從工業(yè)機器人焊接單元到工業(yè)機器人焊接系統(tǒng)

1、從工業(yè)機器人焊接單元到工業(yè)機器人焊接系統(tǒng)作者： H.-J. Warnecke, H. Gzik and W. Utner發(fā)表來源：IPA.郵政信箱800469，Nobelstrasse12，D-700斯圖加特80， 德意志聯(lián)邦共和國在過去的幾年中,我們已經在機器人焊接零件的制造工業(yè)方面目睹了一場轟轟烈烈的高潮，特別是在小型和中型公司。在急劇增加的工業(yè)機器人柔性自動化中，值得注意的是更短的產品周期，縮小批量大小和穩(wěn)步上升的工資成本水平。而到現(xiàn)在為止，單一的工業(yè)機器人自動化焊接制造已普遍應用于封閉的工作區(qū)，由操作者進行手動加載和卸載?，F(xiàn)如今的趨勢則是發(fā)展能夠被識別的conwlex系統(tǒng)。通過把集中單

2、獨的材料和信息流站點聯(lián)系到一起，使得在一個中心下載和卸載，而且具有一個集成的存儲設施成為了可能。一：引言機器人在應用的主要領域使用數(shù)字的調查結果說明了圖1和下面圖片的浮現(xiàn)：在德意志聯(lián)邦共和國的2,458個單位安裝中最常見的機器人應用是點焊。然而，在高度集中的汽車業(yè)停滯不前的增長率似乎指向這個區(qū)域已經飽和。相比之下，采用工業(yè)機器人連續(xù)軌跡的焊接已經顯示出強勁的增長，自1983年以來，上述所有提到的改進機器人技術的發(fā)展，特別是進一步加強在連續(xù)路徑控制的進步，在1,781個工業(yè)焊接機器人安裝中，多達447是去年安裝的。對比1985年相對增加了35 ，盡管過去取得的成就指出在沒有傳感器系統(tǒng)的幫助下很難

3、有什么收獲。我們可以預測前述的電焊情況可以對連續(xù)點焊預期會有一個有利的影響。 事實上，德意志聯(lián)邦共和國四分之三在焊接作業(yè)屬于電弧焊的范疇推動了這種情況的發(fā)生。2 最先進的連續(xù)軌跡焊工業(yè)機器人工業(yè)機器人工作站到目前為止執(zhí)行是由一個非常統(tǒng)一的設計區(qū)別。圖2示出工業(yè)機器人焊接系統(tǒng)的關鍵部件。 圖1核心要素是工業(yè)機器人，它適應市場中的各種設計類型。有種是建立了自己的連續(xù)路徑焊之一，但是，是垂直鉸接臂機器人。同時在高靈敏操作時，它以較高的速度執(zhí)行動作，至少有五個或者經常有六軸聯(lián)動，這樣保證有效的進行以下上午復雜運動，三維的接縫運行，即使指定的指定的焊槍姿態(tài)。截至目前，工業(yè)機器人已經安裝主要是作為獨立的單

4、位，但是，在最近出現(xiàn)了一個比較明顯的趨勢，那就是考慮架空設備更好地利用工作區(qū)和改進接縫處的可訪問性。這樣的調查由弗勞恩霍夫生產工程研究所和IPA，斯圖加特，1984年執(zhí)行。與此平行，同比增長是明顯的，在使用移動的工業(yè)機器人方面（圖4），它基本上用于擴大工作范圍。圖3：立式焊接機器人安裝在德國的分布 工業(yè)機器人工作站的第二要素是對工件定位裝置。最流行的選擇是兩軸裝置，它與數(shù)控配合可以在待加工區(qū)的所有地方進行焊接加工。然而，在許多情況下旋轉工作臺有4個或者8個位置就足夠（指數(shù)是90或者45）。兩軸設備的應用范圍對重量的要求比對工件的尺寸小。因此，特別是在長工件的情況下，所謂橫向可逆夾具中經常采用的

