自從20世紀60年代初,人類創造了第一臺工業機器人以后,工業機器人就顯示出它極大的生命力,在短短40多年的時間中,工業機器人技術得到了迅速的發展,工業機器人已在工業發達國家的生產中得到了廣泛的應用。目前,工業機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與家具制造業等領域中。在工業生產中,焊接機器人、裝配機器人、噴涂機器人及搬運機器人等工業機器人都已被大量采用。本文以下重點介紹焊接機器人。

　　本文介紹了基于PC的機器人控制箱AXC、最新的動作控制方法、最新的激光傳感器、最適合弧焊的機器人、最適合點焊的機器人等技術內容,一覽焊接機器人的最新動態。

　　技術一：基于PC的機器人控制箱AXC

　　OTC公司的AXC機器人控制箱是基于PC開發的,其特點是:功能更多,操作更加便利,保養更加高效。

　　AXC控制箱的軟件構成

　　自從發明了Windows操作系統,計算機才逐漸向一般家庭普及。這是因為Windows擁有超群的操作性能。但是,Windows是辦公用的OS,并不具備像機器人控制所需要的那種高度實時性。例如在連接因特網時,有時屏幕畫面會有短暫的等待,如果在機器人上發生這樣的情況,即使是一瞬間的停止也會造成焊接無法進行。為此,OTC公司在Windows系統中加入具有實時控制功能的OS,并在此基礎上進行了機器人控制軟件的開發,最終實現在AXC控制箱上可以進行所有的控制管理功能。

　　以往采用Windows系統的機器人控制箱,其構成基本都是如圖1(a)所示,雖然發揮了Windows的操作性能,但是在實際應用中其適應能力沒有變化。與之不同,AXC控制箱則擁有如圖1(b)所示的構成,實現了完全的PC化。圖2顯示了其軟件的構成。

　　基于PC上的操作性

　　AXC控制系統中,示教盒只用來鍵操作及信息顯示。其特點是操作性能非常良好,具有與計算機一樣的彩色畫面顯示。

　　保養工作的高效化

　　使用AXC的保養輔助工具功能,能使原來困難的保養修理工作變得簡單。當機器人發生故障時,保養輔助工具不只是顯示故障代碼,還能夠以圖的形式顯示故障位置,從而縮短故障修復的時間。另外,零件更換的順序也能夠以實物照片的形式顯示和說明,不需要操作人員一手拿著使用說明書,一手進行作業。

　　軟PLC功能的強化

　　AXC控制箱中藏有市場上銷售的高性能軟PLC功能（見圖3）,它支持國際標準語言IEC1131-3,在示教盒上面可以進行梯形圖的編輯。另外,如果使用市場上銷售的編程工具,在PC的平臺上就可以進行離線編程。使用AXC控制箱內藏的軟PLC功能就可以控制周邊設備,不需要另外準備夾具控制箱。

　　技術二：可控制姿態的激光傳感器

　　早在20年前,人們就開始利用激光傳感器檢出坡口斷面,從而實現跟蹤功能。目前,激光傳感器（見圖4）的檢出性能、可靠性和耐久性得到了大幅度的改善,從而使其能夠應用于各種場合。另外,不僅是進行跟蹤,它還附加了一些其他功能。在此對其中的一些主要功能作一下介紹。

　　基本原理

　　如圖5所示，將激光照在工件上,然后接受反射光,通過三角測距的原理測量出到工件的距離。但是這只是測量了1個點的距離。實際應用時則通過操作內部的掃描鏡,使激光傳感器在工件坡口方向擺動,通過測量到坡口位置的距離,從而得出端面形狀。

　　6D跟蹤

　　傳統的激光傳感器采用的是2D跟蹤控制的方法,在焊縫跟蹤過程中無法實現焊槍姿態的變更。如果使用激光傳感器的6D跟蹤功能,則不僅可以實現焊縫的跟蹤,還可以實現焊槍角度的自動調整。

　　6D跟蹤的原理是:機器人控制器管理著機器人底座坐標原點到焊槍坐標系之間的位置姿勢bTt,而激光傳感器則測量從傳感器坐標系看的工件坡口的位置姿勢cTs。在這里,對工具坐標系來說,由于激光傳感器坐標系是固定不動的,tTc是已知的固定值,所以利用高速通信技術可以同時求出bTt與cTs。從機器人底座坐標看的坡口位置姿勢bTs就可以從以下公式中求得:

　　bTs=bTt·tTc·cTs

　　此作為檢出軌跡,只要焊槍按此軌跡移動的話,就可以實現沿著坡口的位置姿態自動跟蹤。

　　適應性控制

　　激光傳感器測量坡口的端面形狀,可以檢出搭接接頭的間隙。根據檢出的間隙量自動調整焊接條件的功能就是所謂的適應性控制。OTC公司的激光傳感器根據檢出的間隙量可以自動調整焊接速度、焊接條件、擺弧條件、焊絲對準位置、焊槍姿態等。

