基于焊接機(jī)器人的生產(chǎn)線實(shí)踐

浦建峰

（嘉興技師學(xué)院，浙江嘉興 314036）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線中的應(yīng)用愈加廣泛，尤其在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，應(yīng)用各類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，提升了產(chǎn)品的統(tǒng)一質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，并有效節(jié)約了人力成本。在工業(yè)機(jī)器人從事搬運(yùn)工作時(shí)，可以有效降低人工搬運(yùn)帶來(lái)的各類(lèi)危險(xiǎn)隱患；在工業(yè)機(jī)器人從事焊接工作時(shí)，可以有效減少焊接過(guò)程對(duì)人體帶來(lái)的健康影響，并且焊接機(jī)器人一旦調(diào)試完成，可在一定時(shí)間內(nèi)保持統(tǒng)一的焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，大大提升了焊接產(chǎn)品的成品率與合格率[1-3]。本文闡述了生產(chǎn)線優(yōu)化與改造的方案設(shè)計(jì)和過(guò)程，重點(diǎn)描述了焊接工業(yè)機(jī)器人對(duì)工件的焊接程序設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到預(yù)期的焊接質(zhì)量。

1 原焊接生產(chǎn)線的生產(chǎn)過(guò)程

通過(guò)進(jìn)行改造的原焊接生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)一種用于某中型機(jī)械設(shè)備中的零件，如圖1 所示為該零部件的示意圖，左圖為焊接完成的工件整體部分，右圖為焊接完成工件的俯視圖。該零件由兩部分組成，上部分的圓柱體鋼料，該部分鋼料是在前一級(jí)生產(chǎn)線中完成組裝后的產(chǎn)物；下半部分是一個(gè)矩形鋼板。焊接操作要求將二者的接觸處進(jìn)行完全焊接，由圖可見(jiàn)，焊縫是一個(gè)正圓的形狀。

圖1 應(yīng)用于某中型機(jī)械設(shè)備的零件

原生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程是：通過(guò)傳送帶，將前一級(jí)生產(chǎn)線組裝完成的圓柱形鋼料運(yùn)送至焊接準(zhǔn)備工位區(qū)域，然后由2 名搬運(yùn)工人將該圓柱體鋼料取出，運(yùn)送至焊接操作區(qū)，將圓柱體鋼料放置在預(yù)先準(zhǔn)備好的矩形鋼板之上，并校對(duì)位置后，再由1 名焊接工人完成工件與鋼板的焊接。當(dāng)焊接完成并冷卻后，再由2 名搬運(yùn)工人將焊接完成的零件整體，搬運(yùn)回傳送帶之上，運(yùn)送至下一生產(chǎn)單元進(jìn)行噴漆處理、驗(yàn)收和包裝等后續(xù)操作。

原生產(chǎn)線在使用過(guò)程中，需要至少3 人進(jìn)行輔助生產(chǎn)，即便是采用了傳送帶運(yùn)輸這樣的自動(dòng)化手段，但是在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中使用的時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，且工件重量較大，需要2 人同時(shí)搬運(yùn)。在以往的搬運(yùn)過(guò)程中，也出現(xiàn)過(guò)物料摔在地上，對(duì)搬運(yùn)人員造成傷害的案例。而在焊接過(guò)程中，由于生產(chǎn)線各工位較為集中，焊接操作的空間較小，導(dǎo)致焊接過(guò)程中焊接工位溫度較高，焊接時(shí)始終對(duì)焊接師傅的人體造成一定危害。因此，針對(duì)原生產(chǎn)線的改造勢(shì)在必行。

2 生產(chǎn)線整體優(yōu)化方案

2.1 機(jī)器換人

根據(jù)生產(chǎn)線優(yōu)化的目標(biāo)，確定本設(shè)計(jì)中，將2 個(gè)人工搬運(yùn)的工位采用ABB 品牌的IRB-1200-7 型號(hào)工業(yè)機(jī)器人替代，工業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)工具選用氣動(dòng)式手爪，以滿足本生產(chǎn)線的物料抓取搬運(yùn)的要求；將1 個(gè)人工焊接的工位采用ABB 品牌的IRB-1410 型號(hào)焊接機(jī)器人替代，工業(yè)機(jī)器人的焊接工具選用相應(yīng)的焊槍和焊機(jī)，配以焊料自動(dòng)化投放系統(tǒng)。