5、工件保持在兩個面板之間，并通過只有一個軸轉動。 取決于工件的待焊接的范圍內，目前這里有兩優(yōu)先的基本布局。第一個是固定的工業(yè)機器人由一個或多個工作站包圍其工作區(qū)域，它可以達到其內底通過旋轉垂直軸。第二個是帶有跟蹤型結構的工業(yè)機器人。在后一種情況下，在最大加工范圍范圍上有較大優(yōu)勢，特別是在最大可行的工件尺寸和可組合的工作站的數(shù)量上。 通過舉例的方式，圖5示出了幾個系統(tǒng)的安排，其中的主要區(qū)別特征是站的數(shù)量。單站的解決途徑不受重視是因為經濟上的原因。在這種情況下，有效地利用時間將大量減少，因為會發(fā)生的所有設置，裝載和停藥時間都出現(xiàn)在系統(tǒng)時間內，使它不可能經濟地運行。 可以這么說，有兩個站作為備選方案1

6、和2的布局表示標準的系統(tǒng)。這里是可能要么加載第二站與各個部分或在工業(yè)機器人的生產時間來重新設置它，即在自動焊接周期。這種方法既沒有工業(yè)用機器人也沒有操作員（在手動加載的情況下）具有較長的等待時間。但是，這個一個前提條件對焊接，下載，卸載都是有好處的。圖4。安裝在德國固定式和移動式焊接機器人分布 操作者和工業(yè)機器人一個更大的區(qū)別是獲得更多焊接臺數(shù)量的能力。以此同時，這也會使得它可以整合非常不同的布局站，從而提高雙方的短期和長期的靈活性。 當選擇一個特定的情況下，不僅是技術最適合的布局，而且也經濟學 - 組織方面必須加以考慮。在此之前的投資，必須有面向實際應用和它接受所有附帶條件及其各自的比重帳戶

7、的良好接地規(guī)劃。3 機器人焊接的發(fā)展趨勢 對安裝的焊接機器人工作站其工件的加工范圍的分析顯示，到目前為止，工業(yè)機器人的高柔韌性被利用的程度有限。只處理選定的工件的焊接機歸類為專門焊接機，它適合加工比較大的批次。用戶選擇焊接機器人的主要原因不在于他們的靈活性，相比人工焊接，而在于它是否可以在明顯縮短循環(huán)時間，特別是它可以減少非生產性時間配額。圖5，焊接機器人工作站的代替系統(tǒng) 不過，對于多樣性更大的工件來說這一趨勢來的比較遲。而在1982年，95的系統(tǒng)都還在處理中小于10個不同的工件，這一數(shù)字在1984年下降到50以下。在另一方面，用于處理一個略微更寬范圍的工件的系統(tǒng)的數(shù)量上升的比較多。在1984

8、年首次的應用情況下，值得注意是在小和中等大小的批次中已知的焊接數(shù)量超過50的工件的比例。 需要重新設置這是焊接自動化日益重要的一個問題。取決于的焊接復雜程度 ，設置時間可以快速運行到幾個小時，特別是在小批量的情下，如果在組織與技術領域沒有或不恰當?shù)膽獙Υ胧?，必然的結果是整個工廠停工。因此存在的系統(tǒng)的可用性下降如此之低，經濟的制造變得不可能。這絕對是至關重要的，因此，要防止這種情況出現(xiàn)。這可以實現(xiàn)，例如，通過協(xié)調周期和不同工件的設置時間，通過安裝足夠數(shù)量的焊接站和操作人員，這可以很好地看著作為比喻由生產向自動化加工的三元電池材料流動。后一步是，要求有標準化的輸送輔助工具和自動運輸系統(tǒng)，使操作者完

