機(jī)器人自動焊接工作站設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

卞星星

機(jī)器人自動焊接工作站設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

卞星星

（廈門華電開關(guān)有限公司，福建 廈門 361000）

焊接是制造業(yè)中重要的一環(huán)，但其工作環(huán)境臟、勞動強(qiáng)度大，對操作人員的技能要求也比較高。隨著中國科技的不斷發(fā)展，越來越多的機(jī)器人應(yīng)用于焊接行業(yè)中，既提高了工作效率，降低對操作人員技能的要求，又保障了產(chǎn)品的合格率。設(shè)計(jì)研究了一款以焊接機(jī)器人為中心、多設(shè)備協(xié)同工作、集成度高的焊接工作站，為中國焊接企業(yè)的生產(chǎn)提出了建議。

機(jī)器人；自動焊接；工作站；設(shè)計(jì)原理

機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，可代替或配合人類完成危險的、勞動強(qiáng)度大的、大批量的作業(yè)。在傳統(tǒng)焊接行業(yè)中，多數(shù)采用人工焊接，人工勞動強(qiáng)度高、效率低，又在一定程度上增加了企業(yè)成本，這使得機(jī)器人自動焊接成為一種趨勢，特別是進(jìn)行批量性焊接的企業(yè)，對焊接的自動化、機(jī)械化的需求更為迫切。機(jī)器人焊接工作站是基于機(jī)器人的一種柔性加工系統(tǒng)，包括弧焊機(jī)器人、變位機(jī)、清槍站、焊接電源、激光尋位及跟蹤、焊接屏蔽房、除塵系統(tǒng)等設(shè)備，以保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)作，保證焊接的精確性及安全性。

1 產(chǎn)品現(xiàn)狀及制造要求

1.1 產(chǎn)品現(xiàn)狀

此次研究的機(jī)器人焊接工作站主要應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜箱體與封板的焊接中，現(xiàn)有產(chǎn)品的箱體及封板采用外角接方式，這決定了機(jī)器人焊接方式為角焊。產(chǎn)品所用材料為2.5～ 3.0 mm的SUS304不銹鋼，MIG/MAG焊均能焊接不銹鋼，但MAG只可以滿足0.6 mm厚的薄規(guī)格鋼板的要求，因此采取機(jī)器人自動MIG焊接。不銹鋼MIG焊接的保護(hù)氣可以用純氬，也可以使用98%氬氣加2%氧氣，純氬價格昂貴，綜合考慮公司成本與焊接效果，最終焊接保護(hù)氣采用98%氬氣加2%氧氣。環(huán)網(wǎng)柜氣箱焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜氣箱焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 角焊接制造要求

角焊接是焊接中的一種，對焊工的技術(shù)要求比較高。角焊接指將兩塊金屬板垂直焊接的過程，焊縫呈現(xiàn)三角形，可以有平面、凸面以及凹面三種形式。焊縫的高度是直角三角形的直角點(diǎn)，按照相關(guān)的焊接規(guī)定，角焊縫的高度一般不能小于金屬板的厚度，在進(jìn)行雙面焊接的過程中，最薄的焊縫也要達(dá)到焊接物體40%的厚度，而單面焊接需要達(dá)到物體80%的厚度。角焊接是通過焊接夾角將兩金屬板焊為一體的焊接方式，兩金屬板的夾角必須保證為90°。

2 機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)原理

2.1 機(jī)器人焊接工作站技術(shù)要求

一套完整的機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)，應(yīng)包括弧焊機(jī)器人、焊接電源、清槍站、變位機(jī)、焊件夾持裝置、控制系統(tǒng)、焊接屏蔽房等?；竟ぷ髟硎鞘窘淘佻F(xiàn)，即由用戶通過示教器導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動參數(shù)、焊接參數(shù)等，生成一個可連續(xù)執(zhí)行的程序。完成示教后，只要機(jī)器人有信號，機(jī)器人就可以精確地按示教動作，完成全部操作，實(shí)際示教與再現(xiàn)。焊接工作站需要能實(shí)現(xiàn)焊接的整個流程，即確認(rèn)焊接類型后，如焊接封板，焊件能在變位機(jī)與焊件夾持裝置的配合下到達(dá)理想的加工位置，機(jī)器人先清槍，再按照示教的動作，與變位機(jī)配合完成焊接，焊接過程需在焊接屏蔽房中完成。

