摘 要：焊接机器人是工业生产线最常用的机器人之一，在未来的制造业将会有更广泛的应用和前景，这是因为和人工操作相比，焊接机器人操作更快、效率更高、成本更低、更加精准，而且比人工操作更为安全。为了确保焊接质量和工业安全，提升焊接机器人的可靠性就至关重要，文章从技术角度对如何提升焊接机器人工作的可靠性进行了分析。
关键词：焊接机器人；工业机器人；可靠性；技术
中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0141-02
Abstract： Welding robot is one of the most commonly used robots in industrial production line. It will have more extensive application and prospect in the future manufacturing industry， because compared with manual operation， welding robots operate faster， more efficiently， more cheaply， more accurately， and are safer than manual operations. In order to ensure the welding quality and industrial safety， it is very important to improve the reliability of the welding robot. This paper analyzes how to improve the reliability of the welding robot from the technical point of view.
Keywords： welding robot； industrial robot； reliability； technology
工業机器人是以自动化技术为基础的机电一体化装置，过去的焊接机器人主要基于电气技术，没有对环境的应对能力。现在的焊接机器人利用传感器功能，对环境有着一定适应能力，体现出了智能化的趋势。而未来的焊接机器人将会大大增加视觉、触觉、听觉等传感器功能，大大提升自主工作能力，甚至建立学习能力。从1961年第一台工业机器人投入使用以来，机器人技术发展已经了有了近60年的历史。1970年代，焊接机器人被大量使用，实现了产业自动化的飞跃，在全球汽车生产线中，焊接机器人发挥着不可替代的巨大作用。和人类相比，焊接机器人稳定性好、精确度高、快捷可靠，但是毕竟机器人不具有人类自动识别故障的智能，而且是一个集成多种技术、多自由度高度复杂的综合系统，所以必须要采用可靠性技术来排除故障。
1 焊接机器人的技术特点分析
1.1 焊接机器人相对于人类的优势
第一，能够代替人类从事危险作业，大幅改善工人的劳动条件，降低对人类的损害，可以从事人类不能到达的恶劣环境作业，比如毒气坑道、军事区域、无氧空间等。第二，在较高生产率下能够实现稳定性生产，统一产品的标准，使产品质量具有均一性。这在汽车工业尤为显著，自从1969年通用汽车使用了第一批点焊机器人以来，全球汽车企业都已经大规模发展了焊接机器人技术。第三，操作简单，精度高，改变过去了人工操作可能产生误差的状况，目前全球数百万台电弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊等机器人在负载能力、重负定位精度、作业范围、工作稳定性等指标上不断刷新记录；并且在焊接任务智能规划、焊接动态过程传感与控制、焊接配套设备（焊接电源、焊枪/焊钳）等实现了更高程度的焊接自动化与智能化，能在短时间内完成任务，并且提供完整参数，比如，有些机器人能够在焊接过程中完成实时焊缝跟踪；此外焊接工作站或生产线的多机器人协作技术、极限环境下的机器人焊接技术的应用，体现了人类无法代替的高强度、高精度、复杂工序高效作业、恶劣或极限工况下施焊等方面的决定性优势。
1.2 国内外焊接机器人发展现状
作为工业机器人技术的诞生地，美国焊接机器人数量巨大，在十年前就超过了15万台。而制造业顶尖的德国在同一时期焊接工业机器人数量甚至超过美国，受到劳动密集型产业模式影响，我国的焊接机器人数量减少，仅有几千台。在各国的工业机器人当中，超过一半为焊接机器人。除了汽车领域，焊接机器人在能源、建筑、开采、加工、工程、农业、运输、制造业等诸多领域都有着广泛应用，这是由于其稳定性和高精度决定的。焊接机器人广泛推广的根本原因不仅是其高精度和稳定性，更在于高效率和低成本，甚至采用模块化操作，将机器臂连接在设备，并且通过现场总线接口与机器人控制系统连接。目前的焊接机器人主要应用了如下的技术：可视编程技术实现简单操作，比
