从工业机器人焊接单元到工业机器人焊接的系统.doc

从工业机器人焊接单元到工业机器人焊接系统作者： H.-J. Warnecke, H. Gzik and W. Utner发表来源：IPA.邮政信箱800469，Nobelstrasse12，D-700斯图加特80， 德意志联邦共和国在过去的几年中,我们已经在机器人焊接零件的制造工业方面目睹了一场轰轰烈烈的高潮，特别是在小型和中型公司。在急剧增加的工业机器人柔性自动化中，值得注意的是更短的产品周期，缩小批量大小和稳步上升的工资成本水平。而到现在为止，单一的工业机器人自动化焊接制造已普遍应用于封闭的工作区，由操作者进行手动加载和卸载。现如今的趋势则是发展能够被识别的conwlex系统。通过把集中单独的材料和信息流站点联系到一起，使得在一个中心下载和卸载，而且具有一个集成的存储设施成为了可能。一：引言机器人在应用的主要领域使用数字的调查结果说明了图1和下面图片的浮现：在德意志联邦共和国的2,458个单位安装中最常见的机器人应用是点焊。然而，在高度集中的汽车业停滞不前的增长率似乎指向这个区域已经饱和。相比之下，采用工业机器人连续轨迹的焊接已经显示出强劲的增长，自1983年以来，上述所有提到的改进机器人技术的发展，特别是进一步加强在连续路径控制的进步，在1,781个工业焊接机器人安装中，多达447是去年安装的。对比1985年相对增加了35 ，尽管过去取得的成就指出在没有传感器系统的帮助下很难有什么收获。我们可以预测前述的电焊情况可以对连续点焊预期会有一个有利的影响。 事实上，德意志联邦共和国四分之三在焊接作业属于电弧焊的范畴推动了这种情况的发生。2 最先进的连续轨迹焊工业机器人 工业机器人工作站到目前为止执行是由一个非常统一的设计区别。图2示出工业机器人焊接系统的关键部件。 图1核心要素是工业机器人，它适应市场中的各种设计类型。有种是建立了自己的连续路径焊之一，但是，是垂直铰接臂机器人。同时在高灵敏操作时，它以较高的速度执行动作，至少有五个或者经常有六轴联动，这样保证有效的进行以下上午复杂运动，三维的接缝运行，即使指定的指定的焊枪姿态。截至目前，工业机器人已经安装主要是作为独立的单位，但是，在最近出现了一个比较明显的趋势，那就是考虑架空设备更好地利用工作区和改进接缝处的可访问性。这样的调查由弗劳恩霍夫生产工程研究所和IPA，斯图加特，1984年执行。与此平行，同比增长是明显的，在使用移动的工业机器人方面（图4），它基本上用于扩大工作范围。图3：立式焊接机器人安装在德国的分布 工业机器人工作站的第二要素是对工件定位装置。最流行的选择是两轴装置，它与数控配合可以在待加工区的所有地方进行焊接加工。然而，在许多情况下旋转工作台有4个或者8个位置就足够（指数是90或者45）。两轴设备的应用范围对重量的要求比对工件的尺寸小。因此，特别是在长工件的情况下，所谓横向可逆夹具中经常采用的工件保持在两个面板之间，并通过只有一个轴转动。 取决于工件的待焊接的范围内，目前这里有两优先的基本布局。第一个是固定的工业机器人由一个或多个工作站包围其工作区域，它可以达到其内底通过旋转垂直轴。第二个是带有跟踪型结构的工业机器人。在后一种情况下，在最大加工范围范围上有较大优势，特别是在最大可行的工件尺寸和可组合的工作站的数量上。 通过举例的方式，图5示出了几个系统的安排，其中的主要区别特征是站的数量。单站的解决途径不受重视是因为经济上的原因。在这种情况下，有效地利用时间将大量减少，因为会发生的所有设置，装载和停药时间都出现在系统时间内，使它不可能经济地运行。 