构建变革制造业的焊接系统

ES200D(左)、MS210（右）的外观

机器人开发背景

点焊是汽车生产线必不可少的焊接方法之一。使用数量虽因产量而有所不同，但为成功组装汽车车身，平均每条生产线上活跃着200至300台点焊机器人。

近年来客户为实现成本最小化，致力于建设以缩短生产线长度、减少工序数、减少机器人台数为目标的生产线。 面对此类客户需求，作为机器人厂商首先应当考虑以机器人的高速化来应对。 点焊机器人的高速化可在用户构建系统时帮助削减机器人台数。假设机器人速度提升20%，每台机器人的打点数就会增加20%，假设在原本由100台机器人构成的汽车车身焊接生产线上，从工作量考虑只需要80台机器人，因此可降低20台机器人的成本和能源。但由于动作范围的原因机器人要分开打点，因此有必要扩大机器人的动作范围，特别是手臂轴的动作范围。 另外为实现产线长度的缩短和工序数的减少，必须在维持高速化的同时实现高密度的机器人布局。为此更加要求机器人具有布局的柔软性，即设置的高自由度、低干涉的机器人形态。并且为维持高密度的生产线配置，也需要同时提升机器人的维护性。

图1 点焊机器人的目标

为此，我们围绕以下理念进行了相关机器人的开发： ·高速化（含通电的点焊动作） ·机器人本体小型化（增加负载重量，扩大动作范围） ·提高维护性

本文在介绍主要在汽车相关产业中使用的点焊机器人MOTOMAN－MS165/210（以下称为MS165/210）的特征的同时，就其创造客户优势的过程进行阐述。

新型点焊机器人概要

MS165/210为点焊用机器人MOTOMAN-ES165D/200D（以下称为ES165D/200D）的升级机型。 以最适合点焊为关键词进行开发的原机型ES165D/200D，将点焊用管线包内置于机器人内部，为设备的高密度设置作出了相应的贡献。 此次开发的MS165/210与ES165D/200D同样将管线包置于机器人内部，是最适合于设备更小型化，更高密度配置的点焊机器人。 点焊机器人的高速化用以下概念通过各种切入点推进并实现（图2）。

图2 点焊机器人高速化的概念图

大体来说，最合适点焊的控制最佳化、机器人基本性能的提升、振动减少是其三大特点。作为点焊机器人特有的伺服电焊枪、延时控制通过1.伺服点焊枪的最佳动作， 2.加压控制的切换速度，3.延时和通信的最佳化，彻底实现无不必要控制时间，从而实现了每处打点时间的节省。 关于机械手的基本性能，零件的轻量化提升了各轴的动作速度，最快速度最大可以提升25%。为在保持各框体零件及手臂零件轻量化的同时也确保其强度，通过开发比过去的FEM解析精度更高、最适值更容易导出的新型解析方法，实现强度和形状的最佳化，与ES200D相比，MS210的本体重量减轻了11%，更进一步实现高速化。 另外，基本轴的减速机容量重新设计，增强支持刚性（旋转方向刚性：1.2～1.3倍，弯曲方向刚性：1.3~1.6倍），降低了机器人顶端的振动，更加促进高速化。

在基本性能高速化方针的基础上，还准备了无传感器学习控制，即示教后执行一次程序，此时由配备在机器人各轴上的伺服电机识别顶端的振动，同时实现了对加减速时间以及振动的最佳化。 通过无传感器化，用户可省去了繁琐的传感器安装，只需重复运行程序，就可得出最适合的加减速，从而更加实现了高速化。 在系统构建时机器人的高速化使每一台机器人的打点数增加，提升了节拍内生产效率。而增加打点数导致点焊枪的姿势获取成为一个重要的课题。配备伺服点焊枪的机器人示教时不获取枪的姿势而直接改变布局的情况时有发生。这种不获取打点姿势的高速化，其意义锐减。而此次开发的MS165/210手臂动作范围如表2所示有所扩大。

