點(diǎn)焊機(jī)器人在風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩焊接中的應(yīng)用

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（天津七所高科技有限公司，天津 300400）

0 前言

風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩制造工藝主要包括下料、打圈、折彎、對(duì)焊、骨架弧焊、點(diǎn)焊/弧焊水拉線(xiàn)、打磨、電泳等，其中點(diǎn)焊水拉線(xiàn)目前基本是半自動(dòng)（專(zhuān)機(jī)）形式或手工焊接形式。大型風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩加上夾具的質(zhì)量為10～20 kg，需要2～3個(gè)人手工搬運(yùn)至固定式點(diǎn)焊機(jī)上找正焊接，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。雖然有一些網(wǎng)罩產(chǎn)品可以采用半自動(dòng)生產(chǎn)，如專(zhuān)機(jī)形式[1]，但隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，該類(lèi)產(chǎn)品無(wú)法適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)。隨著自動(dòng)化焊接的發(fā)展，工業(yè)焊接機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而采用機(jī)器人焊接風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩可以滿(mǎn)足目前風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩柔性化生產(chǎn)的要求，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，以某企業(yè)A產(chǎn)品為例進(jìn)行說(shuō)明。

網(wǎng)罩焊接產(chǎn)品包含徑向骨架及周向水拉線(xiàn)如圖1所示。焊接骨架包括電機(jī)座、平墊圈、徑向骨架、徑向支架以及周向水拉線(xiàn)如圖2所示。網(wǎng)罩外圈直徑860 mm，高度190 mm，質(zhì)量約為9 kg。

弧焊序?qū)㈦姍C(jī)座、平墊片、骨架、徑向支架以及粗的水拉線(xiàn)焊接在一起。點(diǎn)焊序?qū)⒓?xì)的水拉線(xiàn)以及弧焊序焊接的產(chǎn)品焊接在一起。其中徑向骨架直徑10 mm，徑向支架直徑6 mm，水拉線(xiàn)直徑2.5 mm，徑向骨架每次與5根水拉線(xiàn)焊接在一起，A產(chǎn)品合計(jì)需要點(diǎn)焊焊接96次。

圖1 焊接產(chǎn)品

圖2 焊接骨架

為提高水拉線(xiàn)與骨架排焊的焊接效率，研發(fā)了基于該類(lèi)產(chǎn)品的點(diǎn)焊機(jī)器人工作站。

2 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站的組成及特點(diǎn)

點(diǎn)焊機(jī)器人工作站由點(diǎn)焊焊接機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人伺服焊鉗、中頻焊接控制器、三軸回轉(zhuǎn)變位機(jī)、焊接夾具、PLC控制系統(tǒng)、水氣單元、圍欄及其他附件組成，如圖3所示。

圖3 工作站的組成

機(jī)器人系統(tǒng)配有良好的人機(jī)操作界面及啟動(dòng)按鈕，考慮安全因素，在人機(jī)交互位置增加了安全光柵，在維修門(mén)處增加了安全門(mén)鎖，防止機(jī)器人及回轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)操作人員造成傷害。

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人選用FANUC公司生產(chǎn)的R-2000iC型6軸點(diǎn)焊機(jī)器人，其末端負(fù)載為210 kg，工作半徑達(dá)2 655 mm，本體質(zhì)量1 090 kg。其負(fù)載滿(mǎn)足選用的伺服焊鉗質(zhì)量，臂展也滿(mǎn)足網(wǎng)罩產(chǎn)品焊接要求。

機(jī)器人配置管線(xiàn)包，用于將機(jī)器人末端伺服焊鉗中的外部軸電機(jī)線(xiàn)纜、變壓器三相線(xiàn)纜和信號(hào)線(xiàn)纜、進(jìn)回水路連接至機(jī)器人末端。在機(jī)器人6軸末端與焊鉗連接側(cè)安裝有過(guò)渡法蘭，可以減少管線(xiàn)對(duì)機(jī)器人6軸的限制，在5軸上安裝有支架和彈簧圈，使機(jī)器人手腕在運(yùn)動(dòng)時(shí)管線(xiàn)包過(guò)渡更加平滑。

機(jī)器人控制器選用FANUC公司M30iB產(chǎn)品，占地空間小，放置于焊接控制器上方。其內(nèi)置機(jī)器人焊接標(biāo)準(zhǔn)軟件包可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑編程、焊接、焊鉗標(biāo)定、焊鉗快換等動(dòng)作，且可選多種形式的總線(xiàn)協(xié)議以及I/O信號(hào)通信。點(diǎn)焊機(jī)器人與PLC之間選用Profibus-DP總線(xiàn)通訊協(xié)議。

機(jī)器人編程示教器型號(hào)為FANUC iPendant，具有友好和簡(jiǎn)易的編程界面，可轉(zhuǎn)換中/英文顯示方式，方便操作者。

2.2 機(jī)器人伺服焊鉗

機(jī)器人焊鉗選用天津七所艾莘公司的C型伺服機(jī)器人焊鉗，焊鉗依靠與機(jī)器人配套的外部軸電極驅(qū)動(dòng)，最大壓力達(dá)600 kg。機(jī)器人焊臂采用鑄銅結(jié)構(gòu)，冷卻水管預(yù)埋在鑄造焊臂中。焊臂喉寬和喉深分別達(dá)480 mm、400 mm，最大行程210 mm，滿(mǎn)足半徑1 m以?xún)?nèi)的網(wǎng)罩焊接要求。