9、全從系統(tǒng)中設置，加載和撤退行動釋放出來。除了減少非生產時間相應配額，中央夾緊的安裝和設置站空間上與焊接系統(tǒng)分離有助于一個人文主義的焊工工作環(huán)境。這些自主焊接單元有進一步的優(yōu)勢了。例如，通過將一個適當大小的緩沖器放在信元的前面和的后面，它能夠消除休息時間以及制造延伸到無人值守的第三個輪班。另一種為大緩沖區(qū)是有目的設計的儲存。在這種情況下焊接單元經由調試線路連接，制造控制中心指定的順序序列直接連接到存儲上。在考慮到有這樣的大容量儲存，實現(xiàn)自動操作焊接車間是有可能。在鈑金件的預制生產中，這種儲存到儲存的生產方式已經越來越被廣泛的采用。這里的系統(tǒng)已經實現(xiàn)，其中，通過數(shù)字控制的剪切機，沖壓/剪切和彎曲機

10、的方法，制成的片材金屬部分是自動從坯料制造出來的的，并在生產的任何所需的階段中的中間存儲保存。對于復雜的焊接部分，特別是生產當中，其存儲構成一個相當大的問題，這一方面是相當有趣的。4 對柔性焊接的不同定義 從零部件加工生產來定義為最多樣化的靈活的制造工廠。柔性制造單元，柔性制造結構，靈活的傳輸線和柔性制造系統(tǒng)等都成為公認的術語。與工業(yè)機器人提供了用于在焊接類似發(fā)展的手段作為在制造工廠，即從自主單個零件到系統(tǒng)的整體。從而從零件加工生產的定義適合于工業(yè)用機器人的焊接（圖6）。 該“靈活焊接單元”包含一個或一個單一的操作數(shù)工業(yè)機器人，常見的焊接工作站。后者可配備一個或一個以上夾具，經手動或自動通過改

11、良的輸送機帶入工作單元。一個“柔性焊接傳輸線”包含了幾個這些焊接的單元，如果有必要，由一個自動化材料流動系統(tǒng)的裝置預先設定的不變的順序可以進一步可以訪問工作站。該“柔性焊接系統(tǒng)”同樣包含幾個焊接單元，但自動化物質流系統(tǒng)可以沿著多種途徑傳達夾具到各個站，可同時實現(xiàn)手動或不同工件的自動處理。通過一個識別系統(tǒng)，工件自由地選擇并輸送以任何所需順序，以在那里它們被自動夾緊，定位并以必要的焊接程序調用處理。高水平的自動化柔性焊接系統(tǒng)自然要求一個有效的控制和信息系統(tǒng)。這一點的重要性更加增加了自動化生產代替人的實際生產的過程，從而將人的偶然因數(shù)可能性減少到最低。在現(xiàn)有的焊接單元中這個緯度必須由生產管理被填充在

12、柔性焊接系統(tǒng)中。要做到這一點上級信息系統(tǒng)必須完全接管組織控制和監(jiān)測的制造系統(tǒng)。圖6 ：FWC：“柔性焊接單元”是在一個工作場所內，包含一個或多個工業(yè)機器人 與至少一個工作站和與至少一個空間分開的手動或自動加載和提取站。工作站站的變化是自動的，工件可以改變可以手動或自動。如果有必要，自動對刀或火炬變化的設備和技術和幾何形狀監(jiān)視裝置可以被集成。FWT：“柔性焊接輸送線”包含多個柔性焊接單元，如果有必要， 進一步自動化工作站（用于切割和非切割加工），這是由一個根據(jù)線路原理相連的自動化的物流系統(tǒng)。一種柔性焊接輸送線能夠處理不同的工件，它通過系統(tǒng)沿著相同的路徑通過的同時或順序處理的。緩沖器可以被定位在站

13、之間，以補償在周期時間，設置時間或短期故障的差異，以最小化這些參數(shù)對順序的系統(tǒng)組件的影響。FWS：“柔性焊接系統(tǒng)”包含多個柔性焊接單元，如果有必要，還手動或自動調節(jié)工作站（切削或非切削加工），它可以是固定位置或移動裝置和由自動物料流系統(tǒng)中被鏈接這樣一種方式，同時對不同的工件進行手動或自動工作加工。工件可以通過在系統(tǒng)中的各種路徑。這使自動化的，多級，多產品制造在一個單一的柔性制造系統(tǒng)。系統(tǒng)的組件設置時間是可以計算，以允許其他元件的設置操作過程中不受干擾的工作。此設置中控制元件有初始化操作的任務。一方面，這涉及機器和工業(yè)機器人，它必須被告知哪些處理的作業(yè)是要連續(xù)進行，而在另一方面，它涉及到運輸系統(tǒng)