这些动作范围的扩大，通过形状的最佳化实现，而并非通过改变搭载在机器人顶端的“コ”字形的缆线处理用法兰盘的刚性来实现。 另外，考虑到由于高速化带来的点焊枪变压器使用率超出，有必要增加尺寸的情况，在推进缩短10个左右工序中，要求机器人的小型化。最大限度抑制机器人之间，机器人与治具间的干涉是能够做到高密度布局的关键。而作为机器人避免干涉的4个要素，则是回转干涉半径、机器人宽度、机器人底座、机器人上臂粗细。 此次开发的MS165/200相比原来的机型具有革新性的小型化，主要是将原来的弹簧垫圈式的平衡器变更为充气式平衡器，并且采用了流线型手臂。 考虑到充气式平衡器的形状、可靠性以及维护的作业性，我们采用了纵向放置的方式。 ES165D/200D与MS165/210平衡器的比较如图3所示。

图3 平衡器的比较图

图4 机器人宽度比较

通过使用充气式平衡器，实现了最小旋转干涉半径从R608ｍｍ缩小约100ｍｍ至R515ｍｍ左右。 考虑到汽车制造厂商的左右对称的零部件较多，单侧示教完成之后利用镜像变换生成另一侧的动作。此时，由于手臂自身受到单侧超程的影响，也会发生与治具或者柱子之间的干涉。为解决这个课题，采用了将机械臂设置于中心，尽力避免超程的发生，并使机器人宽度最小化的构造。 ES165D/200D和MS165/210的平衡器比较如图4所示。 关于机器人的底座，将伺服点焊枪用配线包在机器人第一轴回转的处理方式变更为第一轴内部处理方式，底座的面积减少了44%。 ES165D/200D和 MS165/210的配线包电缆的处理方法的比较如图5 ，底座的比较图如图6所示 。

图5 配线包电缆处理方法比较

图6　底座比较

图7 上臂比较

关于底座的形状，重新修正零件，实现了图7所示干涉半径的最小化。

周边装置导入实例

设备成本最小化的关键词如前所述为机器人台数的削减和工序的缩短。为实现这个目的，介绍了作为工具的机器人的进化，而与全新周边设备配合的系统构建也变得十分必要。

与焊接品质相关的要素除“加压力”、“电流值”、“通电时间”之外，还有“电极顶端形状”。这是由于反复焊接会导致电极顶端变形，工件的电流直径（电流密度）的变化会直接影响焊接品质。所以一般的处理方法是，点焊中每数十次打点后用修磨器切削电极，调整电极顶端。

过去这个修磨器的控制方法仅是通过ON/OFF旋转实现的，实际上是否完成切削需要专门的传感器检测。导致切削不充分的原因通常有修磨器的驱动异常、修磨器刀刃磨损或者污迹附着、点焊枪加压力不足等。

我们在修磨器的驱动源中使用伺服电机，由机器人控制柜来对其进行控制，防止切削不足并能有自身检出异常的伺服电极修磨器也投入了市场。

通过修磨器的伺服化，可以检测出驱动修磨器时的电机力矩。同时，使用伺服枪，可在切削完成后检出电机位置的变化。由此可以通过修磨器无负载时和切削时力矩的变化以及电机位置的变化，判断切削动作是否正常完成。

此外，从无负载时力矩的变化中可检出修磨器驱动系的异常，从切削时力矩的变化也可检出修磨器刀刃的磨损及加压力不足等异常情况。还可以在切削的同时检测电极位置，指定最低需要切削量，有效降低交换电极的频率。

综上所述，通过引进更加智能的设备、功能，可实现稳定的生产。在维持生产线运作的基础上尽力减少不必要消耗，对于今后的系统构建也必不可少。

今后的展望和课题

点焊的成本最小化系统构建还将持续，特别是配合新兴国产量变动的生产线的构成变得非常重要。例如，原来以100的成本对应100的生产量，今后则需要由25的成本对应25的生产量。这是由于新兴国与发达国家的生产量不同所致。作为机器人厂商，根据这一状况来提供解决方案十分重要。

而且，使用原材料多样化的同时，生产方式也发生巨大变化，市场需求对于“效率”、“环境”、“品质”的对应也变得重要。总之，今后焊接机器人将根据以汽车相关厂商为主体的生产设备的变化继续成长。

本文来自《机器人网》2014年特刊