可以这么说，有两个站作为备选方案1和2的布局表示标准的系统。这里是可能要么加载第二站与各个部分或在工业机器人的生产时间来重新设置它，即在自动焊接周期。这种方法既没有工业用机器人也没有操作员（在手动加载的情况下）具有较长的等待时间。但是，这个一个前提条件对焊接，下载，卸载都是有好处的。图4。安装在德国固定式和移动式焊接机器人分布 操作者和工业机器人一个更大的区别是获得更多焊接台数量的能力。以此同时，这也会使得它可以整合非常不同的布局站，从而提高双方的短期和长期的灵活性。 当选择一个特定的情况下，不仅是技术最适合的布局，而且也经济学 - 组织方面必须加以考虑。在此之前的投资，必须有面向实际应用和它接受所有附带条件及其各自的比重帐户的良好接地规划。3 机器人焊接的发展趋势 对安装的焊接机器人工作站其工件的加工范围的分析显示，到目前为止，工业机器人的高柔韧性被利用的程度有限。只处理选定的工件的焊接机归类为专门焊接机，它适合加工比较大的批次。用户选择焊接机器人的主要原因不在于他们的灵活性，相比人工焊接，而在于它是否可以在明显缩短循环时间，特别是它可以减少非生产性时间配额。图5，焊接机器人工作站的代替系统 不过，对于多样性更大的工件来说这一趋势来的比较迟。而在1982年，95的系统都还在处理中小于10个不同的工件，这一数字在1984年下降到50以下。在另一方面，用于处理一个略微更宽范围的工件的系统的数量上升的比较多。在1984年首次的应用情况下，值得注意是在小和中等大小的批次中已知的焊接数量超过50的工件的比例。 需要重新设置这是焊接自动化日益重要的一个问题。取决于的焊接复杂程度 ，设置时间可以快速运行到几个小时，特别是在小批量的情下，如果在组织与技术领域没有或不恰当的应对措施，必然的结果是整个工厂停工。因此存在的系统的可用性下降如此之低，经济的制造变得不可能。这绝对是至关重要的，因此，要防止这种情况出现。这可以实现，例如，通过协调周期和不同工件的设置时间，通过安装足够数量的焊接站和操作人员，这可以很好地看着作为比喻由生产向自动化加工的三元电池材料流动。后一步是，要求有标准化的输送辅助工具和自动运输系统，使操作者完全从系统中设置，加载和撤退行动释放出来。除了减少非生产时间相应配额，中央夹紧的安装和设置站空间上与焊接系统分离有助于一个人文主义的焊工工作环境。这些自主焊接单元有进一步的优势了。例如，通过将一个适当大小的缓冲器放在信元的前面和的后面，它能够消除休息时间以及制造延伸到无人值守的第三个轮班。另一种为大缓冲区是有目的设计的储存。在这种情况下焊接单元经由调试线路连接，制造控制中心指定的顺序序列直接连接到存储上。在考虑到有这样的大容量储存，实现自动操作焊接车间是有可能。在钣金件的预制生产中，这种储存到储存的生产方式已经越来越被广泛的采用。这里的系统已经实现，其中，通过数字控制的剪切机，冲压/剪切和弯曲机的方法，制成的片材金属部分是自动从坯料制造出来的的，并在生产的任何所需的阶段中的中间存储保存。对于复杂的焊接部分，特别是生产当中，其存储构成一个相当大的问题，这一方面是相当有趣的。4 对柔性焊接的不同定义 从零部件加工生产来定义为最多样化的灵活的制造工厂。柔性制造单元，柔性制造结构，灵活的传输线和柔性制造系统等都成为公认的术语。与工业机器人提供了用于在焊接类似发展的手段作为在制造工厂，即从自主单个零件到系统的整体。从而从零件加工生产的定义适合于工业用机器人的焊接（图6）。 该“灵活焊接单元”包含一个或一个单一的操作数工业机器人，常见的焊接工作站。