焊接機(jī)器人模塊化工裝組夾及復(fù)現(xiàn)工藝研究*

胡戰(zhàn)明 宋博宇 張學(xué)海 李學(xué)強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司；2.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035)

隨著焊接機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，對(duì)于精準(zhǔn)的裝配要求也越來越高，裝配質(zhì)量的好壞將直接影響到焊接質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量，并且焊接工藝的自動(dòng)化程度越高，對(duì)裝配的質(zhì)量要求也越高。公司現(xiàn)有焊接機(jī)器人為德國KUKA KR5 R1400懸臂焊接機(jī)器人，與焊接機(jī)器人配合的變位機(jī)裝夾平臺(tái)為德國戴美樂800mm×800mm三維柔性夾緊平臺(tái)。由于公司產(chǎn)品品種多，數(shù)量少，定做焊接工裝成本太高。針對(duì)以上原因，公司決定利用三維柔性夾緊平臺(tái)組合焊接工裝，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)焊接的需求。三維柔性平臺(tái)組合工裝、裝夾零件是一項(xiàng)比較繁瑣的工作，約占整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)制造過程總工時(shí)的30%～40%，這批次產(chǎn)品焊接完成后，換產(chǎn)后再次組合其它產(chǎn)品工裝成為難點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)效率高，復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)，需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，尋求到一種適合該焊接機(jī)器人正確的裝配方法和工藝，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短工期，降低成本。本文主要研究三維柔性夾緊平臺(tái)工裝的組夾方法及產(chǎn)品復(fù)現(xiàn)生產(chǎn)的要求，以及焊接機(jī)器人與工裝之間配合關(guān)系。

1 影響焊機(jī)機(jī)器人焊接產(chǎn)品質(zhì)量的因素

1.1 零件下料對(duì)焊接機(jī)器人裝配質(zhì)量的影響

焊接部件由很多各種零件組成，零件狀態(tài)一致性和加工方法不同(火焰切割、激光切割、機(jī)械加工、沖壓成型、水切割)都會(huì)影響裝配精度。零部件裝配時(shí)劃線裝配、工裝裝配、無基準(zhǔn)裝配都會(huì)影響裝配精度。

1.2 三維柔性平臺(tái)組夾方式對(duì)焊接機(jī)器人裝配質(zhì)量的影響

按照零件狀態(tài)隨意組夾工裝，不考慮變位機(jī)零點(diǎn)基準(zhǔn)和零件基準(zhǔn)，導(dǎo)致過定位或欠定位。零件組夾完成后，沒有明顯特征和組夾位置不合理造成下次調(diào)用程序時(shí)不能恢復(fù)原有組夾位置，無法重復(fù)焊接。

1.3 示教編程對(duì)焊接質(zhì)量的影響

焊接機(jī)器人是否和變位機(jī)都處于原始點(diǎn)，機(jī)器人各軸關(guān)節(jié)的位置和形態(tài)是否理想，MOVJ和MOVL及MOVC轉(zhuǎn)換使用是否合理。焊絲干伸長度、焊槍角度、焊接順序、焊接電流、焊接電壓、氣體流量、焊接速度都會(huì)影響焊縫質(zhì)量。

2 焊接機(jī)器人工裝組夾試驗(yàn)

在焊接機(jī)器人工裝組夾試驗(yàn)過程中，需要從實(shí)用性原則和經(jīng)濟(jì)性原則，可靠性原則方面進(jìn)行考慮。

2.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

為了實(shí)現(xiàn)裝配精度，從零件的下料環(huán)節(jié)就需要控制，盡可能采用激光切割或者沖壓成型，提高零件的精度。在零部件模塊化焊接工裝組夾時(shí)，為了提高工作效率，保證經(jīng)濟(jì)性，采用一臺(tái)變位機(jī)組合兩套焊接工裝，如圖1所示。

圖1 模塊化組夾焊接工裝

為了保證焊接機(jī)器人在示教時(shí)位置的準(zhǔn)確性，需要提前對(duì)焊接機(jī)器人和變位機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)位置標(biāo)定，同時(shí)將焊槍角度和干伸長度預(yù)先調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如圖2所示。

2.2 工裝組夾設(shè)計(jì)

按照零件結(jié)構(gòu)組合工裝，首先利用三維柔性夾緊平臺(tái)輔助直角尺定位零件基準(zhǔn)面，零件基準(zhǔn)面應(yīng)該與工件的接觸面最大，能夠消除一定的自由度。因此以變位機(jī)三維平臺(tái)零點(diǎn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，也就是變位機(jī)平臺(tái)正南方(Demmeler字體方向)為定位基準(zhǔn)，棋盤方格定位法輔助其他定位元件進(jìn)行裝配，如圖3所示。采取以下組夾步驟：

