智能化焊接機(jī)器人工作站在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

范 苛，邢 煒，魏子海，王升正

（中國(guó)電建集團(tuán)透平科技有限公司，四川 成都 610045）

1 引言

智能化焊接機(jī)器人工作站是一種具備較高自動(dòng)化程度的焊接設(shè)施，繁瑣重復(fù)的人工焊接作業(yè)正在被機(jī)器人手臂逐漸的代替，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必定是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨向，其不單具備了自動(dòng)尋位、自動(dòng)焊接、自動(dòng)清槍等功能，同時(shí)也是提升焊接質(zhì)量、改善人員工作環(huán)境的一個(gè)重要手段。

機(jī)器人焊接作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，已經(jīng)在我國(guó)許多工廠廣泛使用，我公司動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)葉輪的關(guān)鍵部位焊接主要包括組合式鋼葉片的焊接及外環(huán)的焊接，兩者目前均為人工手工焊接。焊接加工屬于工作環(huán)境差、對(duì)人體傷害較大的加工手段，焊接人員流動(dòng)性大，同時(shí)關(guān)鍵部位焊接對(duì)焊工水平要求較高。和越來(lái)越多的企業(yè)一樣，我公司首選智能化焊接機(jī)器人工作站作為本次技術(shù)改造的方案，隨著智能化焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中的使用，上面遇到的那些難題都將迎刃而解。

2 智能化焊接機(jī)器人工作站組成

智能化焊接機(jī)器人工作站是一臺(tái)用于組合式鋼葉片與外環(huán)組件焊縫焊接的柔性設(shè)備，該機(jī)器人工作站采用倒裝式機(jī)單器人加雙工位方式，機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件多種焊縫的自動(dòng)焊接。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的工件圖樣及相關(guān)資料，結(jié)合產(chǎn)品類(lèi)型、尺寸及焊縫空間分布情況，編制合理的工藝流程，設(shè)計(jì)焊接變位機(jī)、機(jī)器人焊接工作站及整體布局，確保焊接工藝流程正確，保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量達(dá)到圖樣的要求，并盡量控制焊接變形，使產(chǎn)品的尺寸準(zhǔn)確度達(dá)到圖樣的要求，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字化弧焊電源焊接，能夠大幅提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。具有符合人機(jī)工程的夾具設(shè)計(jì)使操作者操作便捷、省力，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。定位系統(tǒng)元件可方便、精確進(jìn)行調(diào)整的夾具設(shè)計(jì)使其能夠保持在高準(zhǔn)確度，確保工件高質(zhì)量。系統(tǒng)配有清槍、噴硅油裝置，能夠減少操作者日常維護(hù)量，使系統(tǒng)有更高的運(yùn)行效率。主要由以下5部分組成，工作站如圖1所示。

圖1 焊接機(jī)器人工作站示意圖

2.1 焊接機(jī)器人本體

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置采用機(jī)器人外部軸驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于將機(jī)器人本體六軸擴(kuò)展為七軸，可與外部軸變位機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)焊接。機(jī)器人防護(hù)等級(jí)IP65，重復(fù)準(zhǔn)確度±0.05 mm，手部最大負(fù)載不小于20 kg，具有自動(dòng)化程度高、操作方便、柔性化好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、到位準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。焊接機(jī)器人本體如圖2所示。

圖2 焊接機(jī)器人本體示意圖

六軸機(jī)器人系統(tǒng)控制軸最大動(dòng)作速度不小于：A1軸旋轉(zhuǎn)155°/s，A2軸旋轉(zhuǎn)155°/s，A3軸旋轉(zhuǎn)155°/s，A4軸手臂旋轉(zhuǎn)300°/s，A5軸手腕旋轉(zhuǎn)300°/s，A6軸手腕旋轉(zhuǎn)600°/s。

最大動(dòng)作范圍：A1軸旋轉(zhuǎn)-185°至+185°，A2軸旋轉(zhuǎn)-135°至+35°，A3軸旋轉(zhuǎn)-130°至+154°，A4軸手臂旋轉(zhuǎn)-350°至+350°，A5軸手腕旋轉(zhuǎn)-130°至+130°，A6軸手腕旋轉(zhuǎn)-360°至+360°。

2.2 可編程控制器為核心的控制系統(tǒng)

