基于吹灰裝置梁體上的自動焊接系統(tǒng)

張志強，周　凡，陳　軍，李曉平

（中國工程物理研究院，四川綿陽621900）

基于吹灰裝置梁體上的自動焊接系統(tǒng)

張志強，周凡，陳軍，李曉平

（中國工程物理研究院，四川綿陽621900）

在基于一種吹灰裝置側(cè)梁的焊接工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)了以機器人為操作主體的自動化焊接系統(tǒng)，主要包括側(cè)梁的整體結(jié)構(gòu)、焊接輔助夾具、焊接工藝參數(shù)以及相應(yīng)的焊接控制系統(tǒng)。該生產(chǎn)線的研發(fā)成功解決了人工焊接過程中所存在的裝夾復(fù)雜、焊接盲區(qū)等問題，提高了焊縫的均勻性和焊縫質(zhì)量。

型材焊接；夾具工藝；機器人；自動化

0　前言

在吹灰裝置的研制過程中，因其側(cè)梁的焊接長度較長且為不同種類型材的組合，焊接對象包括扁鋼與槽鋼、槽鋼與角鋼、扁鋼與角鋼等。在實際的焊接過程中，受梁體本身長度過長的限制，存在人工焊接操作困難、整體裝夾復(fù)雜等因素，導致焊接后梁體的變形較大，影響后期裝置的運行。

通過工藝分析，采用自動化的焊接工藝將大幅度提高梁體的焊接質(zhì)量，機器人自動化生產(chǎn)線便是這一工業(yè)發(fā)展的典型特征，以其高精度、高效率、低維護的優(yōu)點逐漸取代傳統(tǒng)的焊接工藝。并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、夾具輔助，配以相應(yīng)的控制系統(tǒng)，便能保證梁體的焊接要求。

1　梁體結(jié)構(gòu)及特點

梁體的主要功能是支撐吹灰裝置，并配合驅(qū)動裝置的傳動及導向功能，吹灰裝置所要求的行程較長（大于6m），梁體總長約為7m。根據(jù)實際功能需求，設(shè)計了以扁鋼為主體的焊接外形，配以槽鋼為導向支撐、角鋼連接上齒條后再配焊至扁鋼上作為傳動裝置，同時為走線提供線槽，如圖1所示。

圖1　梁體外形結(jié)構(gòu)

根據(jù)梁體的結(jié)構(gòu)，主要由兩側(cè)板分別焊接而成。工藝線路為先單獨焊接一塊側(cè)板后，吊裝至整體裝夾夾具上放置，然后再焊接完第二塊側(cè)板，繼而將兩塊側(cè)板同時裝夾再次進行焊接。針對單個側(cè)板的焊接，焊接長度較長且焊縫區(qū)域狹窄，成為其操作的主要難點，如圖2所示，主要體現(xiàn)在焊縫4和焊縫5，需保證齒條與槽鋼的間距為63.7mm，同時又有齒條的干涉，因此不易手工操作且難以保證間距。

圖2　單側(cè)梁體焊接示意

2　整體焊接方案

根據(jù)制定的工藝路線，將行走式機器人放于結(jié)構(gòu)中部作為焊接主體，機器人兩側(cè)分別設(shè)計成用于焊接單個梁體的結(jié)構(gòu)、用于焊接雙層梁體的結(jié)構(gòu)。為提高生產(chǎn)效率，選擇兩臺機器人相對運動進行焊接，通過合理的控制系統(tǒng)設(shè)計，從而完成穩(wěn)定的雙向通訊，如圖3所示。

圖3　梁體焊接方案

在兩側(cè)的焊接平臺上分別設(shè)計相應(yīng)的夾具，考慮到實際工件的負載較大，采用液壓系統(tǒng)作為動力裝置，根據(jù)梁體的長度，為減少焊接變形，每間隔1.2 m安裝一套夾具。實際工作中，從單個側(cè)板焊接平臺的兩端分別上料，通過兩臺機器人相向移動同時焊接，焊接完畢后，根據(jù)現(xiàn)場工況，將兩塊側(cè)板吊裝至梁體焊接平臺一側(cè)，任意選擇Robot1或Robot2進行整體焊接。

