機(jī)器人焊接工作站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王生棟，王吉潔，楊 揚(yáng)，王 騰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210001)

機(jī)器人的誕生是人類在20世紀(jì)取得的重大科學(xué)技術(shù)成就之一，是20世紀(jì)自動(dòng)控制領(lǐng)域最有說(shuō)服力的成就，代表了當(dāng)代自動(dòng)化行業(yè)的最高水平[1]。伴隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器人的工業(yè)化應(yīng)用越來(lái)越廣泛，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)效率。隨著《中國(guó)制造2025》的提出，中國(guó)傳統(tǒng)的制造行業(yè)迎來(lái)了轉(zhuǎn)型發(fā)展期[2]。如何提高資源利用率和生產(chǎn)效率也成為了傳統(tǒng)制造業(yè)必須面對(duì)的重要課題[3]。

本文基于KUKA-KR60-3機(jī)器人和Fronius TPS4000CMT焊機(jī)，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于新能源汽車鋁合金電池圍框的自動(dòng)化焊接工作站。該機(jī)器人焊接工作站具有焊接效率高、自動(dòng)化程度高和可連續(xù)不間斷工作的特點(diǎn)，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)功能與組成

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人焊接工作站主要應(yīng)用于鋁合金電池圍框的焊接，焊接材料包括但不限于6061-T6、6082-T6等各系鋁合金。該工作站主要由KUKA-KR60-3工業(yè)機(jī)器人、Fronius TPS4000CMT焊機(jī)、焊接夾具、雙工位變位機(jī)、排煙除塵系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)組成(見圖1)。

圖1 機(jī)器人焊接工作站

2 工裝夾具設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的工裝夾具主要由Base板、自動(dòng)夾緊氣缸、手動(dòng)夾緊氣缸、定位單元、支承單元、傳感器、閥島及I/O箱組成(見圖2)。由于該工裝應(yīng)將9個(gè)零部件焊接成型，在工件上裝過(guò)程中應(yīng)將部分氣缸手動(dòng)夾緊，以確保定位準(zhǔn)確，并設(shè)計(jì)有防放錯(cuò)傳感器。Base板采用25 mm厚鋼板加工而成，閥島及I/O箱放置在空曠處，避免影響上下工件和焊接。

圖2 工裝夾具設(shè)計(jì)

3 雙變位機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的變位機(jī)主要用于雙工位切換并實(shí)現(xiàn)工件繞自身軸線的翻轉(zhuǎn)，該變位機(jī)具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，工作時(shí)可以極大地提高焊接工作效率，當(dāng)機(jī)器人對(duì)其中一個(gè)工位進(jìn)行焊接工作時(shí)，另一個(gè)工位可以同時(shí)進(jìn)行上下料操作。

該變位機(jī)主要由轉(zhuǎn)臺(tái)、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、框架和屏風(fēng)組成(見圖3)。該變位機(jī)可實(shí)現(xiàn)包括夾具在內(nèi)的最大質(zhì)量為1 000 kg的工件的變位操作。采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了變位機(jī)的使用壽命，減少了變位機(jī)的維護(hù)工作。

圖3 變位機(jī)設(shè)計(jì)

4 機(jī)器人安裝

由于焊接零件尺寸較大，機(jī)器人所需要的運(yùn)動(dòng)空間較大，因此機(jī)器人采用懸掛安裝的方式。機(jī)器人底座采用600×600鋼管焊接而成，焊接機(jī)器人通過(guò)M20螺釘固定在底座上，底座側(cè)面安裝有送絲機(jī)。機(jī)器人末端安裝有激光傳感器和焊槍(見圖4)。

圖4 機(jī)器人底座安裝

5 安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全防護(hù)房主要由鋁型材和鈑金蒙皮通過(guò)螺栓搭接而成。安全防護(hù)房前部有由鋁型材和有機(jī)玻璃搭建而成的安全圍欄，并裝有安全光柵，當(dāng)有人或其他障礙物體處于工作站內(nèi)部時(shí)，機(jī)器人工作站無(wú)法啟動(dòng)工作，以確保安全性(見圖5)。

圖5 安全防護(hù)系統(tǒng)

在工作站兩側(cè)和后部放置有焊接電源、氣瓶和排煙除塵裝置等。為確保安全，這些設(shè)備均放置在由50鋼管搭建而成的圍欄內(nèi)。

6 供配電設(shè)計(jì)

電池托盤圍框焊接工作站項(xiàng)目供電用到了工業(yè)三相電380 V、單相電220 V和直流24 V等3種電源。焊接機(jī)器人使用的是三相電380 V，其余機(jī)柜里的風(fēng)扇等設(shè)備使用的是單相電220 V，PLC以及相應(yīng)外圍設(shè)備、電磁閥和接近開關(guān)使用的是24 V電源(見圖6)。

圖6 供配電示意圖

7 結(jié)語(yǔ)

本文利用庫(kù)卡機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人自動(dòng)化焊接工作站，可以實(shí)現(xiàn)鋁合金框架的焊接，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人工成本。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，基于機(jī)器人技術(shù)的自動(dòng)化工作站將會(huì)越來(lái)越多，應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來(lái)越廣泛。

[1] 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2009.

[2] 從培蘭. 弧焊工業(yè)機(jī)器人工作站的集成[J]. 機(jī)械工程師, 2016(9):117-118.

[3] 劉偉斌, 李勇, 王永剛, 等. 焊接機(jī)器人工作站優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程, 2012(18):27-28.