后者可配备一个或一个以上夹具，经手动或自动通过改良的输送机带入工作单元。一个“柔性焊接传输线”包含了几个这些焊接的单元，如果有必要，由一个自动化材料流动系统的装置预先设定的不变的顺序可以进一步可以访问工作站。该“柔性焊接系统”同样包含几个焊接单元，但自动化物质流系统可以沿着多种途径传达夹具到各个站，可同时实现手动或不同工件的自动处理。通过一个识别系统，工件自由地选择并输送以任何所需顺序，以在那里它们被自动夹紧，定位并以必要的焊接程序调用处理。高水平的自动化柔性焊接系统自然要求一个有效的控制和信息系统。这一点的重要性更加增加了自动化生产代替人的实际生产的过程，从而将人的偶然因数可能性减少到最低。在现有的焊接单元中这个纬度必须由生产管理被填充在柔性焊接系统中。要做到这一点上级信息系统必须完全接管组织控制和监测的制造系统。图6 ：FWC：“柔性焊接单元”是在一个工作场所内，包含一个或多个工业机器人 与至少一个工作站和与至少一个空间分开的手动或自动加载和提取站。工作站站的变化是自动的，工件可以改变可以手动或自动。如果有必要，自动对刀或火炬变化的设备和技术和几何形状监视装置可以被集成。FWT：“柔性焊接输送线”包含多个柔性焊接单元，如果有必要， 进一步自动化工作站（用于切割和非切割加工），这是由一个根据线路原理相连的自动化的物流系统。一种柔性焊接输送线能够处理不同的工件，它通过系统沿着相同的路径通过的同时或顺序处理的。缓冲器可以被定位在站之间，以补偿在周期时间，设置时间或短期故障的差异，以最小化这些参数对顺序的系统组件的影响。FWS：“柔性焊接系统”包含多个柔性焊接单元，如果有必要，还手动或自动调节工作站（切削或非切削加工），它可以是固定位置或移动装置和由自动物料流系统中被链接这样一种方式，同时对不同的工件进行手动或自动工作加工。工件可以通过在系统中的各种路径。这使自动化的，多级，多产品制造在一个单一的柔性制造系统。系统的组件设置时间是可以计算，以允许其他元件的设置操作过程中不受干扰的工作。此设置中控制元件有初始化操作的任务。一方面，这涉及机器和工业机器人，它必须被告知哪些处理的作业是要连续进行，而在另一方面，它涉及到运输系统，该系统需要的信息在其上工作秩序已被引导到其处理站。适当的策略必须是能够解决问题的。例如，如果提出的工作秩序不能由一个特定的机器人执行时，它必须存放在提供这种可能性工作站而且包括在随后的顺序规划。在这个领域，生产进度的控制数据是特别重要的。它通知信息系统指令的处理状态（如：未加工的，下一步加工的，以完成的），以及指令在任意时刻所处的位置。通过自动运行数据采集手段，可以将实际的数据与规定的目标数据进行比较，使得在制造过程可以早期识别故障。与独立的单元以及硬件和软件相互联系的独立组件相比较，我们在柔性焊接系统安装之前必须明确最高优先级。5. 柔性焊接概念的规划优秀机器人焊接单元的必要前提条件是运行的有效性和经济性，首先是因为投资必须以在可接受的成本范围内，其次从手工焊接到工业机器人焊接的切换并不必然意味着操作的经济性。整条生产线的前提条件必须符合以到达一个满意的摊销期。这些先决条件必须在规划阶段进行调查，创建。这适用于所有的焊接单元，甚至适应复杂的机器人焊接系统，其中必须考虑的物资流，信息流和存储，此外还有一个焊接单元的的上级布局准则。柔性焊接单元的相对透明的规划程序相比具有以下规划的柔性焊接系统的复杂的过程。机器人焊接单元的的规划布局开始于工件范围的分析。在这第一个计划步骤中选出在工厂是手工焊接工件的一组工件，他们是能够共同在柔性焊接单元被处理的工件，即对自动焊接设备有类似的要求的工件，工件具有的类似要求即：相似的体积和重量，相似的材料厚度和需要类似的夹紧。