焊鉗線(xiàn)纜與機(jī)器人管線(xiàn)包線(xiàn)纜連接采用快換方式，并采取防飛濺保護(hù)措施，可方便后期的維修和更換。從管線(xiàn)包進(jìn)入的冷卻水進(jìn)回水路分為2路，一路供應(yīng)給變壓器冷卻，一路供應(yīng)給焊臂冷卻。

通過(guò)修改電極形狀，在不更換焊鉗、只更換焊鉗末端電極的情況下，焊鉗可同時(shí)焊接單根骨架和多達(dá)7根水拉線(xiàn)，并且完成徑向骨架與周向骨架的點(diǎn)焊，滿(mǎn)足現(xiàn)有網(wǎng)罩點(diǎn)焊工藝的生產(chǎn)要求，提高焊接效率。

2.3 中頻逆變焊接控制器

焊接控制器選用天津七所高科技有限公司生產(chǎn)的中頻焊接控制器，容量125 kVA，最大輸出電流20 kA。配有操作盒及彩色界面編程器，可設(shè)置點(diǎn)焊工藝的60多種參數(shù)，內(nèi)部最多可存儲(chǔ)50套焊接規(guī)范，滿(mǎn)足網(wǎng)罩焊接要求。

焊接控制器、PLC控制器與機(jī)器人控制器建立通訊聯(lián)系，可直接在機(jī)器人界面調(diào)用不同的焊接規(guī)范。對(duì)于通訊故障或者焊接故障，編程器給出故障代碼，維修人員可快速通過(guò)故障代碼查找相關(guān)原因。

2.4 三軸回轉(zhuǎn)變位機(jī)

三軸回轉(zhuǎn)變位機(jī)由天津七所自主研發(fā)，主要由伺服電機(jī)、精密減速器、結(jié)構(gòu)件及其控制系統(tǒng)組成，其中機(jī)器人工作在一側(cè)，操作者裝件、卸件在另外一側(cè)，中間配備擋光板，操作者免受焊接飛濺影響。

三軸變位機(jī)兩側(cè)最大負(fù)載500 kg，可滿(mǎn)足目前焊接的使用要求，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，時(shí)間小于5 s。

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子系列PLC，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)、夾具信號(hào)采集、與機(jī)器人控制器通訊以及安全圍欄、安全光柵、三色燈等外圍器件的信號(hào)采集與控制等[2]，其中PLC與機(jī)器人和觸摸屏通訊采用Profibus-DP總線(xiàn)通訊協(xié)議，與其他設(shè)備的連接采用I/O信號(hào)通訊。

3 焊接夾具的設(shè)計(jì)

點(diǎn)焊機(jī)器人工作站焊接夾具是實(shí)現(xiàn)工件定位與防止變形的重要手段[3]，在夾具設(shè)計(jì)中既要兼容產(chǎn)品在前序工藝制造過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差，又要解決水拉線(xiàn)的定位問(wèn)題，還要考慮整個(gè)產(chǎn)品在拆裝過(guò)程的方便性，這是夾具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

圖4 夾具的結(jié)構(gòu)

夾具結(jié)構(gòu)主要包括夾具基座、支撐柱、夾具定位齒及側(cè)向旋轉(zhuǎn)定位齒。夾具上側(cè)外圈直徑900 mm，高度650 mm。為了減少焊鉗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉，中間位置依靠單根柱支撐，夾具支撐柱上部與梳狀齒夾具有快換結(jié)構(gòu)，方便夾具拆裝。在平面位置的水拉線(xiàn)采用12根梳狀定位齒，考慮到骨架的壓緊及側(cè)向水拉線(xiàn)的定位，在側(cè)面的水拉線(xiàn)采用12個(gè)旋轉(zhuǎn)形式的梳狀定位齒，為方便搬運(yùn)和增加剛度，在整個(gè)結(jié)構(gòu)上方安裝支撐圈。

4 實(shí)際焊接效果與工藝

目前該工作站已進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為增加焊接節(jié)拍，采用旋轉(zhuǎn)小轉(zhuǎn)臺(tái)及附屬夾具的形式，減少機(jī)器人移動(dòng)時(shí)間，平均單次焊接時(shí)間小于2.5 s，焊接完成A產(chǎn)品所有點(diǎn)焊焊點(diǎn)時(shí)間小于4 min。相比焊條電弧焊，效率提升3倍。焊點(diǎn)合格率大于99.8%，滿(mǎn)足網(wǎng)罩自動(dòng)化焊接的正常生產(chǎn)需要。

主要焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 工藝參數(shù)窗口確認(rèn)

5 結(jié)論

采用機(jī)器人工作站焊接，滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩柔性化、批量化生產(chǎn)要求，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了焊接質(zhì)量。焊接夾具是實(shí)現(xiàn)工件定位與防止變形的重要手段。所述風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩產(chǎn)品焊接示例對(duì)其他類(lèi)型風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩產(chǎn)品的焊接具有重要的借鑒意義，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)網(wǎng)罩產(chǎn)品全自動(dòng)化生產(chǎn)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]楊化愚，杜為民，李慶翰，等.電風(fēng)扇網(wǎng)罩專(zhuān)用點(diǎn)焊機(jī)的研制[J].電焊機(jī)，1984，14（2）：9-13.

[2]胡敏，洪濤，王勇.基于總線(xiàn)技術(shù)的柔性機(jī)器人焊接工作站[J].電焊機(jī)，2010，40（5）：95-98.

[3]楊偉國(guó)，楊瑞軍.弧焊機(jī)器人在汽車(chē)拖拽架焊接的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：71-73.