3　結(jié)構(gòu)及焊接夾具

梁體的自動化焊接線主要由三部分結(jié)構(gòu)組成，包括行走結(jié)構(gòu)、單個側(cè)板焊接平臺結(jié)構(gòu)和整體梁體焊接平臺結(jié)構(gòu)。

3.1行走結(jié)構(gòu)

行走機構(gòu)的主要功能是給機器人的行走提供導向和驅(qū)動，根據(jù)梁體的焊接長度，并且工作狀態(tài)為兩塊側(cè)板同時焊接，因此整體的行走機構(gòu)行程大于14 m；為保證焊接操作的可重復(fù)性，以重復(fù)定位精度0.1 mm為設(shè)計要求。該要求具體體現(xiàn)在工件自身裝夾的定位精度，機器人每次焊接軌跡的重復(fù)精度，而機器人焊槍的移動軌跡又由機器人自身的定位精度和機器人在導軌上前進的定位精度兩部分構(gòu)成。

綜合以上設(shè)計要求，在工件裝夾上通過機械裝置進行定位夾緊，保證了絕對性的定位，機器人采用松下YA-1NC系列，其手臂回轉(zhuǎn)半徑為1.6 m，保證了其掃描區(qū)域能容納左右平臺的整個區(qū)域。

因此，行走結(jié)構(gòu)上的移動部分成為設(shè)計重點，基于行程大的原因，采用電機帶減速器再外帶精密齒輪齒條的傳動系統(tǒng)，既能滿足傳動的需要，同時還能滿足兩臺機器人的行走需求，齒條在實際工作中能有共用的區(qū)間，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

3.2單個側(cè)板焊接平臺結(jié)構(gòu)

由圖2可知，扁鋼上需要焊接的各個部件在寬度方向并非處于對稱狀態(tài)，因此要完成兩塊側(cè)板的焊接，需設(shè)計兩套夾具才能滿足功能需求。若采用此方案，則結(jié)構(gòu)上增加了復(fù)雜性，操作也不方便。綜合以上因素，在單個側(cè)板的焊接平臺上設(shè)計一套組合夾具來滿足左右兩塊側(cè)板的焊接要求，并且操作方便，減小了操作人員的裝夾時間。

如圖4所示，采用一套旋轉(zhuǎn)夾具來解決這一問題。A視圖展示的便是左側(cè)側(cè)板的焊接夾具，B視圖為右側(cè)側(cè)板的焊接夾具，具體裝夾過程為：以右側(cè)側(cè)板為例，當工件通過上一道工序輸送至該平臺基座上后，首先由定位輪對底板和角鋼（最右側(cè)）進行定位，然后上升油缸工作，整套夾具上升，當其高度大于基座高度（756 mm）后，整套夾具便能在軸上進行自由的旋轉(zhuǎn)，因此時焊接的是右側(cè)工件，將B號夾具旋轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，分別使油缸6、5、4工作，在定位塊的作用下，保證了槽鋼與齒條間的間隙距離，進而在油缸4與5的作用下，采用聯(lián)動夾緊的方式，完成對整套工件的夾緊。

圖4　單個側(cè)板焊接夾具

3.3梁體焊接平臺結(jié)構(gòu)

在分別完成兩塊側(cè)板的焊接之后，根據(jù)圖3總體方案規(guī)劃，將其吊裝至梁體焊接平臺上進行整體焊接縫合。為保證焊接后梁體的安裝穩(wěn)定性，左右側(cè)板高度應(yīng)保持一致，因此在該平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由機械式定位結(jié)構(gòu)來保證兩者等高，選擇液壓夾具來作為動力裝置，如圖5所示。