14、，該系統(tǒng)需要的信息在其上工作秩序已被引導到其處理站。適當?shù)牟呗员仨毷悄軌蚪鉀Q問題的。例如，如果提出的工作秩序不能由一個特定的機器人執(zhí)行時，它必須存放在提供這種可能性工作站而且包括在隨后的順序規(guī)劃。在這個領域，生產進度的控制數(shù)據(jù)是特別重要的。它通知信息系統(tǒng)指令的處理狀態(tài)（如：未加工的，下一步加工的，以完成的），以及指令在任意時刻所處的位置。通過自動運行數(shù)據(jù)采集手段，可以將實際的數(shù)據(jù)與規(guī)定的目標數(shù)據(jù)進行比較，使得在制造過程可以早期識別故障。與獨立的單元以及硬件和軟件相互聯(lián)系的獨立組件相比較，我們在柔性焊接系統(tǒng)安裝之前必須明確最高優(yōu)先級。5. 柔性焊接概念的規(guī)劃優(yōu)秀機器人焊接單元的必要前提條件是運行

15、的有效性和經濟性，首先是因為投資必須以在可接受的成本范圍內，其次從手工焊接到工業(yè)機器人焊接的切換并不必然意味著操作的經濟性。整條生產線的前提條件必須符合以到達一個滿意的攤銷期。這些先決條件必須在規(guī)劃階段進行調查，創(chuàng)建。這適用于所有的焊接單元，甚至適應復雜的機器人焊接系統(tǒng)，其中必須考慮的物資流，信息流和存儲，此外還有一個焊接單元的的上級布局準則。柔性焊接單元的相對透明的規(guī)劃程序相比具有以下規(guī)劃的柔性焊接系統(tǒng)的復雜的過程。機器人焊接單元的的規(guī)劃布局開始于工件范圍的分析。在這第一個計劃步驟中選出在工廠是手工焊接工件的一組工件，他們是能夠共同在柔性焊接單元被處理的工件，即對自動焊接設備有類似的要求的工

16、件，工件具有的類似要求即：相似的體積和重量，相似的材料厚度和需要類似的夾緊。一個理想的選擇包含表示不同的設計類型的工件，但是它可以在相同的夾具焊接，甚至具有相同的焊接工序（圖7）。最重要的是，當切換帶機器人焊接時應該保證最大的節(jié)約加工時間.一般來說，復雜的焊接任務是由許多短的獨立焊接單元構成。在這種方式中的焊接機器人和工件定位器的技術效率得到最佳利用。圖7 ： 一旦一組工件加工的第一步已經決定了，規(guī)劃的第二步驟中，可以進行與技術和容量需求方面的判斷。新的生產計劃的未來用戶必須獲得所有必需的組件的類型和數(shù)量，盡可能詳細地符合工件的加工要求，以至于最終能夠制訂出焊接電池的替代解決方案。 技術處理要

17、求保證焊縫的類型和位置，工件的可達性，個體的預制件精度等.總之，從焊接任務的復雜性來看，根據(jù)加工的困難程度來制定焊接機器人的特點。比如：工作區(qū)，數(shù)軸，編程方便，存儲容量控制的存儲器，傳感器的功能等；對焊接設備（電源，焊槍，焊接棒），該定位裝置（類型，數(shù)量的軸，控制，等等。），對夾緊夾具（水平的自動化，靈活性），以及對另外其他部件等等各種不同的要求。 焊接所需要的時間取決于焊接任務的范圍，以及焊接點的數(shù)目和所用的焊接方法。從未來用戶的觀點來看，新的制造或焊接時間的測定是必不可少的，不僅考慮新的焊接裝置布局的容量，而且，特別最要的是用于估計操作的經濟性。然而，雖然測定時間是比較容易的，例如，對于車

