2）焊偏是指熔化金屬偏離焊道的一種現(xiàn)象。這是一種非常嚴(yán)重的焊接缺陷，主要是由于工件安裝不準(zhǔn)確、工裝定位精度不夠、焊接工序不合理等原因造成的。

（3）焊縫過(guò)寬是指焊縫金屬的橫截面積超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值。其主要原因是焊接工藝規(guī)范不合理或焊接接頭不規(guī)范。

（4）卷邊是在焊接過(guò)程中熔化的金屬流向焊縫外未熔化的母材時(shí)形成的凸起。主要原因是焊接規(guī)范調(diào)整不當(dāng)，焊接電流、焊接速度與擺動(dòng)不匹配。

（5）焊邊是指焊接電弧在角焊縫中熔化接頭端面并形成焊縫金屬的現(xiàn)象。主要是焊接速度過(guò)慢、擺動(dòng)幅度過(guò)大等工藝規(guī)范不合理等原因造成的。

3 復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的控制方法

3.1 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)置

作為復(fù)雜截面機(jī)器人焊接控制的基礎(chǔ)，機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)置尤為關(guān)鍵。首先，需要系統(tǒng)地設(shè)置機(jī)器人自動(dòng)操作、坐標(biāo)系、參考位置等要素。坐標(biāo)系統(tǒng)和參考位置的設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜截面機(jī)器人焊接控制的精度有很大的影響。以坐標(biāo)系設(shè)置為例，控制人員需要從關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、機(jī)械接口坐標(biāo)系、工具及用戶坐標(biāo)系等諸多層面進(jìn)行控制，根據(jù)位置設(shè)計(jì)，確定機(jī)器人離開機(jī)床及周邊設(shè)備后可以移動(dòng)的安全控制。一般情況下，參考位置數(shù)為10個(gè)。I/O設(shè)置是機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)置的重要組成部分，包括通用I/O、特殊I/O和I/O分配的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在I/O設(shè)置中，不僅要考慮機(jī)器人的I/O設(shè)置，還要協(xié)調(diào)外圍設(shè)備I/O與操作面板I/O之間的關(guān)系。此外，I/O鏈路設(shè)備屏幕和I/O鏈路功能應(yīng)得到系統(tǒng)控制。例如，在I/O鏈接設(shè)備單元中，必須在設(shè)備屏幕上設(shè)置必要的信號(hào)點(diǎn)[3]。一般情況下，輸入和輸出的最大數(shù)字信號(hào)點(diǎn)數(shù)可分別設(shè)計(jì)為256個(gè)。

3.2 程序構(gòu)成控制

準(zhǔn)確編寫控制程序，可以為復(fù)雜截面機(jī)器人焊接控制功能的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造良好的條件。在機(jī)器人控制的管理程序中，控制水平應(yīng)該注意以下內(nèi)容：首先，項(xiàng)目信息的管理應(yīng)確保所有控制信息的完整性，也就是說(shuō)，復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的控制程序不僅應(yīng)該包括項(xiàng)目名稱、程序注釋和亞型，也包括組掩碼、寫保護(hù)、忽略暫停等內(nèi)容。此外，在設(shè)計(jì)程序信息時(shí)還應(yīng)考慮堆棧的大小。其次，在行號(hào)碼、程序末尾記號(hào)及自變量控制中，應(yīng)確保行號(hào)碼自動(dòng)插入到程序上所追加的各指令旁，即在刪除指令，或?qū)⒅噶钜苿?dòng)到程序中心的位置的情況下，程序?qū)⒆詣?dòng)地重新賦予號(hào)碼，使得最初一行始終為行1，第2行為行2。而在程序末尾記號(hào)管理中，應(yīng)確保在程度到達(dá)最后一行時(shí)，朝向畫面的下方移動(dòng)。此外，應(yīng)通過(guò)直接指定和間接指定來(lái)控制自變量之間的關(guān)聯(lián)。最后，重視程序動(dòng)作指令、碼垛堆積指令、寄存器指令等要素的管理。如在動(dòng)作指令管理中，應(yīng)從動(dòng)作類型、位置資料、移動(dòng)速度、定位類型、附加指令等諸多層面進(jìn)行管理；而在碼垛堆積指令控制中，應(yīng)按照B、BX、E、EX等模式的差異，選擇不同的碼垛路徑堆積模式。此外，針對(duì)寄存器質(zhì)量管理，應(yīng)做好數(shù)值寄存、位置寄存、碼垛寄存等大單元的指令處理，保證實(shí)際的處理效果。