如KUKA机器人可以实现将简单明了的焊接指令和可视操作界面结合起来，用高分辨率触摸屏大大增强了操作的方便性。轨度精度技术，采用焊制工艺确保每条工作都在正确的位置。传感器技术，机器人为各种任务都准备了精密的传感器技术，确保在焊接过程中实时修整机器人的焊接轨迹。
1.3 焊接机器人可靠性技术分析
目前国内外焊接机器人可靠性方面的著作较少，这是因为技术保密的缘故，总体来说，电子程序已经有了较为成熟的系统模式，但是机械部件和机电设备的可靠性方法还不够成熟，本文的研究就是致力于这一方面的发展。目前国内外以故障树分析法（FTA）为主，这种方法的原理是由于多数安全问题都是零部件或者操作问题所致，在此基础上进行研究简单可靠，清晰明了。目前国外机器人研究越来越多集中重复的精度上，在系统程序可靠性提升的基础上，重点研究机械装置的操纵可靠性。我国焊接机器人的可靠性技术还主要集中在产品生命周期的全过程管理当中，通过可靠性设计来提高产品的稳定性，和国外还有一定差距。
2 焊接机器人的故障分析
2.1 设计因素
焊接机器人的设计越来越复杂，机械性能、成本因素、能耗功率、可移动性、动态特性和动力驱动等都是要充分考虑的。尤其是机器人要在高速运转下工作，如何克服噪音和振动等因素就是要充分考虑的问题。在机器人设计中，我们越来越发现，仿生学的作用愈发明显，机器人和人类一样，在本质上都是物质决定意识的产物，或者说都是按照一定程式在特定触发环境下去工作的。和人类运动能够产生的各种障碍一样，机器人在工作状态下也会遭遇因为原始设计对环境考虑不周而发生的问题。比如人类在进化过程中，因为环境的改变可能会发生职业病，比如阑尾的设计就是进化的多余产物，机器人也是如此，设计是根据特定的环境，可能会因为突发环境的变化而产生故障，因为此时机器人仍然按照原有程式运作。在焊接机器人系统稳定性和机械可靠性以及操作安全性越来越提高的今天，这种环境变化而产生故障因为越来越引起人们的重视，这可能会导致机器人因为判断问题而错误操作。
2.2 分析原则
机器人故障分析一般采用故障树分析法，将系统故障原则从顶层总体到下层细分，逐个排查，找出系统的薄弱环节，通过对于多个故障的分析最终实现解决问题的目的。故障树分析法是把系统最不希望发生的失效状态作为顶事件，分析归纳出所有可能导致顶事件的中间事件，再找出所有可能导致这些中间故障事件的直接原因，以此逐层推导，一直找到所有可能引起部件发生故障的底事件，并运用对应的逻辑门和符号把顶事件、中间事件及底事件串联起来，形成一幅由上到下的树状逻辑关系图，即故障树。本文也以故障树分析法为基本方法，在此基础稍作改进，通过熟悉系统、调查事故、确定顶事件、分析原因、绘制事故树、定性分析、计算顶事件概率、定量分析，结合模糊分析方法进行具体分析。
2.3 分析过程
大部分机器人由机器人本体、控制系统、驱动系统、焊接系统等部分构成，我们已经说过焊接机器人应用最大的领域是汽车领域，主要向各大厂商提供零部件。机器人的故障的分析首先要确保外磁场稳定、系统动力供给正常、操作无失误，然后具体分析機器人本体故障、控制系统故障、焊接系统故障和驱动系统故障。
3 焊接机器人可靠性技术保障
3.1 系统分析
焊接机器人的本体是执行机构，一般采用6个或者7个焊接自由度关节，机器人末端有复杂的焊接附件，比如示教器、变压器、焊枪、送丝机、保护气、焊丝、气管及各种线缆等。控制系统相当于机器人的大脑，设计中要保持程序的稳定性，确保操作无误。动力驱动上，一般可以采用直流电机，这样噪音小，时间长，运转快，具有速度优势。一般采用PID控制送丝器，确保焊丝和机器人的绝缘。焊丝从焊盘上拉取出来的时候会产生一定的阻力，焊丝长度越大，送丝阻力越大。这些非线性阻力会在操作中产生不确定因素，比如加压滚轮架变形失效、加压滚轮磨损失效、铰链变形失效、矫直轮变形失效、送丝电机故障、减速箱故障、送丝轮变形失效、压簧变形失效、导向部件零件变形失效等。在系统设计中都要予以考虑，确保各个子系统的独立性，通过有效的串联模型串联各个模块。
3.2 工艺可靠性分析
为了确保焊接的稳定性，要确保引弧容易，电弧平稳，参数稳定，焊弧调节范围一致，保持电源相数的稳定、三相整流桥的完好。要提升可靠性除了编程技术，更为重要的是传感器技术，赋予机器人足够的触觉、视觉和力觉感应，比如给予足够大的感抗是缩小电压过零熄弧时间，要确保焊弧回路值能够自由调节，满足变压性能，建立传感器失灵报警装置，一旦发生问题及时调节，要分析伺服驱动器的故障形式，避免机器人在错误状态下进行操作。同时，还要确保所有产品经过合格检验，控制人为因素，所有部件都要通过严格的测试和可靠分析，针对法兰松动、伺服电机异常噪声、不能启动等情况重点治理。
4 结束语
焊接机器人可靠性技术关键在于设计阶段的严谨和后期操作维护保养严格遵循操作流程，各个控制系统采用模块化设计，加强传感器技术的研发，建立传感器报警功能，一旦偏离预定程式就及时调整。
参考文献：
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