如圖2 所示為生產(chǎn)線整體優(yōu)化方案的示意圖。圖中傳送帶的作用是在圖片方向自左向右運(yùn)送零件物料和焊接成品物料。圖中的“搬運(yùn)機(jī)器人”處于傳送帶附近位置，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，確認(rèn)可以跟蹤并抓取相應(yīng)的圓柱體待焊接物料。圖中的“焊接工位”是完成圓柱體料與矩形鋼料焊接的平臺(tái)，該平臺(tái)首先通過(guò)搬運(yùn)機(jī)器人將圓柱體物料運(yùn)送至此，然后接受焊接機(jī)器人的作業(yè)。圖中“焊接機(jī)器人”是擺放IRB-1410型號(hào)焊接機(jī)器人和焊機(jī)、控制器的位置，在焊接工位物料擺放符合要求后，對(duì)物料進(jìn)行焊接操作。

圖2 生產(chǎn)線整體優(yōu)化方案示意圖

2.2 動(dòng)作過(guò)程

傳送帶的運(yùn)行、物料移動(dòng)的限位、搬運(yùn)機(jī)器人和焊接機(jī)器人的運(yùn)行，均采用西門(mén)子品牌的PLC-1200作為總控，物料移動(dòng)的各個(gè)點(diǎn)位位置、物料待焊接位置等均采用位置傳感器、光電傳感器或金屬傳感器進(jìn)行檢測(cè)。搬運(yùn)機(jī)器人和焊機(jī)機(jī)器人均有各自的機(jī)器人控制器，在整條生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)器人2 個(gè)控制器和PLC 控制器是從-主控制關(guān)系，通過(guò)相互之間的通信協(xié)議完成通信，以滿足生產(chǎn)工藝和順序的要求，從而達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)作的生產(chǎn)目的。

圖2 所示的生產(chǎn)線運(yùn)送工作流程如下：

（1）圓柱體物料從上一級(jí)生產(chǎn)工作站通過(guò)傳送帶運(yùn)送至焊接操作區(qū)，到達(dá)指定位置；

（2）搬運(yùn)機(jī)器人將到達(dá)位置的圓柱體物料進(jìn)行跟蹤抓取，抓取后將圓柱體物料移動(dòng)至焊接工位上，并向PLC 傳送指令，控制傳送臺(tái)暫停運(yùn)轉(zhuǎn)，直至焊接完成。

（3）搬運(yùn)機(jī)器人在運(yùn)送至焊接工位的指定位置后，會(huì)對(duì)工件進(jìn)行調(diào)整，以放置在矩形鋼板的預(yù)焊接位置，然后進(jìn)行焊接準(zhǔn)備，生氣焊接保護(hù)裝置版，進(jìn)入等待焊接模式。

（4）在焊接工位準(zhǔn)備完畢后，焊接工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接方式采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊接工藝的調(diào)整和焊機(jī)的設(shè)置一旦完成，一階段內(nèi)保持不變，直至焊接焊點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題后，再進(jìn)行調(diào)整。即在焊接程序中，不對(duì)焊機(jī)進(jìn)行控制和操作，焊機(jī)參數(shù)設(shè)定后，焊接時(shí)不接受工業(yè)機(jī)器人控制器的變換參數(shù)控制。

（5）圓柱體料與矩形鋼板的接觸面焊接完畢后，焊接工業(yè)機(jī)器人的控制器向搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)出指令，隨后焊接機(jī)器人恢復(fù)待焊接狀態(tài)，為下次焊接做準(zhǔn)備。搬運(yùn)機(jī)器人將焊接完畢的物料重新抓取。

（6）搬運(yùn)機(jī)器人將焊接完成的物料搬運(yùn)至傳送帶，然后通過(guò)搬運(yùn)機(jī)器人的控制器向PLC 發(fā)出通信指令，控制傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后搬運(yùn)機(jī)器人復(fù)位待命。

（7）控制傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的PLC 啟動(dòng)傳送帶，將焊接完畢的物料運(yùn)送至下一級(jí)噴涂、檢驗(yàn)等工位，隨后將下一個(gè)未焊接的圓柱體物料運(yùn)送至待搬運(yùn)位置，重復(fù)第（1）步。