2.2 機(jī)器人焊接工作站組成及設(shè)備配置

2.2.1 弧焊機(jī)器人

早在20世紀(jì)80年代，中國就有了弧焊型機(jī)器人，極大促進(jìn)了機(jī)器人自動化焊接的發(fā)展。隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的機(jī)器人焊接工作站投入到實(shí)際的生產(chǎn)使用中。機(jī)器人的種類很多，考慮到工作站將投入到高效、批量生產(chǎn)中，為保證運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，選擇了穩(wěn)定性高的ABB機(jī)

器人，保證焊接工作能夠長期有效地進(jìn)行。ABB機(jī)器人使用壽命長、維修頻率低、運(yùn)行的噪聲小、精度高，能保證焊接的質(zhì)量。綜合考慮焊接產(chǎn)品的重量及工作范圍，選擇IRB 2600-12/1.85機(jī)器人，機(jī)器人臂長1.85 m，承重12 kg，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，精確度高，能高效生產(chǎn)、高質(zhì)量完成任務(wù)。且配備了快速精確的IRC5控制器，配合IRC5控制器使用的焊接專家功能及單點(diǎn)編程示教器與機(jī)器人手臂上的自動送絲裝置，能有效縮短工作周期，提高焊接質(zhì)量，適合焊接工作。

2.2.2 變位機(jī)

變位機(jī)是焊接過程中必不可少的一個設(shè)備，可使焊縫運(yùn)動到理想的加工位置，能實(shí)現(xiàn)一次性裝夾完成全部焊接工作。變位機(jī)通常有雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)、U型雙座式頭尾雙回轉(zhuǎn)型式、L型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)、C型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)及座式通用變位機(jī)。

選用能在狹窄區(qū)域完成焊接工作的L型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)，該變位機(jī)開敞性好，占地面積小，有大回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1、小回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2，呈現(xiàn)L形，擁有兩個方向的回轉(zhuǎn)自由度。大回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動鏈為：ABB外部軸電機(jī)—精密減速機(jī)—小齒輪—回轉(zhuǎn)支撐，可以±360°任意回轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)支撐又作為小回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力元件，與小回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的箱形梁連接，帶動小回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)±360°回轉(zhuǎn)[2]。小回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力傳動方式與大回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相似，其回轉(zhuǎn)支撐輸出端與工作盤相連，焊件通過工裝安裝在工作盤上，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的位置變化。

2.2.3 清槍站

TCS-Compact清槍站屬于集成型清槍站，接入焊接系統(tǒng)中，能對焊槍噴嘴內(nèi)表面進(jìn)行全方位、有效、自動清潔，有效增加焊槍的使用壽命，降低維修頻率，是機(jī)器人焊接工作站中一個重要的組成部分。清槍站由清槍單元、剪絲單元、噴防飛濺液單元組成。清槍單元的作用是，當(dāng)機(jī)器人開始焊接工作時，先移動到相應(yīng)的清槍位置，此時機(jī)器人控制系統(tǒng)輸出信號到PLC中，控制V型塊與噴嘴夾緊裝置，將焊槍和噴嘴固定住，氣動馬達(dá)驅(qū)動鉸刀通過一次往復(fù)直線運(yùn)動移動到噴嘴內(nèi)表面，清除殘留的焊接殘?jiān)?，其中使用的鉸刀需要根據(jù)噴嘴和焊槍選擇。焊槍達(dá)到指定的位置之后，剪絲單元會接收到PLC提供的信號，將剪絲前端的結(jié)球切除，并保證焊絲干伸長度一致。飛濺影響焊接效果，因此需要噴防飛濺液單元以減少焊接中飛濺的產(chǎn)生。噴防飛濺液單元內(nèi)有一個密閉油倉，在噴防飛濺信號下達(dá)時，壓縮空氣會通過真空發(fā)生器吸入放飛濺液并與之混合，均勻噴灑在噴嘴、導(dǎo)電嘴表面上，防飛濺液的噴灑劑量是可調(diào)的，更加環(huán)保和衛(wèi)生。此清槍站的優(yōu)點(diǎn)是可自動清槍，無需人工操作，更加安全，適合大批量連續(xù)生產(chǎn)，對齊剪絲的過程噪聲較小。