圖2 焊槍角度和焊絲干伸長度

在E3-E4工作臺(tái)表面組合工裝，以正南方為基準(zhǔn)，工作臺(tái)端面寫正南字的。

選出零件的定位基準(zhǔn)孔，采用三維柔性平臺(tái)附具帶孔直尺，從東數(shù)出第3孔第3條刻度線為基準(zhǔn)，從正南數(shù)出第4刻度線，按圖片所示固定帶局部壓緊片的直尺。

將零件推上平臺(tái)靠住直尺后用C型夾按圖上位置固定零件。

E5-E6工作臺(tái)從東數(shù)出第3孔第3條刻度線為基準(zhǔn)，從正南數(shù)出第4刻度線，按圖3所示固定帶局部壓緊片的直尺，將零件推上平臺(tái)靠住直尺后用C型夾按圖3上位置固定零件。

圖3 棋盤式工裝組夾(南4格東2格定位)

2.3 焊接機(jī)器人示教編程

零件工裝組合完成后，進(jìn)行機(jī)器人示教編程，首先調(diào)整機(jī)器人焊槍角度，創(chuàng)建程序文件名稱，打開程序并記錄該空走點(diǎn)位置，移動(dòng)焊槍到達(dá)零件上方區(qū)域設(shè)立空間點(diǎn)，例如(直線焊縫的編輯，如圖4所示)。

示教編程中，先將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，空間點(diǎn)插補(bǔ)為MOVJ，焊接中間點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)均為MOVL。

2#為空間安全點(diǎn)MOVJ非線性速度20%。3#為焊接開始點(diǎn)MOVJ非線性(添加焊接開始ARC ON )指令在命令一覽按鍵里，通過按開該鍵就會(huì)出現(xiàn)焊接，再點(diǎn)擊焊接就會(huì)出現(xiàn)焊接指令。4#為焊接結(jié)束點(diǎn)MOVL、BL=0、VBL=0(添加焊接收弧指令A(yù)RC Off)指令在命令一覽按鍵里，通過按開該鍵就會(huì)出現(xiàn)焊接，再點(diǎn)擊焊接就會(huì)出現(xiàn)焊接指令。5#為空間安全點(diǎn)MOVJ非線性速度為20%。每段焊縫都根據(jù)工藝要求設(shè)定焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、氣體流量等焊接參數(shù)(例如第15道工序，焊接電流230A，焊接電壓25V，焊接速度0.8m/min，氣體流量15L/min,干伸長度15mm，送絲速度6.7m/min)。示教編程完成后，采用手工示教運(yùn)行機(jī)器人，發(fā)現(xiàn)焊接軌跡完全正常時(shí)，將機(jī)器人打到自動(dòng)運(yùn)行模式，并將焊接開始打開，檢測氣體是否正常，全部驗(yàn)證合格后點(diǎn)擊開始鍵進(jìn)行焊接。

圖4 直線焊縫的示教編輯

所有工作完成后拍攝組夾工裝形態(tài)、位置及零件代號(hào)，制作裝配焊接工藝指導(dǎo)書，方便換產(chǎn)后再次生產(chǎn)按圖組合工裝調(diào)用焊接程序即可焊接生產(chǎn)。

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)的柔性平臺(tái)定位過程中，容易出現(xiàn)定位件位置測量不準(zhǔn)導(dǎo)致定位偏差的問題，為了解決這個(gè)問題，采用棋盤方格定位法實(shí)現(xiàn)工裝的定位和組合，按下棋推進(jìn)比較容易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和重復(fù)再現(xiàn)功能，三維柔性平臺(tái)每個(gè)網(wǎng)格線都是標(biāo)準(zhǔn)100mmx100mm的格線，利用南幾格+東幾格或南幾格+西幾格可以實(shí)現(xiàn)快速裝夾定位。

根據(jù)六點(diǎn)定位原理，將夾具定位元件轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的定位支承點(diǎn)，并以此來分析具體定位元件所限制的工件自由度。通過分析得出，按照平臺(tái)表面網(wǎng)格線推出南3刻度線或東3刻度線為零件定位基準(zhǔn)線進(jìn)行工裝組合，可以完全限制工件的6個(gè)自由度。網(wǎng)格線也可以是南2、南3南4等，配合東1、東2、東3等作為零件的基準(zhǔn)定位，配合各種直角輔具組合焊接工裝，利用壓緊裝置固定零件，也可以達(dá)到精確定位的目的。

本文通過使用棋盤方格定位法，使零件裝夾一致，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品快速換產(chǎn)和零件復(fù)現(xiàn)的工藝要求，為焊接機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支撐，同時(shí)經(jīng)過與傳統(tǒng)工裝方法對(duì)比，其工作效率提高3倍以上。工作時(shí)，只需調(diào)出原編輯的焊接程序就可實(shí)現(xiàn)快速焊接，不需要重復(fù)裝配和示教檢查，且能保證產(chǎn)品復(fù)現(xiàn)和機(jī)器人重復(fù)定位精度要求，并且柔性工裝可以適應(yīng)多種產(chǎn)品的裝焊要求，目前已經(jīng)在公司8種車型64種產(chǎn)品中推廣使用。