汽車機(jī)器人焊接工作站仿形工裝技術(shù)探究

王振濤 何麗華 楊福賀 沈陽來金汽車零部件有限公司

汽車機(jī)器人焊接工作站仿形工裝技術(shù)探究

王振濤 何麗華 楊福賀 沈陽來金汽車零部件有限公司

隨著世界制造業(yè)的快速發(fā)展，焊接技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，焊接技術(shù)水平也越來越智能化。焊接機(jī)器人具有改善工人勞動(dòng)條件、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、提高生產(chǎn)率等特點(diǎn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，焊接機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于航天、船舶、汽車、機(jī)械加工業(yè)、電子電氣行業(yè)等眾多領(lǐng)域中，本文重點(diǎn)就汽車機(jī)器人焊接工作站仿形工裝技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

機(jī)器人焊接工作站 自動(dòng)化焊接 定位系統(tǒng)

中國的機(jī)器人焊接技術(shù)大部分在在汽車領(lǐng)域，其它領(lǐng)域還是延續(xù)著傳統(tǒng)的人工焊接，而國內(nèi)自主研發(fā)機(jī)器人焊接廠商更少，大部分依賴進(jìn)口設(shè)備。企業(yè)在選用焊接機(jī)器人時(shí)，需根據(jù)自身的需求和生產(chǎn)狀況，來迅速地定制出自身所需要的焊接機(jī)器人工作站。銅板風(fēng)口行業(yè)因特殊焊接工藝及其工裝系統(tǒng)的特殊性，使得銅板風(fēng)口機(jī)器人焊接工作站的使用有了更高的要求，掌握主要技術(shù)指標(biāo)更是正確應(yīng)用的前提，目前尚無銅板風(fēng)口機(jī)器人焊接工作站的應(yīng)用案例。這里研究的銅板風(fēng)口機(jī)器人焊接工作站技術(shù)填補(bǔ)了業(yè)內(nèi)空白，提升本行業(yè)智能化制造水平。

一、機(jī)器人焊接存在的問題

挑剔的客戶因?yàn)橛仙弦患?jí)客戶的要求，往往會(huì)硬性規(guī)定一臺(tái)工作站的氣缸數(shù)量等，有時(shí)一個(gè)很簡(jiǎn)單的工件往往多出很多不必要的定位壓緊點(diǎn)，但畢竟這只是偶然現(xiàn)象，大部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)仍然可以慢慢標(biāo)準(zhǔn)化的。主流就是隨著設(shè)計(jì)數(shù)量和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，機(jī)器人柔性焊接工裝零部件也慢慢的形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，每家相關(guān)企業(yè)都慢慢建立了自己的設(shè)計(jì)庫，形成自身獨(dú)到的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在業(yè)內(nèi)形成一定的影響力，使得焊接工裝的設(shè)計(jì)時(shí)間大幅度縮短，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也變得尤為慘烈。怎樣才能更加降低成本，使得設(shè)計(jì)周期大幅度縮短，適應(yīng)更快、更精、更適用的生產(chǎn)理念仍然是精明的企業(yè)家追逐的方向和夢(mèng)想。仿形工裝技術(shù)的理念隨著加工制造主機(jī)的精度和速度的提高慢慢進(jìn)入企業(yè)家的視線。

二、機(jī)器人焊接生產(chǎn)線技術(shù)

機(jī)器人柔性焊接生產(chǎn)線技術(shù)的應(yīng)用比國外晚大概15年左右，但隨著相關(guān)設(shè)計(jì)人員的不斷探索并借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)思路，國內(nèi)的焊接技術(shù)得到了長足的進(jìn)步和發(fā)展。對(duì)目前還處在制造大國的中國，偶爾國外的原裝圖紙也會(huì)給國內(nèi)的業(yè)內(nèi)人士帶來思維的另一個(gè)契機(jī)。但是，由于原材料的不同和理解力的偏頗，偶爾也造成國外設(shè)計(jì)理念的水土不服：經(jīng)過國外嚴(yán)苛校核計(jì)算的翻轉(zhuǎn)機(jī)，在生產(chǎn)車間運(yùn)轉(zhuǎn)了幾天就出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。這種事件可被歸結(jié)為加工制造的材料或者焊接質(zhì)量的原因，沒有完全讀懂圖紙往往也是其中的一項(xiàng)重要因素。但隨著經(jīng)驗(yàn)的豐富和無數(shù)次挫折的積累，國外的設(shè)計(jì)思路最終仍會(huì)變成經(jīng)驗(yàn)的沉積，成為可以借鑒的設(shè)計(jì)典范。拿之前設(shè)計(jì)過的類似工裝夾具設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)變?yōu)樾略O(shè)計(jì)方案的核心變得尤為突出，也使得設(shè)計(jì)周期大大縮短。

