焊接机器人驱动方式应用的探讨

2020-01-08唐山职业技术学院机电工程系田明瑜

河北农机 2020年11期

唐山职业技术学院机电工程系田明瑜

引言

随着工业生产智能化的快速发展，焊接工艺作为产品制造加工过程中重要工艺之一，在机械加工、汽车制造工业、船舶制造、航天航空等领域广泛应用，在人工智能技术的快速发展下，焊接机器人得到了快速发展。焊接机器人可以提高产品的生产效率，改善劳动者的劳动环境，能够保证产品质量的稳定，易于实现产品的优量化生产，并能够推动相关产业自动化升级改造。焊接的自动化以及智能化已经成为制造业发展的必然趋势，焊接机器人已经成为现代化与自动化紧密结合的一大标志[1]。

1 焊接机器人分类

1.1 工艺方法分类

焊接机器人主要有弧焊机器人、点焊机器人、激光焊机器人、等离子焊机器人和搅拌摩擦焊机器人等；目前弧焊机器人和点焊机器人在生产中应用较为广泛。弧焊机器人可进行长时间连续焊接作业，其特点是生产效率高、焊接质量高和稳定性好等。点焊机器人具有结构简单，易操作、生产率高等优点，同时点焊工艺主要应用于金属薄板的焊接，被广泛用于汽车制造业和航空航天生产等工业领域[2]。

1.2 受控运动方式分类：点位控制型、连续轨迹控制型

点位控制是在操作空间中某些规定的离散点上的定位运动。要求焊接机器人能够快速、准确地在相邻各点之间准确运动，其技术指标是运动时间和定位精度。点位控制特点是具有易实现、控制方式简单及定位精度不高等；连续轨迹控制是按照设计好预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动，连续轨迹控制的特点是速度可控、轨迹光滑、运动平稳。连续轨迹控制的焊接机器人各关节连续、同步地进行相应的运动，其焊接执行部件形成连续的轨迹。轨迹跟踪精度及平稳性是连续轨迹控制的焊接机器人技术指标。

1.3 驱动方式分类：液压驱动、气压驱动、电气驱动

液压驱动是将压力能转变成的机械能实现的，其工作介质为液压油。该驱动方式特点是具有较高的功率重量比，驱动力较大，在重载运输上具有较大优势；结构简单，体积小，控制性能好，精度较高；对外部环境要求不高，有很强的适应能力。气压驱动和液压驱动相同也是将压力能转变成机械能实现力的传递，但其工作介质为空气。空气通过空气压缩机后，具有可控的压力作为输出动力源，实现能量的传递。气压驱动系统的特点是成本低、气源方便、系统安全可靠、结构简单，同时，因为空气的物理特性，被压缩后不会产生黏性过大的特征，因此，使用气压驱动装置可以实现执行动作迅速变化，控制速度和执行速度快；其产生的废气不会污染环境，但精度较差。电气驱动是通过电机产生力和力矩进行控制，易操作，成本低，适用于大功率机器人。电气驱动常见有：步进电机驱动、直流伺服电机驱动和交流伺服电机驱动。其中步进电机的定位精度高，但控制系统复杂，且速度的调节范围较小[3-4]。

1.4 结构形式分类

按照运动的结构形式主要将焊接机器人分为球坐标型、直角坐标型、圆柱坐标型和全关节型4 类。

2 焊接机器人的动力源分析

机器人的工作离不开动力，目前主要采用的是传统能源和新型能源两种，焊接机器人采用的传统能源是指以单一电能供电，其应用主要在固定工位，对单一产品焊接，供电主要是由线缆进行。固定工位焊接机器人作业主要有车间内设移动轨道和单自由度机械手焊接两种。相对应可移动的焊接机器人，其动力源采用蓄电池，可以保障完成焊接作业区面积大、运动距离较长的焊接任务，但蓄电池的寿命短、质量重、功率密度较低和充电耗时较长等缺点，让其很难满足企业实际需求。为了更好地提高可移动机器人的应用性能，传统能源目前存在的问题缺陷是当前研究者迫切需要解决的问题，将环保洁能的新能源应用到焊接机器人动力系统中可以解决传统能源存在的缺陷。尤其是环保无污染的清洁能源得到广泛关注，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，其环保性能好、转换效率高，可摆脱电缆的约束。然而单一的燃料电池作为动力能源，存在设备启动速度缓慢，载荷变大时响应较慢等缺陷。因此设计人员结合燃料电池与其他电源的优缺点，将两种能源方式进行结合，形成一种混合动力能源向移动焊接机器人供能。如：将超级电容与清洁的燃料电池结合，大大改善了焊接机器人的功率需求；将具有快速供电性能的锂电池和清洁的燃料电池结合，作为辅助能源的锂电池可以在启动加速阶段快速供电，保证其正常的功率需求，同时保证清洁的燃料电池处的反应放电高效范围；在减速制动时，机器人自身系统产生回馈，锂电池进行储能，为机器人下次的启动加速工作做好准备。混合动力能源很大程度上实现焊接机器人快速、高效的工作需求。

3 焊接机器人驱动方式分析

随着焊接技术的快速发展，焊接机器人也被越来越多的企业应用，在电气驱动和气动驱动的传统驱动方式的基础上，多种改进的驱动形式在焊接机器人的设计制造得到应用。如移动焊接机器人中采用的差速驱动，可以实现对焊缝高精度的跟踪控制，具有较好的稳定性，通过采用后轮差速驱动对机器人的轨迹控制和姿态的调节。差速转向解决了移动焊接机器人运行中的转向侧滑问题，同时大大将焊接机器人的运行稳定性和跟踪轨迹的精度提高。因冗余驱动技术具有较好的灵活性和精准度，因此将冗余机器人与焊接技术结合优化，不仅可以避免机器人运行时本体与焊接肢体的干涉碰撞，同时能够使机器人的工艺位置更加精确，产品的质量和效率得到大大提高；球形电机具有多自由度、控制简单、性价比高等特点，将其作为驱动装置，可减少焊接机器人系统的电机数量，系统结构更加优化，提高焊接机器人的经济性能。新型的驱动方式在很大程度盖改善了焊接机器人的性能，提高了生产效率，得到企业的广泛认可，从而也促进了焊接机器人快速发展。