控制機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵組成包括計(jì)算機(jī)設(shè)備硬件、系統(tǒng)軟件和一些專(zhuān)用工作電路，擔(dān)負(fù)起處理機(jī)器人工作過(guò)程中全部的信息數(shù)據(jù)和控制其全部運(yùn)行動(dòng)作。機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)采用的是以日本三菱可編程控制器為核心的控制系統(tǒng)，主要由主控制箱、主操作盤(pán)、副操作盤(pán)等組成。主控制箱是控制的中心，由PLC對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，主要完成對(duì)機(jī)器人、工作站、操作盤(pán)、外部軸的協(xié)調(diào)控制。副操作盤(pán)由人機(jī)界面完成系統(tǒng)的設(shè)定、調(diào)整、監(jiān)視等功能。主操作盤(pán)可以完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、預(yù)約、停止等操作。

2.3 焊接電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括了數(shù)字焊接電源、雙驅(qū)雙從方式兩點(diǎn)送絲機(jī)構(gòu)、機(jī)器人專(zhuān)用氣缸壓緊式焊槍、水冷設(shè)備、機(jī)器人示教器等。先進(jìn)的數(shù)字焊接電源保證了通信通暢最大化，性能優(yōu)異的送絲機(jī)構(gòu)及焊槍保證了送絲時(shí)的傳感準(zhǔn)確度及穩(wěn)定順暢，焊接時(shí)與工作站各個(gè)系統(tǒng)相聯(lián)合，最終達(dá)到效能最佳的整體優(yōu)勢(shì)。

2.4 機(jī)器人專(zhuān)用焊接傳感器及工作站安全保護(hù)設(shè)施

包括接觸傳感器、電弧傳感器、焊槍清槍站、防碰撞裝置和區(qū)域安全圍欄等。工作站的工作區(qū)域設(shè)置一個(gè)半封閉式安全圍欄，以免操作者在機(jī)器人工作時(shí)誤入焊接區(qū)域，造成安全事故以及防止焊接弧光對(duì)其他區(qū)域的影響。安全圍欄骨架采用型材拼焊，加裝亞克力板方式設(shè)置，具有美觀大方，牢固可靠等優(yōu)點(diǎn)。安全圍欄在設(shè)備操作位處為可打開(kāi)式防護(hù)門(mén)，其余位置封閉。主機(jī)上設(shè)置有三色報(bào)警燈，綠色為正常工作、黃色為待料、紅色為設(shè)備故障，設(shè)備狀況一目了然，方便車(chē)間管理。

2.5 焊接工裝夾具

包括焊接變位機(jī)、焊接夾具等。機(jī)器人系統(tǒng)工作站的單軸單持變位機(jī)用于夾具回轉(zhuǎn)變換位置，該單元包括變位機(jī)與工裝夾具。夾具與變位機(jī)端的法蘭盤(pán)連接緊固，通過(guò)變位機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)變位。夾具回轉(zhuǎn)變位主要是利用系統(tǒng)的外部軸變位機(jī)，由機(jī)器人外部控制系統(tǒng)進(jìn)行精密控制，利用變位機(jī)實(shí)現(xiàn)將工件焊接的位置轉(zhuǎn)到最合適的操作空間，再由機(jī)器人手臂操控焊槍以最佳的焊接姿態(tài)進(jìn)行焊接。

組合式鋼葉片工裝夾具如圖3所示。外環(huán)組件工裝夾具如圖4所示。

圖3 組合式鋼葉片工裝示意圖（夾具A）

圖4 外環(huán)組件工裝示意圖（夾具B）

3 焊接機(jī)器人工作站的運(yùn)行

工作站的機(jī)器人配置了焊絲高壓接觸傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在被焊工件之間加高壓，通過(guò)檢測(cè)通電來(lái)檢測(cè)工件焊縫起始點(diǎn)位置，再進(jìn)行誤差修正，焊接中使用該功能工件位置誤差可不受影響。焊前狀態(tài)要求工件一致性在±2 mm內(nèi)，表面無(wú)油污、氧化皮等殘留；焊絲規(guī)格：1.2 mm/1.0 mm，包裝規(guī)格：桶裝焊絲/盤(pán)裝焊絲。

適用于該焊接機(jī)機(jī)器人工作站的焊接方法主要有熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。藥芯焊絲經(jīng)試用后發(fā)現(xiàn)因焊接時(shí)飛濺較大，容易堵塞焊槍管，無(wú)法滿(mǎn)足焊接機(jī)器人工作站的運(yùn)行需求。