（一）工裝的仿形技術(shù)。首先，工件的空間多維的角度和多角度的定位基準(zhǔn)孔使得設(shè)計(jì)工裝時(shí)要不斷考慮結(jié)構(gòu)，盡量接近工件的空間角度，實(shí)現(xiàn)工件的自由度的完全控制并盡量避免過度定位；實(shí)現(xiàn)裝夾和拆卸方便；為焊接作業(yè)讓出相應(yīng)的位置，使得機(jī)器人的焊接姿態(tài)更加合適，提高機(jī)器人工作狀態(tài)的穩(wěn)定性和一致性。仿形技術(shù)就是在工件三維數(shù)模上把需要躲避的焊接空間和定位基準(zhǔn)都一次性疊加到工件本身，然后經(jīng)過設(shè)計(jì)模具思路的拔模處理，生成相應(yīng)的“模具”。而后，切除非精度要求區(qū)域和不必要的定位空間。形成相應(yīng)位置的固定支架和安裝仿形塊體空間曲面。把滿足加工切削量要求的塊體安裝在提前加工好的標(biāo)準(zhǔn)支撐件上，固定到標(biāo)準(zhǔn)的焊接平臺(tái)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主回轉(zhuǎn)梁上。在數(shù)控龍門銑平臺(tái)上定位夾緊，經(jīng)過粗略加工和半精加工、精加工，一次性完成夾具的本體加工，另配以標(biāo)準(zhǔn)的壓緊機(jī)構(gòu)，大大縮短設(shè)計(jì)和加工周期。本加工流程的關(guān)鍵點(diǎn)在于提前制造一定規(guī)格相應(yīng)高度的定位支撐標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)底梁。使得工裝的設(shè)計(jì)周期和加工速度實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，盡量回避設(shè)備夾具本身的調(diào)試工作。

（二）高精度快速響應(yīng)定位技術(shù)。焊接機(jī)器人實(shí)施焊接時(shí)，對(duì)工裝定位精度和夾具夾持要求較高，各工件焊縫處間隙偏差≤0.8mm；而且高爐風(fēng)口小套具有質(zhì)量大且為全程高溫焊接特點(diǎn)，同時(shí)銅板風(fēng)口法蘭軸線與風(fēng)口I縫的軸線不在同一位置，存在一定的斜度(0～11)o，這對(duì)驅(qū)動(dòng)及工裝系統(tǒng)提出了更高的要求。高精度、強(qiáng)可靠及快速響應(yīng)定位系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)在焊接過程中，能對(duì)保溫爐體輥軸轉(zhuǎn)速和擺角隨時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整。采用PLC控制雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥軸(第7軸)實(shí)現(xiàn)銅板風(fēng)口的同步旋轉(zhuǎn)；擺角電機(jī)(第8軸)選用交流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，在不同焊縫焊接過程中，可精確調(diào)整焊縫轉(zhuǎn)軸的角度，同時(shí)通過減速機(jī)實(shí)現(xiàn)自鎖，保證爐體在各位置下的穩(wěn)定。在焊接過程中，操作者在監(jiān)控室的顯示屏觀測(cè)焊縫熔池的實(shí)況，如果發(fā)現(xiàn)焊縫過高、過低或偏離中心的現(xiàn)象，可通過操作手柄來調(diào)整爐體輥軸的轉(zhuǎn)速，以配合機(jī)器人的焊接速度，提高焊縫質(zhì)量。

（三）耐高溫?cái)z像監(jiān)控技術(shù)。焊接機(jī)器人如使用離線編程控制軌跡運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)用示教系統(tǒng)進(jìn)行焊接的過程是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，銅板風(fēng)口的加工誤差易導(dǎo)致焊縫位置尺寸變化引起焊接誤差，降低焊接質(zhì)量，必須精準(zhǔn)定位焊縫罔。焊接工作站配置雙攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)。一個(gè)為強(qiáng)光監(jiān)控系統(tǒng)，圖像采集單元采用先進(jìn)的強(qiáng)光抑制低照度高動(dòng)態(tài)范圍彩色攝像機(jī)，能很好的將焊接產(chǎn)生的強(qiáng)光給予過濾，提高圖像的清晰度，主要用于焊接實(shí)施過程的監(jiān)控；另一個(gè)為普通攝像頭，用以監(jiān)控焊接調(diào)整等非強(qiáng)光狀態(tài)下目標(biāo)。該系統(tǒng)有效的克服強(qiáng)光、高溫、煙霧、粉塵等惡劣工作環(huán)境，提高圖像清晰度，方便工人對(duì)焊縫進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控及操作處理；同時(shí)通過渦旋管氣體冷卻方式，進(jìn)、出氣置于攝像機(jī)鏡頭尾部，避免影響保護(hù)焊接氣體。攝相機(jī)安裝在機(jī)器人終端的夾持裝置上隨動(dòng)，用來采集熔池實(shí)時(shí)圖像并傳輸?shù)奖O(jiān)控室的顯示屏中，操作者通過它就能實(shí)時(shí)觀察焊接的實(shí)況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

三、結(jié)語

快捷的設(shè)計(jì)和加工制造，源于快節(jié)奏的思維變通和嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)、加工依據(jù)；實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，那么把思路帶入到實(shí)踐中去才會(huì)不斷地豐富和完善理念，經(jīng)過一些相關(guān)的嘗試這種思路是可行的，然而是不是最好的還有待于后來人的不斷探索和驗(yàn)證。

[1]麻常選.貫流式純銅風(fēng)口MIG焊工藝[J].焊接技術(shù)，2015.

[2]楊俊.高爐紫銅風(fēng)口的焊接[J].湖南冶金，2016.