龍門機器人激光焊接系統(tǒng)研制

楊永波，白德濱，秦偉濤，李洪濤

（機械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 前言

隨著我國軌道運輸與交通建設(shè)的快速發(fā)展，車輛需求規(guī)模以及運行速度不斷提高。車體作為軌道車輛的主要組成部分，需求大量增加同時對焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率提出了更高的要求，在車體部件實際生產(chǎn)中手工焊已經(jīng)越來越難以滿足生產(chǎn)需要，如何提高效率和焊接質(zhì)量成為首先需要解決的問題，新的焊接技術(shù)和高效能的自動化設(shè)備成為了必然的選擇，自動化程度越高越能保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[1]。

焊接機器人具有一系列明顯的優(yōu)勢：穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證焊縫均一性；改善工人的勞動條件；提高單位勞動生產(chǎn)率等。焊接機器人近幾年在我國焊接行業(yè)中獲得了長足的發(fā)展。激光加工技術(shù)是一種集光、機、電于一體的綜合性高新技術(shù)，屬于無接觸加工。其主要特點也就是無惰性，因此其加工速度快、無噪聲。由于光束的能量和光的移動速度都可以調(diào)節(jié)，因此可實現(xiàn)各種加工的目的。由于光束照射到物體的表面是局部的，雖然加工部位的熱量很大、溫度很高，但移動速度快，對非照射的部位沒有什么影響，因此其熱影響區(qū)很小。尤其適合于薄板的高速焊接。目前激光加工正以自己獨特的優(yōu)勢，逐步取代傳統(tǒng)加工工藝，越來越受到工業(yè)界的青睞。

哈爾濱焊接研究所利用30多年研發(fā)、制造焊接專用設(shè)備的經(jīng)驗，結(jié)合在機器人應(yīng)用、激光焊接技術(shù)以及在焊接材料研究等領(lǐng)域的成果，針對軌道車輛大型薄壁構(gòu)件的焊接，研制了龍門機器人激光焊接系統(tǒng)，可以焊接接頭形式為1mm+1mm、2mm+2mm、4mm+4mm的對接焊縫，也可以用于其他類似工件的對接、搭接及角焊縫焊接。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)激光自熔與激光填絲兩種不同的焊接方式，可以有效地提高薄壁構(gòu)件的焊接質(zhì)量與工作效率，并有擴展能力，以便于適應(yīng)其它的方式方法，具有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本技術(shù)數(shù)據(jù)

“龍門機器人激光焊接系統(tǒng)”主要由機械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機器人、激光器、水冷器等組成，設(shè)備見圖1。

圖1 龍門機器人激光焊接系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用龍門架結(jié)構(gòu)，配備大功率光纖激光焊接系統(tǒng)，焊接工藝采用激光自熔、填絲焊。龍門架沿地面軌道行走，在龍門橫梁上裝有移動裝置，焊接機器人倒掛在移動龍門橫梁的懸臂上，移動龍門采用交流伺服雙側(cè)同步驅(qū)動，機器人沿龍門架橫梁的移動為機器人的外部擴展軸。在龍門移動雙側(cè)導(dǎo)軌中間以及龍門導(dǎo)軌端頭可以擺放多套工裝夾具，實現(xiàn)交替裝夾與焊接，以提高生產(chǎn)效率及激光器的利用率。焊接生產(chǎn)時龍門系統(tǒng)保持靜止，焊接過程靠機器人和外部軸的協(xié)調(diào)移動完成。激光發(fā)生器、激光器水冷機、機器人控制柜、送絲機等均安放在龍門后方的平臺上,保護氣瓶安放在龍門側(cè)面，便于更換。

龍門機器人激光焊接系統(tǒng)基本技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 龍門機器人激光焊接系統(tǒng)基本技術(shù)數(shù)據(jù)

2 系統(tǒng)主要部分組成

2.1 龍門架及行走系統(tǒng)

龍門架及行走系統(tǒng)：包括龍門架行走導(dǎo)軌、2套龍門架行走小車（含2套交流伺服驅(qū)動機構(gòu)）、1套龍門架（含2個立柱、平臺）、1套移動滑臺和電纜拖鏈等。

龍門架行走導(dǎo)軌固定在工件組裝夾具的兩側(cè)，是由鋼軌經(jīng)精密加工而成，兩側(cè)導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)鑲有傳動齒條。龍門架行走小車固定在其上，由交流伺服系統(tǒng)通過齒輪齒條驅(qū)動，在導(dǎo)軌上做沿工件組裝胎具的縱向運動，以實現(xiàn)多工位的焊接。

龍門架行走小車是由堅固穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)所組成，左右各1個，其上裝有雙側(cè)交流伺服驅(qū)動機構(gòu)，兩側(cè)可橫向調(diào)節(jié)的導(dǎo)向輪，保證龍門行走方向的精確引導(dǎo)，在小車的前后行走方向設(shè)置有安全緩沖器。龍門架行走小車下面固定在行走導(dǎo)軌上，上面安裝主龍門架，并攜帶安放在主龍門架上的控制柜、激光電源、空氣壓縮機、保護氣體氣瓶等一同運行。

主龍門架包括2個立柱、橫梁、載物平臺和橫向?qū)к?。龍門導(dǎo)軌寬為6m。龍門架的行走，由兩側(cè)立柱下面的小車通過雙側(cè)交流伺服電機驅(qū)動夾緊在龍門架行走導(dǎo)軌上的齒輪轉(zhuǎn)動而行走（稱為1，2軸）。通過二軸定位模塊可以保證兩側(cè)的交流伺服電機同步驅(qū)動，保證行走平穩(wěn)、無爬行。