本工作站采用組焊分離的模式完成焊接，工件組對(duì)完成后人工吊裝至變位機(jī)上，變位機(jī)能實(shí)現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)，使工件焊縫始終處于水平位置焊接，保證焊接質(zhì)量。同時(shí)工作站將配有電弧傳感器功能，通過(guò)檢測(cè)焊接電流的變化而跟蹤焊縫的變化，機(jī)器人自動(dòng)計(jì)算出補(bǔ)償量，對(duì)由于焊接材料的熱變形、反翹等引起的焊縫偏移進(jìn)行仿形控制。同時(shí)加入多層焊接功能的軟件，以實(shí)現(xiàn)明晰化每層的焊接條件、路徑轉(zhuǎn)換功能、焊槍姿態(tài)的調(diào)整以及線(xiàn)路等功能。清槍裝置采用了噴嘴噴射硅油，更好地到達(dá)焊槍噴嘴的內(nèi)表面，確保焊渣與噴嘴不會(huì)發(fā)生死粘連；清槍噴硅油裝置設(shè)計(jì)在同一位置，機(jī)器人只要一個(gè)動(dòng)作就可以完成噴硅油和清槍的過(guò)程；在控制上清槍噴硅油裝置、剪絲裝置僅需要一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，就可以按照規(guī)定好的動(dòng)作順序啟動(dòng)，簡(jiǎn)化了電氣控制。

操作者在第一裝卸位置，將需點(diǎn)定好的工件裝在夾具A上。操作者退出并按啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人開(kāi)始焊接。在機(jī)器人焊接的同時(shí)，操作者在第二裝卸位置將另一套的零件安裝在夾具B上。操作者退出并按啟動(dòng)按鈕，只要機(jī)器人完成夾具A工件的焊接，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到B夾具焊接位置進(jìn)行焊接。與此同時(shí)操作者在夾具A位置將焊好的工件卸下，將新的零件裝夾在夾具上。裝夾完成后再按預(yù)約啟動(dòng)鈕，最終完成重復(fù)焊接工作。

4 焊接機(jī)器人工作站的特點(diǎn)

1）機(jī)器人焊接程序設(shè)定后，完善的接觸式傳感器功能，正確檢驗(yàn)工件的誤差，能夠自動(dòng)矯正焊縫偏移的電弧傳感功能使焊接過(guò)程保持穩(wěn)定。設(shè)定好的焊接參數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中將不會(huì)受外界因素的影響，所以同批工件焊接過(guò)程基本上是不變的，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接質(zhì)量的提升，得到均勻、漂亮的焊縫。同時(shí)操作人員能遠(yuǎn)離噪音或高溫區(qū)進(jìn)行行業(yè)，改善操作人員的工作環(huán)境。

2）焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)擁有多層多道焊接功能，焊接條件具有重復(fù)性，可以詳細(xì)設(shè)定各焊道的條件；也具有各種復(fù)查功能，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人焊接工作。不管什么時(shí)候，只要能調(diào)用出正確的焊接程序，即便是新手也能正確的操作工作站焊出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能化焊接機(jī)器人工作站在制造車(chē)間的使用能夠?qū)崿F(xiàn)柔性化的生產(chǎn)模式，在更換焊接變位機(jī)或焊接工裝夾具后，以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接。同時(shí)可滿(mǎn)足批量化產(chǎn)品的焊接組裝生產(chǎn)，也實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的零星試制以及完成小批量產(chǎn)品的自動(dòng)焊接生產(chǎn)。智能化生產(chǎn)車(chē)間能夠有效保證產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量的穩(wěn)定，降低生產(chǎn)成本，能縮短生產(chǎn)節(jié)拍，降低一線(xiàn)員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以顯著提升焊接工作效率，直接提升了產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

自動(dòng)化焊接設(shè)備現(xiàn)如今所能夠完成的功能，在機(jī)械制造領(lǐng)域中依然具備著繼續(xù)深入的條件，智能化焊接機(jī)器人工作站取代重復(fù)勞動(dòng)力生產(chǎn)必將會(huì)是制造企業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要方向。

目前，公司已應(yīng)用焊接機(jī)器人生產(chǎn)一年多年時(shí)間，智能化焊接機(jī)器人工作站實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)組合、不同型號(hào)、不同結(jié)構(gòu)形式的組合式鋼葉片與外環(huán)組件的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，適應(yīng)碳鋼、低合金鋼種類(lèi)的焊絲。與人工焊接相比，節(jié)省很多的時(shí)間與精力，降低了生產(chǎn)成本,提高了效率與準(zhǔn)確度，焊接合格率超過(guò)了99%。相信隨著自動(dòng)化焊接技術(shù)的升級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效益的工廠智能化升級(jí)改造。智能化焊接機(jī)器人工作站如圖5所示。

圖5 智能化焊接機(jī)器人工作站