　　焊接結束后,再次使用激光傳感器對焊縫進行測量可以檢出焊縫的形狀;通過圖像處理計算出焊腳長度、咬邊尺寸,將測量出來的值與標準值進行比較,判斷焊件是否合格;還可以將此結果輸出到外部設備。OTC公司的激光傳感器可以進行自動跟蹤、適應性控制、焊縫檢查,從而保證了焊接質量。

　　技術三：最適合弧焊的機器人

　　AX-V4AP電纜內藏機器人是作為最適合弧焊的機器人而被開發的。由于同軸電纜內藏在機器人本體中,避免了與工件及夾具的干涉。傳統機器人（如圖6所示）的同軸電纜暴露在外,且彎曲程度大,經常會與工件發生干涉。如果使用AX-V4AP機器人則可以非常順利地接近工件。

　　另外,由于使用離線編程時同軸電纜的模擬非常困難,所以在做模擬時就無法進行這一部分的干涉確認,只能通過實際動作進行確認。如果使用AX-V4AP機器人則沒有上述同軸電纜的問題,從而更加方便地使用離線編程軟件進行模擬。

　　機器人RS功能（見表1）

　　在使用機器人的自動化焊接生產線上,經常會發生臨時停止的問題,而引起這個問題的最主要原因是起弧不良。為減少起弧不良發生率,在AX-V4AP機器人上新開發了機器人RS功能。其實OTC公司原來在使用伺服送絲裝置時,就開發了RS功能（回抽絲起弧功能）。而在AX-V4AP機器人上新開發的RS功能不需要伺服送絲裝置,通過普通的送絲裝置與機器人動作的結合就可以實現順利起弧。

　　焊接電源的控制

　　作為最適合弧焊的機器人的要素之一,在機器人上最大程度地利用焊接電源的功能是非常關鍵的。OTC公司在機器人與焊接電源的通信上使用了CAN通信技術。CAN通信技術具有ABS、安全氣囊的控制所需要的高反應性及高可靠性,而且CAN通信技術使用的電子元件也具有較高的耐溫性及抗干擾性。

　　使用上述CAN通信手段,即使在焊接施工現場也可以實現穩定的雙向通信,從而可以在機器人與焊接電源之間進行大量的、高速的信號交流,最終實現對焊接電源及機器人地更好控制。

　　通過使用上述高速通信技術,可以將焊接電源的豐富功能充分地應用到機器人上。焊接條件、脈沖的有無、電弧的特性等可以根據工件的板厚、間隙的大小、焊槍的姿態在機器人上進行自由設定。

　　技術四：最適合點焊的機器人

　　OTC公司從焊接的觀點出發徹底追求最適合點焊的性能,并開發出了最適合點焊的機器人。新開發的機器人豐富了點焊的應用功能,進一步縮短了節拍時間,減少了由于焊接電纜引起的與夾具的干涉,實現了對每個打點的質量管理。

　　點焊控制器內藏于AX機器人控制箱中（見圖7）

　　利用基于PC的控制箱的擴充性,開發了可以內藏于機器人控制箱內的點焊控制器(TIMER)。以往的點焊控制器(TIMER)外接時通過I/O連接需要花費較長時間,而采用內藏型AX控制箱可以做到高速通信,減少了時間浪費,每個打點可以節約0.1s的節拍時間。

　　另外,由于采用了點焊控制器(TIMER)內藏的結構,可以在機器人示教盒上（見圖8）實現點焊需要的各種參數、焊接周期的設定,以及焊接結果、焊接記錄的顯示。示教盒上還可以顯示電流值、電阻值、溫度水平的波形。通過對電阻變化進行確認,判斷有無間隙和分流,從而對加壓力、電流值的設定作參考。另外,通過對波形進行確認,可以減少實際工件上焊接條件調整的時間。

圖8  在機器人示教盒上可以進行各種設定

　　減少點焊火花的RE控制

　　通過對溫度水平及通電時間進行控制,根據情況變化電流,輸入希望得到打點的最佳能量。溫度水平是將計算得到的焊接部位的平均溫度乘上1/10后表示的數值。RE控制具有以下特點:

　　①由于能夠掌握能量狀態,減少點焊火花；

　　②即使是使用已消耗的電極也能得到最佳的打點；

　　③能夠減少由于間隙和分流引起的打點不良；

　　④即使是連續打點也沒有不必要的電耗；

　　⑤由于連續打點數的增加，延長了電極修磨器的刀片的壽命。與傳統的恒電流控制相比較，RE能夠控制溫度水平，不受間隙的有無、電極消耗、分流等因素的影響,能夠得到穩定的打點。