18、削或銑削，我們可以從切割值及有關的機器的性能數(shù)據(jù)來計算生產時間。但對于做同樣工作的工業(yè)機器人，其焊接次數(shù)較多，時間的測定也更加困難。由于焊接時間取決于一系列相關的工件，特定的系統(tǒng)和焊接技術等因素，因此不可能簡單地從使用相關因素的手工焊接時間推斷的工業(yè)機器人焊接的時間。 在技術、所需時間，設計、需要元件，部件的替代品都確定下來之后，布局和工作順序繪制在第三步驟開始進行。為了平衡自己與來其他工業(yè)機器人工作站的能力，在規(guī)劃階段應該將一個現(xiàn)實的可用性設置為基礎權利級別。根據(jù)圖8，下列時間是有必要扣除的：可計算維護時間，非可計算的維護時間，目標時間，停機時間時。這樣做是為了能夠在有效的利用時間內完成任務

19、。 可計算的維修時間包括所有可預見的進行維修，檢查的時間配額等，這是由制造商規(guī)定。大約2的目標時間可以設置為一個引導值。非可計算的時間包過故障單元引起的任何部件發(fā)生故障的時間?；旧线@個時間配額是由制造商決定的。 （ 圖8：機器人焊接系統(tǒng)的?；芰糠至鲌D）安裝計劃表明約3%的目標時間為可接受的指導價值。用戶的直接影響下的其他故障，其中那些組織，相關工作人員，處理和預制，構成規(guī)劃容量最大的不確定因素。用合適的方法可以獲得較低的時間配額（約5%）；然而，由于不利的條件下，特別是在開始階段，毫無征兆的出現(xiàn)問題并不罕見。一個現(xiàn)實的停工實用計算計劃期定額大約是15%的目標時間。整體的利用系數(shù)設為0.8。

20、 第四個也是最后的規(guī)劃步驟包括評估公司特定目標替代品的前景。那些符合客戶要求并且在原理上可行的概念并不一定就能夠使用真正的安裝。出來成本的差異外這里還存在著不可忽視的性能上的差異，這使得對不同的解決方案進行評估變得困難。 當然，可以評估的替代品沒有剛性方案，因為不同的優(yōu)先級和目標不僅適用于每個工件范圍，而且適用于每個用戶的公司。正是這個原因，錯誤的決定也可能會發(fā)生，如果已經設置了在其他工廠系統(tǒng)作為定向的唯一點。如果需要的話，這可以是一個輔助決策，但從來沒有作為決定的完整的依據(jù)。在文獻中描述的程序分析是一種幫助我們實現(xiàn)一個客觀的價格/性能比的方法。 相比以上描述的程序，一個機器人焊接單元的設計，

21、對柔性焊接系統(tǒng)的計劃處于一個明顯更高的水平。原因不僅在于一個焊接系統(tǒng)能夠能夠適應一系列不同的焊接機器人對應的廣闊的工件焊接范圍，也在于需要對采取的材料和信息流的系統(tǒng)和中央夾緊和儲存區(qū)進行更多的考慮。 根據(jù)上述定義，柔性工業(yè)機器人焊接系統(tǒng)由幾個相同或不同的柔性焊接單元通過信息流聯(lián)系起來。對于加工工件的范圍，這意味著有不同的焊接要求的工件在有不同焊接能力的工作站點進行，或使工件依次調用焊接工作站點和各自的焊接任務總是在對應最佳的加工流程。通過使用者焊接站點可以具有不同的功能，例如，不同尺寸的機器人，通過焊接設備的運動與不同的功率可以使得工件定位具有不同的自由度，等等（圖9）。圖9。工業(yè)機器人焊接的