一个理想的选择包含表示不同的设计类型的工件，但是它可以在相同的夹具焊接，甚至具有相同的焊接工序（图7）。最重要的是，当切换带机器人焊接时应该保证最大的节约加工时间.一般来说，复杂的焊接任务是由许多短的独立焊接单元构成。在这种方式中的焊接机器人和工件定位器的技术效率得到最佳利用。图7 ： 一旦一组工件加工的第一步已经决定了，规划的第二步骤中，可以进行与技术和容量需求方面的判断。新的生产计划的未来用户必须获得所有必需的组件的类型和数量，尽可能详细地符合工件的加工要求，以至于最终能够制订出焊接电池的替代解决方案。 技术处理要求保证焊缝的类型和位置，工件的可达性，个体的预制件精度等.总之，从焊接任务的复杂性来看，根据加工的困难程度来制定焊接机器人的特点。比如：工作区，数轴，编程方便，存储容量控制的存储器，传感器的功能等；对焊接设备（电源，焊枪，焊接棒），该定位装置（类型，数量的轴，控制，等等。），对夹紧夹具（水平的自动化，灵活性），以及对另外其他部件等等各种不同的要求。 焊接所需要的时间取决于焊接任务的范围，以及焊接点的数目和所用的焊接方法。从未来用户的观点来看，新的制造或焊接时间的测定是必不可少的，不仅考虑新的焊接装置布局的容量，而且，特别最要的是用于估计操作的经济性。然而，虽然测定时间是比较容易的，例如，对于车削或铣削，我们可以从切割值及有关的机器的性能数据来计算生产时间。但对于做同样工作的工业机器人，其焊接次数较多，时间的测定也更加困难。由于焊接时间取决于一系列相关的工件，特定的系统和焊接技术等因素，因此不可能简单地从使用相关因素的手工焊接时间推断的工业机器人焊接的时间。 在技术、所需时间，设计、需要元件，部件的替代品都确定下来之后，布局和工作顺序绘制在第三步骤开始进行。为了平衡自己与来其他工业机器人工作站的能力，在规划阶段应该将一个现实的可用性设置为基础权利级别。根据图8，下列时间是有必要扣除的：可计算维护时间，非可计算的维护时间，目标时间，停机时间时。这样做是为了能够在有效的利用时间内完成任务。 可计算的维修时间包括所有可预见的进行维修，检查的时间配额等，这是由制造商规定。大约2的目标时间可以设置为一个引导值。非可计算的时间包过故障单元引起的任何部件发生故障的时间。基本上这个时间配额是由制造商决定的。 （ 图8：机器人焊接系统的桑基能量分流图）安装计划表明约3%的目标时间为可接受的指导价值。用户的直接影响下的其他故障，其中那些组织，相关工作人员，处理和预制，构成规划容量最大的不确定因素。用合适的方法可以获得较低的时间配额（约5%）；然而，由于不利的条件下，特别是在开始阶段，毫无征兆的出现问题并不罕见。一个现实的停工实用计算计划期定额大约是15%的目标时间。整体的利用系数设为0.8。 第四个也是最后的规划步骤包括评估公司特定目标替代品的前景。那些符合客户要求并且在原理上可行的概念并不一定就能够使用真正的安装。出来成本的差异外这里还存在着不可忽视的性能上的差异，这使得对不同的解决方案进行评估变得困难。 当然，可以评估的替代品没有刚性方案，因为不同的优先级和目标不仅适用于每个工件范围，而且适用于每个用户的公司。正是这个原因，错误的决定也可能会发生，如果已经设置了在其他工厂系统作为定向的唯一点。如果需要的话，这可以是一个辅助决策，但从来没有作为决定的完整的依据。在文献中描述的程序分析是一种帮助我们实现一个客观的价格/性能比的方法。 相比以上描述的程序，一个机器人焊接单元的设计，对柔性焊接系统的计划处于一个明显更高的水平。