3.3 創(chuàng)建和執(zhí)行的創(chuàng)新

程序的生成和執(zhí)行是復(fù)雜截面機(jī)器人焊接控制的核心環(huán)節(jié)。在程序創(chuàng)建方面，包括設(shè)計(jì)程序、上電上料、基本程序創(chuàng)建、修改程序、程序操作、后臺(tái)編輯、特殊點(diǎn)檢、其他編輯功能等多個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)際管理中，控制人員應(yīng)注重基本程序的創(chuàng)建與程序修改之間的聯(lián)系。通常，在創(chuàng)建一個(gè)程序的過(guò)程中，需要記錄具體的程序，然后修改標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的指令語(yǔ)句，并教出動(dòng)作指令。在程序修改過(guò)程中，選擇相應(yīng)的修改程序后，應(yīng)從動(dòng)作、控制和編輯三個(gè)層面進(jìn)行修改。該方案的實(shí)施直接關(guān)系到復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的實(shí)際工作效率和質(zhì)量。在實(shí)際實(shí)施中，應(yīng)首先控制程序的停止和恢復(fù)，此功能一般通過(guò)緊急停機(jī)操作和按住鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，在程序執(zhí)行過(guò)程中，我們要做好啟動(dòng)程序后機(jī)器人動(dòng)作的相關(guān)性，特別是暫停狀態(tài)和啟動(dòng)度的相關(guān)性。此外，為了確保復(fù)雜截面機(jī)器人焊接機(jī)操作的高效率，還需要進(jìn)行測(cè)試控制的程度，并進(jìn)行手動(dòng)操作控制機(jī)械手、I/O和其他單位結(jié)合測(cè)試結(jié)構(gòu)，確保手動(dòng)控制與自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的有效統(tǒng)一。

3.4 其他控制點(diǎn)

為了進(jìn)一步提高復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的控制效果，機(jī)器人在執(zhí)行特定程序時(shí)，還需要進(jìn)行多個(gè)單元的控制與協(xié)調(diào)，如狀態(tài)顯示、輸入輸出文件管理、指令應(yīng)用、堆疊、教學(xué)掛件應(yīng)用等，從而保證復(fù)雜截面機(jī)器人焊接處于最佳工作狀態(tài)。此外，對(duì)于復(fù)雜截面機(jī)器人焊接的自動(dòng)控制，需要從操作工、程序員、維修工程師、刀具、外圍設(shè)備、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件、末端執(zhí)行器、停止方法等多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行安全管理，以確保工業(yè)生產(chǎn)的效率。

4 角度自檢測(cè)的復(fù)雜截面機(jī)器人焊接恒速控制缺陷解決方案

以上列舉的機(jī)器人焊接質(zhì)量問(wèn)題不僅影響焊接產(chǎn)品的使用性能和使用壽命，而且影響人身和財(cái)產(chǎn)安全。機(jī)械手在自動(dòng)焊接過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的原因是多方面的，我們將從人、料、法、環(huán)四個(gè)方面分析并制定解決方案[4]。

4.1 操作人員的因素（人）

直接參與機(jī)械手自動(dòng)焊接的人是焊接機(jī)械手操作員。相同的設(shè)備，相同的產(chǎn)品，不同的操作人員焊接的產(chǎn)品質(zhì)量不同。經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)管理經(jīng)驗(yàn)，作為一名焊接機(jī)械手操作人員，應(yīng)該具備以下三項(xiàng)基本技能。①掌握MAG氣體保護(hù)焊的操作技能。3～5年手工焊接經(jīng)驗(yàn)；考取平對(duì)接焊和角接焊的歐洲焊接資質(zhì)；具有高級(jí)工以上水平。②掌握焊接機(jī)械手的編程。自動(dòng)焊接不同于手工焊接，手工焊接的質(zhì)量取決于焊工自身的技能和工作條件，而自動(dòng)焊接的焊接質(zhì)量很大程度上取決于機(jī)械手焊接工藝的優(yōu)劣。焊接程序是由一線操作人員編輯的，在機(jī)械手焊接過(guò)程中，操作人員必須根據(jù)焊接材料的變化對(duì)程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如果調(diào)整不及時(shí)，會(huì)出現(xiàn)各種質(zhì)量問(wèn)題。因此，作為一名焊接機(jī)械手操作人員，一定要掌握編程技能。③焊接機(jī)械手操作人員應(yīng)懂得設(shè)備簡(jiǎn)單的維護(hù)。只有在正確使用和及時(shí)維護(hù)的前提下，才能保證設(shè)備的高利用率。在實(shí)際生產(chǎn)中，大型復(fù)雜截面機(jī)器人焊接系統(tǒng)通常采用三個(gè)轉(zhuǎn)變，每日工作時(shí)間可達(dá)20多個(gè)小時(shí)，需要焊接機(jī)械手操作掌握“四個(gè)理解和四個(gè)技能”設(shè)備，了解性能、原理、結(jié)構(gòu)、用途、操作，能夠維護(hù)和排除故障。