2.2.4 CMT焊接電源

傳統(tǒng)MIG/MAG焊是市面上應(yīng)用比較廣泛的焊接方式，經(jīng)濟(jì)性好，但是焊接過程的熱輸入量大，熱變形大，易產(chǎn)生飛濺，出現(xiàn)焊塌、焊漏的情況，所以選擇更為先進(jìn)的CMT焊接。CMT即Cold Metal Transfer，冷金屬過渡焊，是一種基于短路過渡的全新的焊接技術(shù)，焊接電源也使用CMT焊接電源。

CMT焊接過渡中，溶滴與工件接觸時還未與焊絲脫離，形成短路過渡，電弧熄滅。送絲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，數(shù)字化監(jiān)控器能接收短路信號并反饋到送絲機(jī)，送絲機(jī)控制焊絲停止并做回抽運(yùn)動，接收不到短路信號時，焊絲向前伸至規(guī)定長度，繼續(xù)焊接，如此往復(fù)進(jìn)行。過渡過程中，焊接電流減小至幾乎為0，熱輸入量小，呈現(xiàn)“冷—熱—冷—熱”的循環(huán)過程，可實(shí)現(xiàn)焊接過程無飛濺，不僅提高了焊接質(zhì)量，焊縫整齊美觀，無需人工補(bǔ)焊，而且使得焊接中產(chǎn)生的煙塵大大減少，減輕了對環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

2.2.5 機(jī)器人焊接工作站控制系統(tǒng)

PLC、工控機(jī)、單片機(jī)在工業(yè)控制中起關(guān)鍵作用，是實(shí)現(xiàn)控制功能的核心部件，這三種控制系統(tǒng)各有千秋，需要根據(jù)工作環(huán)境、設(shè)計(jì)的需要來選擇。西門子PLC的可靠性高、能耗低、功能完善，特別是近年來西門子PLC增強(qiáng)了通信功能，大力發(fā)展人機(jī)界面技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種控制系統(tǒng)的理想控制設(shè)備。

機(jī)器人焊接工作站配備了西門子PLC，并在左、右兩工位分別配置了一個西門子觸摸屏及操作臺，方便工件型號切換及程序調(diào)用，很好地實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器信息的有效交換。通過PLC本體集成的以太網(wǎng)口來連接支持S7協(xié)議的左右兩個觸摸屏，實(shí)現(xiàn)信息交互。觸摸屏選擇焊接產(chǎn)品類型，按下啟動鍵后，信息傳遞到PLC中，PLC控制氣缸、電機(jī)，從而控制安全門、遮光簾、風(fēng)機(jī)等設(shè)備動作，機(jī)器人控制柜接收到PLC發(fā)出的啟動信號，進(jìn)而通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制機(jī)器人、外部軸動作。整個控制系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行可靠、響應(yīng)速度快。

3 結(jié)論

機(jī)器人自動焊接工作站能提高焊接品質(zhì)，不會出現(xiàn)氣孔、裂紋、焊透等缺陷，焊縫均勻光滑、飛濺稀少，無需后續(xù)人工打磨、補(bǔ)焊，性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)自動焊接的不二選擇。

［1］張少林，景奉水，蘆虎武，等.基于智能機(jī)器人的數(shù)字化柔性汽車托架焊接工作站設(shè)計(jì)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2017（5）：32-35.

［2］任宇飛，許文清，于亮，等.L形雙回轉(zhuǎn)升降式焊接變位機(jī)［J］.工程機(jī)械，2005，36（3）：14-16.

TG439

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.072

2095－6835（2019）24－0160－02

卞星星（1986—），男，福建福州人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人自動焊接技術(shù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