吊裝至梁體焊接平臺后，由基座上現(xiàn)有的齒條與之配合實現(xiàn)定位，保證高度方向上的一致，水平方向的距離由定位桿來保證，定位桿兩端設(shè)計成螺栓可調(diào)的方式，以保證油缸在帶動其旋轉(zhuǎn)的過程中能有最合適的距離。

因此，定位完成后，左端由油缸實現(xiàn)夾緊，右端仍采用螺栓浮動式結(jié)構(gòu)，因工件在鍛造后厚度有誤差，通過調(diào)整螺栓來保證夾緊的穩(wěn)定性。

4　控制系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用兩臺機器人進行焊接，考慮到整體導軌行程較長（20 m），而工件長度大于14 m，單個側(cè)板的焊接則是依次先后完成操作。從宏觀上分別對每一臺機器人以及其相應(yīng)的焊接元器件設(shè)計一套獨立的控制系統(tǒng)，在各自的行走機座上安裝測距傳感器，避免在相對運動焊接過程中發(fā)生碰撞。

針對具體的焊接需求，各個機器人單獨配備控制系統(tǒng)，選擇三菱PLC來滿足其要求，從I/O方面來看，由于梁體焊接上每間隔1.2 m有一套夾具，其操作完全由工作人員在裝夾的過程中完成夾緊，與PLC的外圍I/O點無關(guān)。所以，整體信號回路中與PLC有關(guān)系的便是伺服電機與機器人，如圖6所示。

選擇三菱FX-2N系列，一方面帶伺服驅(qū)動與電機，另一方面完成與機器人控制柜的信息通訊，從而能實時地監(jiān)控機器人的每一步示教動作。

根據(jù)機器人型號，通過其控制電路板中自帶的外接I/O點數(shù)，實現(xiàn)與PLC的I/O端的數(shù)據(jù)交換，如表1所示。

圖5　梁體焊接夾具

圖6　控制系統(tǒng)原理

表1　PLC&Robot I/O數(shù)據(jù)點分配

通過以上端口的數(shù)據(jù)連接，機器人能在手動狀態(tài)下完成某一夾具附近區(qū)間的焊接區(qū)域示教，再配合伺服系統(tǒng)的分段前進，逐步完成整段側(cè)板的焊接。對于焊接過程中出現(xiàn)的錯誤，如撞槍、粘絲等，均能以報警狀態(tài)發(fā)出指示，在操作人員處理之后繼續(xù)工作，焊接后的梁體焊縫如圖7所示，整體焊縫比較均勻且長度一致，達到預(yù)期目的。

圖7　實際焊縫

5　結(jié)論

通過合理地研究設(shè)計，將多型材組合的梁體從手工狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自動化焊接生產(chǎn)，不僅在結(jié)構(gòu)中以旋轉(zhuǎn)組合夾具來保證左右兩側(cè)板焊接的要求，極大地減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和空間占有率，并且選擇機器人進行左右焊接，增強了機器人的工作量，將人工焊接量減至為零，同時能控制梁體的整體結(jié)構(gòu)變形，提高焊接質(zhì)量。

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Research on automatic welding system for beam of insufflator equipment

ZHANG Zhiqiang，ZHOU Fan，CHEN Jun，LI Xiaoping
（China AcademyofEngineeringPhysics，Mianyang621900，China）

Based on the welding technology for side beam of insufflator equipment，an automatic welding system whose operational main body is robot is developed.This system includes the overall structure of the side beam，welding auxiliary fixture，specific welding technology and relevant welding control system.The success of research and development of this production line not only solves the problems of complex clamping and dead zone in manual welding，but also improves the uniformity and quality of welds.

profile welding；fixture technology；robot；automation

TG409

A

1001－2303（2015）11－0054-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.11

2015-04-14；

2015-06-18

張志強（1990—），四川人，男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計及工業(yè)自動化的研究工作。