基于工业机器人智能柔性焊接工作站的设计

    制造业是国民经济的主体，是立国之本、强国之基。2015年5月8日，国务院印发了《中国制造2025》规划，智能制造代表着新的生产力方向，将为传统行业带来巨大效率改进。

    市场的需求在不断的变化，新产品的生产周期越来越短，可是，激烈的市场竞争又要求过硬的产品质量，给产品研发团队提出了新的挑战。智能柔性焊接工作站具有高度的柔性，工作时间长，性能可靠稳定，大大提高产品的质量和生产效率，已经越来越多地应用在各种制造行业中。

    1 智能柔性焊接工作站的必要性

    工业机器人智能柔性焊接工作站是将工业机器人技术和产品柔性制造有机结合，不仅使企业节约了产品工艺开发、设备采购及人工成本，还很大的提高生产效率和新产品的制造质量，为进一步深入研究新产品开发试制提供理论数据基础。相比于过去传统落后的手工焊接工作站，工业机器人、现场总线等新技术的出现为现代工厂的智能制造带来了新的机遇，使得产品的整线生产加工向全自动、高柔性、智能化的模式转变。

    结合工业机器人技术的广泛应用，通过对多种产品的数模分析和工艺研究，通过具有可兼容多种产品的高柔性工装夹具和集成高度智能化的控制系统，使得智能柔性焊接工作站实现对各类新产品的开发试制和批量生产功能。

    2 工业机器人概述

    工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，按照预先编排的程序运行。

    工业机器人是由主体、驱动系统及控制系统等部分构成。主体包括机座与执行机构，内含臀部、腕部与手部，部分机器人可能还配有行走机构。绝大多数存在若干运动自由度（3~6个），其中，腕部的运动自由度为1~3个；驱动系统包含动力装置与传动机构，作用为使执行机构完成相应动作；另外，控制系统严格按输入程序向执行机构与驱动机构发出明确指令信号，实现控制目的。

    3 柔性生产概述

    “柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。柔性生产（Flexible Production）的概念，于1965年由英国的Molins公司率先提出。其基于柔性制造理念，契合了市场的多变性及激烈的市场竞争下生产方式更多依赖市场导向、更加选择按需生产的特点，这对提高制造业的应变力和灵活性、减少产品的生产周期、提高产品质量、人员劳动效率和设备利用率等，都具有十分积极的影响。因此，是一种具有旺盛需求和强大生命力的生产模式。

    4 智能制造概述

    智能制造即人机一体化智能系统，智能活动贯穿于制造全过程，通过人和智能机器的配合，实现制造过程中人脑劳动被扩大、延伸或部分取代，将制造自动化的内涵扩展至智能化、柔性化与高度集成化。因此，智能化必将成为制造自动化在未来的发展趋势。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。

    5 工业机器人智能柔性焊接工作站关键技术

    5.1 工装夹具的柔性化设计

    柔性夹具是指：在工件的形状和尺寸有一定变化后，可以适应这种变化继续使用的夹具。在可调整夹具和组合夹具的基础上，进行定位误差分析，推导相应的定位误差计算公式；建立力学模型，推导相应力学公式，综合分析，设计出符合新产品的柔性工装夹具。

    5.2 焊接的工艺实现

    不同的焊接方法有不同的焊接工艺，首先根据焊接产品的材质、化学成分和焊接结构确定焊接方法，焊接方法主要采用电焊和弧焊，根据焊接方法来设计焊接工艺参数，如电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等等。总之，必须在焊接工艺上有所突破，才能适应市场需求。

    5.3 机器人工作站的现场总线控制与通讯的实现

    工业机器人智能柔性焊接工作站的弧焊机器人工作站系统采用西门子PLC，PLC作为主站，安川机器人作为从站，二者使用profinet通信协议进行现场总线控制；而弧焊机器人工作站中的传感器、执行元件和夹具气缸等，则采用AS-i主从站的现场总线的通讯控制方式，AS-i接口是整个工业通信网络中最底层的总线，它只负责简单的数据采集与传输，虽然信息量的吞吐比相对高级的profibus等总线少了很多，但它的实时性和可操作性很高。

    5.4 双机器人多轴联动系统的实现

    根据多轴机器人的结构特点，抽象出双机器人的正运动学和逆运动学模型，针对该模型开发多轴联动系统。该系统不但单个机器人多轴联动，同时双机器人之间也有联动。所以技术难度较大。

    6 结束语

    智能柔性焊接技术工作站提高新产品的工艺标准、制造质量及生产效率，并且实现生产线可同时兼容多种产品的开发试制和批量生产功能，保证工装夹具的快速切换和控制系统的运行稳定性，不仅使企业节约了产品工艺开发、设备采购及人工成本，还很大的提高生产效率和新产品的制造质量，为进一步深入研究新产品开发试制提供理论数据基础。