4.2 原材料因素（材料）

焊接生產(chǎn)的原材料包括母材和焊材，是保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提。在送料前，必須對(duì)材料進(jìn)行良好的檢查，以穩(wěn)定生產(chǎn)和焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

（1）加工精度。盡量采用切削精度高的先進(jìn)加工方法，如機(jī)械加工和激光切割，以及具有良好機(jī)械性能和材料性能的切口。避免火焰切割、剪切等方法。要求槽角和鈍邊厚度應(yīng)均勻。

（2）裝配精度。檢查材料零件之間是否有間隙。一般間隙應(yīng)在0～0.5mm之間，彎頭處間隙應(yīng)≤1mm。如果≥1mm，則需要手動(dòng)啟動(dòng)。

（3）點(diǎn)固焊。點(diǎn)焊高度、長(zhǎng)度是否按規(guī)范打磨。點(diǎn)焊過(guò)高會(huì)造成焊弧跟蹤故障、成形不良、熔合不完全等焊接缺陷。點(diǎn)焊過(guò)低會(huì)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生裂紋和開焊。

（4）焊接清理。檢查焊縫周圍是否有油漬、濕氣、銹斑、探傷液等雜質(zhì)，這些是影響焊接質(zhì)量、造成氣孔的主要原因。

4.3 焊接工藝因素法和工藝管理方法（法）

法是方法，上述分析的人、機(jī)、料，從形式上看是相對(duì)孤立的，是通過(guò)“法”的這個(gè)環(huán)節(jié)將人、機(jī)、料這三者聯(lián)系在一起并環(huán)環(huán)相扣。焊接質(zhì)量高度依賴于工藝方法，在影響焊接質(zhì)量的各種因素中起著最重要的作用。工藝方法和工藝管理方法對(duì)焊接質(zhì)量的影響主要來(lái)自三個(gè)方面：一是工藝制定的合理性；二是實(shí)施過(guò)程的嚴(yán)密性；三是焊接質(zhì)量的追溯性。

（1）工藝制定的合理性。首先要考慮的問(wèn)題是這個(gè)工件是否適合機(jī)械手自動(dòng)焊接，要結(jié)合機(jī)械手自動(dòng)焊接的特點(diǎn)：①燃弧時(shí)間長(zhǎng)、輔助時(shí)間短的工件；②焊縫連續(xù)性較好，焊接起弧、收弧少的工件；③焊接順序較復(fù)雜、工件翻轉(zhuǎn)變化多的工件；④狹小空間、焊接位置遮擋視線的焊縫。

（2）實(shí)施過(guò)程的嚴(yán)密性。①要求各操作人員熟悉生產(chǎn)模型零件的工藝文件和技術(shù)要求，并按文件要求嚴(yán)格檢查現(xiàn)場(chǎng)施工條件，如焊絲組成是否符合要求，焊接電流和焊接電壓是否在指定范圍內(nèi)的文檔，以及氣體流量和預(yù)熱溫度是否應(yīng)該把關(guān)流程文檔，以便嚴(yán)格重復(fù)崗位職責(zé)和流程文件，每個(gè)員工應(yīng)該清楚。②加強(qiáng)質(zhì)量控制。充分發(fā)揮焊接主管的作用，認(rèn)真跟蹤各個(gè)工序和班次，杜絕現(xiàn)場(chǎng)違法操作，嚴(yán)格遵守現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理紅線。

（3）焊接質(zhì)量的追溯性。影響焊接質(zhì)量的因素很多，如操作工對(duì)來(lái)料質(zhì)量的控制、焊接機(jī)械手的控制能力、焊接工藝的編制水平、焊接工藝的使用和管理方法、設(shè)備使用和管理職責(zé)等。自動(dòng)焊接后的補(bǔ)焊和打磨會(huì)影響焊接質(zhì)量。那么從源頭和各個(gè)環(huán)節(jié)控制質(zhì)量并落實(shí)責(zé)任就顯得尤為重要。

4.4 環(huán)境的因素（環(huán)）

環(huán)境直接影響安全生產(chǎn)，也是創(chuàng)造高質(zhì)量產(chǎn)品的前提。焊接車間要求在溫度、濕度、通風(fēng)、采光等方面完全滿足焊接要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在上面的討論中，我們列出了一些焊接自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，并制定了解決方案。在不斷創(chuàng)新和實(shí)踐中也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的問(wèn)題，不僅應(yīng)該解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，而且應(yīng)從源頭控制，形成一個(gè)整個(gè)生命周期的產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。