原因不仅在于一个焊接系统能够能够适应一系列不同的焊接机器人对应的广阔的工件焊接范围，也在于需要对采取的材料和信息流的系统和中央夹紧和储存区进行更多的考虑。 根据上述定义，柔性工业机器人焊接系统由几个相同或不同的柔性焊接单元通过信息流联系起来。对于加工工件的范围，这意味着有不同的焊接要求的工件在有不同焊接能力的工作站点进行，或使工件依次调用焊接工作站点和各自的焊接任务总是在对应最佳的加工流程。通过使用者焊接站点可以具有不同的功能，例如，不同尺寸的机器人，通过焊接设备的运动与不同的功率可以使得工件定位具有不同的自由度，等等（图9）。图9。工业机器人焊接的概念分类标准范例。 图10描述了一个用于加工气缸头的柔性制造系统，类似的一些系统已经安装了。本系统采用的各种单轴和多轴机床概念，这取决于是否可以不同的方法将工件的加工要求全部加工出来。该焊接制造系统的构思是由图11中的图画呈现出来的，即它是通过使用不同的工作站来提高系统的技术能力，而不是相同工作站站来提高时间的能力。 为了获得一个具有这么多工作站的复杂的焊接系统的最优布局我们必须在广泛的产品范围内对工件进行详细的分析。我们要求从这个分析中得到必要的需求，这样才能确定所有必要的系统组件。该物流系统的工作原理是焊接工件夹紧在输送托盘，由一个夹紧输送装置运输到各个工作站，例如，辊式输送机，电感引导工业车辆，轨道机动车辆或类似的解决方案。 物质流系统的例子突出了规划工作。为了能够作出对投资的规模和对可能需要资金的优质报表，所以运输托盘，夹具，车辆等的数量必须精确地预先确定。系统利用率也直接依赖于材料的流动系统中与存储和缓冲设备一起使用时的效率。此外，该系统的总利用率与经济性是受各工作站之间平衡能力影响的。 鉴于这样一个复杂的制造系统，对各类物质流概念进行评估的唯一可行帮助就是对其进行模拟。在早期规划阶段采用有效的模拟，它有可能是有理有据的，为设计变量寻找定量决策，在制定一个粗略的概念，并在详细的规划和生产测序的优化 制造特征参数如生产速率，焊接站的负载能力，处理时间和运输强度被用来评估可以揭示布局中的薄弱环节和瓶颈。举例来说，图12显示了当一个现成的应急策略在运行时，图10中的制造系统的工作站5进行一个持续30分钟模拟故障对其他工作站利用率的影响。由于在运输货盘的堆积效应， “抑制”紧急战略使所有工作站点在30个时间单位后进入停滞状态，而在第二个策略， “自由通行”的情况下，当废品传送到废品站后至少部分工件可以直接被传送走进行处理。 计划工作的上级的信息系统是不能被忽视的,因为它应对多种多样的任务。它们包括,例如,所有可用的工作订单和分配的管理机和工作站、件号等经营数据的收集,实时时间和生产条件,减少休息和停顿时间,所有存储设备的管理和存储位置,故障的发现和纠正的诊断系统,和自动监测质量。 从一开始就建立这个改进系统我们就要特别注意的是总是使用标准组件,比如,例如,处理器、网络技术和其它外围单位必须兼容，能够通过标准化的接口互相沟通。这保证了模块化的信息系统，逐步累积的硬件和软件控制范围是可能的并行扩展的生产区域。一个开放式系统的标准化接口的另一优点是集成采用最适合的问题的解决方案。透明设计的用户面用于呈现选择每一种情况下的组件和不同制造商的模块，呈现制造业和系统的选择，各种级别的，用于控制材料流动的干预选项和诊断支持，允许操作者/设备相互作用，以适应不同能力的操作人员，这同样是系统的一个重要的要求。 总体上可以说，为了到达一个高效，并且在一个灵活的焊接系统相同的经济的解决方案，有必要进行系统的具