3 搬運(yùn)機(jī)器人和焊接機(jī)器人的應(yīng)用

3.1 搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用程序

本應(yīng)用選用的是ABB 品牌的工業(yè)機(jī)器人，ABB工業(yè)機(jī)器人的編程形式較為簡(jiǎn)便，且可采用示教器現(xiàn)場(chǎng)編程。在搬運(yùn)物料至焊接工位區(qū)的過(guò)程中，分為以下幾個(gè)步驟：（1）搬運(yùn)機(jī)器人的工具進(jìn)行預(yù)抓取動(dòng)作的準(zhǔn)備；（2）移動(dòng)至被搬運(yùn)物料上方；（3）下降一定距離并在開(kāi)合手爪的基礎(chǔ)上，對(duì)物料進(jìn)行抓取；（4）抓取后提起物料；（5）將物料運(yùn)送至焊接工位區(qū)。

這5 步中，第（1）步采用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，第（2）、（3）、（4）步采用直線運(yùn)動(dòng)，第5 步采用大關(guān)節(jié)移動(dòng)配合直線運(yùn)動(dòng)。程序如下：

物料焊接完成后的抓取思路與上段程序思路一致，這里不再贅述。

搬運(yùn)機(jī)器人主要應(yīng)用ABB 工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和線性運(yùn)動(dòng)兩種情況，對(duì)于手爪開(kāi)合的函數(shù)要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行設(shè)定，針對(duì)對(duì)應(yīng)的I/O 口，完成編程，在每一個(gè)動(dòng)作的過(guò)程中，進(jìn)行一定的延時(shí)操作，以確保動(dòng)作到位，避免抓取失誤、運(yùn)送失誤、提前松爪。

3.2 焊接機(jī)器人應(yīng)用

根據(jù)圖1 右側(cè)的俯視圖可以看出，本設(shè)計(jì)的焊接軌跡是曲線軌跡，因此必須進(jìn)行相應(yīng)的曲線軌跡編程。在調(diào)試過(guò)程中，首先將圓柱體物料擺放至待焊接位置，即矩形鋼板上方并緊密接觸，隨后在手動(dòng)調(diào)試過(guò)程中，將焊接軌跡的正圓分為3 個(gè)弧線部分，此處不可以分為2 個(gè)圓弧，因?yàn)锳BB 工業(yè)機(jī)器人中的曲線軌跡中，雖然曲線軌跡指令的弧度最多可以達(dá)到π 即180°，但無(wú)法保證在編程時(shí)的軌跡正好達(dá)到180°，一旦第一次調(diào)試為179°，那么第二段編程軌跡將會(huì)提示出錯(cuò)；一旦第一次調(diào)試為181°，系統(tǒng)也會(huì)提示錯(cuò)誤導(dǎo)致編程和運(yùn)行失敗。因此，劃分為3 段軌跡后，便可以解決報(bào)錯(cuò)的問(wèn)題。

焊接工業(yè)機(jī)器人的工作過(guò)程是：（1）將工業(yè)機(jī)器人調(diào)整至焊接預(yù)備狀態(tài)，此處采用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式；（2）將焊機(jī)開(kāi)機(jī)并調(diào)整至待焊接狀態(tài)；（3）采用直線運(yùn)動(dòng)方式將焊槍位置調(diào)整至焊接起點(diǎn)的上方位置；（4）下降至焊接起始點(diǎn)并與焊縫接觸；（5）分別焊接3段弧線；（6）在焊接終點(diǎn)處提起焊槍；（7）關(guān)閉焊機(jī)；（8）復(fù)位至待機(jī)狀態(tài)，為下次焊接做準(zhǔn)備。具體程序如下：

此處焊接過(guò)程中，弧線焊接一定要確定關(guān)鍵的弧線點(diǎn)，尤其是起止點(diǎn)必須一致，因此程序中第三段弧線的最后一個(gè)點(diǎn)位與第一段弧線中的第一個(gè)點(diǎn)位一致，均為HQ40。此外，在焊接過(guò)程中，必須保持較慢且穩(wěn)定的速度，以保證焊接工藝效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了針對(duì)某物料焊接生產(chǎn)線的優(yōu)化改造，將由2 個(gè)搬運(yùn)工人和1 個(gè)焊接工人完成的物料搬運(yùn)、焊接工作，以1 個(gè)配備搬運(yùn)工具的IRB-1200-7 工業(yè)機(jī)器人和1 個(gè)配備焊槍和焊機(jī)的IRB-1410 工業(yè)機(jī)器人代替，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。未來(lái)，為了提高焊接和運(yùn)送效率，可以考慮在生產(chǎn)線傳送帶另一側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)1 個(gè)搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人和1 個(gè)焊接機(jī)器人，兩組工業(yè)機(jī)器人相互配合，同時(shí)焊接，可進(jìn)一步提升焊接生產(chǎn)效率。