在主龍門的橫梁上安裝有1個移動滑臺，滑臺采用交流伺服驅(qū)動（稱為機器人外部軸），滑臺上帶有機器人安裝底座，機器人倒掛安裝在底座上，滑臺可沿龍門橫梁作橫向移動，可實現(xiàn)0.3～10 m/m i n之間無級調(diào)速。電纜拖鏈安裝在橫梁的上方。各種電纜、氣管、冷卻水管等均安裝在電纜拖鏈的內(nèi)部。

2.2 光纖激光焊接系統(tǒng)

光纖激光焊接系統(tǒng)主要由光纖激光發(fā)生器、光路耦合系統(tǒng)、激光器水冷機、操作光纖、激光焊接頭及激光防護裝置構(gòu)成。

激光發(fā)生器采用德國IPG公司生產(chǎn)的4kW光纖激光發(fā)生器，型號YLS-4000-CT，最大額定輸出功率4kW。該激光發(fā)生器的激光輸出模式為連續(xù)（CW）輸出模式，隨機偏振，也可以變脈沖輸出模式，脈沖頻率最高可為5kHz。激光器配備Laser Net控制軟件,可自行控制激光器各種動作,并可對輸出激光進行波形控制(例如：脈沖調(diào)制，方型光波，正弦波形，能量的緩升緩降等波形）,Laser Net軟件最多可以存貯50組激光程序，如與機械手或機床集成，則可由外部設(shè)備存儲更多激光程序；激光器配備以太網(wǎng)接口、Device Net或PRORIBUS接口。

2.3 焊接機器人及其配套設(shè)備

機器人選配庫卡公司KR30HA系統(tǒng)。機器人由肘節(jié)式本體，KRC4控制柜、示教控制器KCP組成。焊接機器人本體鋁合金，最大范圍2033mm，有效負載30k g，更適合激光焊接及激光切割。KRC4控制器是庫卡開發(fā)了一個全新的、結(jié)構(gòu)清晰且注重使用開放高效數(shù)據(jù)標準的控制系統(tǒng)，具有更高效、更安全、更靈活、更智能化，采用熟悉的個人電腦WINDOWS操作界面，中英文多種語言菜單，標準的工業(yè)計算機。示教器具有示教、編程、安全保護功能；控制系統(tǒng)具有絕對位置記憶、軟PLC（選項）功能。支持多種標準工業(yè)控制總線。

與機器人相配套的設(shè)備主要包括激光填絲焊槍和填絲機。如圖2和圖3所示。作為激光填絲工藝的核心部件激光填絲焊槍是哈爾濱焊接研究所自主開發(fā)的最新一代焊槍，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、填絲效果穩(wěn)定等特點。填絲系統(tǒng)采用FRONIUS的KD7000送絲機。該送絲機采用推拉絲送絲機構(gòu)，送絲精度高，指向精準，可靠性高，特別適合激光填絲焊工藝。

圖2 激光填絲焊槍

圖3 FRONIUSKD 7000填絲機

3 系統(tǒng)控制單元及管理界面

控制單元包括硬件及軟件部分。如圖4 a所示，硬件部分上位機采用研華工業(yè)級觸屏計算機，下位機采用西門子PLC（可編程序控制器）控制，PLC與機器人和激光器采用Profibus總線數(shù)字通訊控制，與工控機采用MPI總線方式通訊，送絲機采用開關(guān)量+模擬量控制方式，龍門行走機構(gòu)采用西門子伺服定位模塊及三菱伺服控制器實現(xiàn)2臺伺服電機的同步以及準確定位。

軟件部分主控軟件采用C++語言定制開發(fā)，建立工藝庫，實現(xiàn)激光焊接工藝數(shù)字可控，與機器人及激光器數(shù)字通訊，實現(xiàn)狀態(tài)顯示，報警錯誤識別。

工控機主界面顯示了設(shè)備各個部分，包括機器人、激光器、送絲機、龍門的運行狀態(tài)和報警信息，工作站的工位信息，工藝數(shù)據(jù)信息以及激光器、龍門和機器人的管理信息，如圖4b所示，界面與PLC聯(lián)機，除了可以監(jiān)視運行狀態(tài)、設(shè)置和修改工藝參數(shù)之外，還可提供調(diào)整維修用手動面板。整套控制系統(tǒng)實現(xiàn)龍門、激光器、機器人三部分通訊，可以協(xié)調(diào)進行工作。

系統(tǒng)運行管理界面是用于檢查焊接及運動過程中，各個檢測開關(guān)所處的位置都在該界面中有所顯示，通過該界面可以使操作者處理一些簡單的問題并給出判斷，主要為激光管理、龍門管理、機器人管理三個界面為主。

圖4 控制柜及管理界面

4 實際應(yīng)用

龍門機器人激光焊接系統(tǒng)目前安裝完成后，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，各項功能指標達到設(shè)計要求。進行了工藝評定的試件焊接，檢驗結(jié)果符合工藝設(shè)計要求，經(jīng)過工藝評定以及實際焊接工作的檢驗，基本上達到設(shè)計的要求，如圖5所示。該系統(tǒng)可以配套多種不同類型的工裝夾具，可以完成不同類型的任務(wù)，并能存儲不同的工藝參數(shù)，為以后車間的技術(shù)提升，奠定了基礎(chǔ)。

圖5 龍門機器人激光焊接系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

［1］ 張善保，軌道車輛車體鋁合金部件自動化設(shè)備研制.焊接，2011（5）：10.