22、概念分類標準范例。 圖10描述了一個用于加工氣缸頭的柔性制造系統(tǒng)，類似的一些系統(tǒng)已經安裝了。本系統(tǒng)采用的各種單軸和多軸機床概念，這取決于是否可以不同的方法將工件的加工要求全部加工出來。該焊接制造系統(tǒng)的構思是由圖11中的圖畫呈現(xiàn)出來的，即它是通過使用不同的工作站來提高系統(tǒng)的技術能力，而不是相同工作站站來提高時間的能力。 為了獲得一個具有這么多工作站的復雜的焊接系統(tǒng)的最優(yōu)布局我們必須在廣泛的產品范圍內對工件進行詳細的分析。我們要求從這個分析中得到必要的需求，這樣才能確定所有必要的系統(tǒng)組件。該物流系統(tǒng)的工作原理是焊接工件夾緊在輸送托盤，由一個夾緊輸送裝置運輸?shù)礁鱾€工作站，例如，輥式輸送機，電感引導工

23、業(yè)車輛，軌道機動車輛或類似的解決方案。 物質流系統(tǒng)的例子突出了規(guī)劃工作。為了能夠作出對投資的規(guī)模和對可能需要資金的優(yōu)質報表，所以運輸托盤，夾具，車輛等的數(shù)量必須精確地預先確定。系統(tǒng)利用率也直接依賴于材料的流動系統(tǒng)中與存儲和緩沖設備一起使用時的效率。此外，該系統(tǒng)的總利用率與經濟性是受各工作站之間平衡能力影響的。 鑒于這樣一個復雜的制造系統(tǒng)，對各類物質流概念進行評估的唯一可行幫助就是對其進行模擬。在早期規(guī)劃階段采用有效的模擬，它有可能是有理有據(jù)的，為設計變量尋找定量決策，在制定一個粗略的概念，并在詳細的規(guī)劃和生產測序的優(yōu)化 制造特征參數(shù)如生產速率，焊接站的負載能力，處理時間和運輸強度被用來評估可以

24、揭示布局中的薄弱環(huán)節(jié)和瓶頸。舉例來說，圖12顯示了當一個現(xiàn)成的應急策略在運行時，圖10中的制造系統(tǒng)的工作站5進行一個持續(xù)30分鐘模擬故障對其他工作站利用率的影響。由于在運輸貨盤的堆積效應， “抑制”緊急戰(zhàn)略使所有工作站點在30個時間單位后進入停滯狀態(tài)，而在第二個策略， “自由通行”的情況下，當廢品傳送到廢品站后至少部分工件可以直接被傳送走進行處理。 計劃工作的上級的信息系統(tǒng)是不能被忽視的,因為它應對多種多樣的任務。它們包括,例如,所有可用的工作訂單和分配的管理機和工作站、件號等經營數(shù)據(jù)的收集,實時時間和生產條件,減少休息和停頓時間,所有存儲設備的管理和存儲位置,故障的發(fā)現(xiàn)和糾正的診斷系統(tǒng),和自

25、動監(jiān)測質量。 從一開始就建立這個改進系統(tǒng)我們就要特別注意的是總是使用標準組件,比如,例如,處理器、網(wǎng)絡技術和其它外圍單位必須兼容，能夠通過標準化的接口互相溝通。這保證了模塊化的信息系統(tǒng)，逐步累積的硬件和軟件控制范圍是可能的并行擴展的生產區(qū)域。一個開放式系統(tǒng)的標準化接口的另一優(yōu)點是集成采用最適合的問題的解決方案。透明設計的用戶面用于呈現(xiàn)選擇每一種情況下的組件和不同制造商的模塊，呈現(xiàn)制造業(yè)和系統(tǒng)的選擇，各種級別的，用于控制材料流動的干預選項和診斷支持，允許操作者/設備相互作用，以適應不同能力的操作人員，這同樣是系統(tǒng)的一個重要的要求。 總體上可以說，為了到達一個高效，并且在一個靈活的焊接系統(tǒng)相同的經濟的解決方案，有必要進行系統(tǒng)的具體組成部分的研究，超過正常的計劃數(shù)量，即詳細研究。物質流