金屬結(jié)構(gòu)件焊接機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)

趙明利,朱華炳,祖 磊,江 磊

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者就機(jī)器人焊接工作站進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，王浩等[1]針對(duì)鋁合金腳手架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了孔槽相結(jié)合的柔性化裝夾平臺(tái)；張?bào)K豐等[2]針對(duì)挖掘機(jī)斗桿型號(hào)大小不同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了錐形定位夾緊裝置，可以裝夾不同寬度的挖掘機(jī)斗桿；李西洋等[3]針對(duì)不同型號(hào)的播種機(jī)邊梁在結(jié)構(gòu)上的差異性，采用模塊化理念，設(shè)計(jì)了快速換裝的定位夾緊平臺(tái)；王克鴻等[4]基于機(jī)器人本體設(shè)計(jì)了螺柱焊接工作站，包含可以送進(jìn)不同長(zhǎng)度、不同直徑螺柱的送料機(jī)構(gòu)及其夾持機(jī)構(gòu)等。

為了提高焊接效率和焊接質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善工人的作業(yè)條件，本文針對(duì)待焊金屬結(jié)構(gòu)件的焊接需求，提出了一套由弧焊雙機(jī)器人、三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)、自動(dòng)化工裝夾具、全數(shù)字式焊接電源、清槍剪絲機(jī)、人機(jī)交互界面等構(gòu)成，集成了機(jī)械、電子、電氣、控制、焊接為一體的焊接自動(dòng)化工作站[1,5]。

1 焊接工作站主要機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 工作站整體布局

本文設(shè)計(jì)的工作站采用雙機(jī)雙工位的焊接模式，即采用兩套機(jī)器人配合一臺(tái)三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)進(jìn)行焊接作業(yè)。工作站主要組成部分為：安川MA1440型弧焊機(jī)器人(工作半徑為1440mm，負(fù)載6kg，配備碰撞檢測(cè)功能及始端檢出功能)、機(jī)器人安裝底座、RD500全數(shù)字式焊接電源、機(jī)器人DX200控制柜、三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)、工裝夾具、清槍剪絲機(jī)、安全護(hù)欄等。充分考慮待焊接工件品種及廠房條件，工作站整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 焊接工作站整體布局圖

焊接時(shí)首先通過(guò)人機(jī)交互界面選擇待焊接的工件型號(hào)，隨后人工將工件放置在焊接工位并進(jìn)行定位夾緊，按S2/S3工位翻轉(zhuǎn)按鈕后進(jìn)行預(yù)約，工位翻轉(zhuǎn)180°到位后，焊接機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)焊接程序，開(kāi)始焊接動(dòng)作；焊接完成后由人工按S3/S2工位翻轉(zhuǎn)按鈕后進(jìn)行預(yù)約，工位翻轉(zhuǎn)180°到位后，焊接機(jī)器人繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)焊接程序，開(kāi)始焊接動(dòng)作。

1.2 變位機(jī)及焊接工裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

本工作站設(shè)計(jì)的變位機(jī)根據(jù)工件焊縫分布在兩側(cè)、工藝要求、裝夾的效率及操作的便利性，采用三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，內(nèi)側(cè)焊接的同時(shí)，外側(cè)可裝夾工件，以達(dá)到不間斷循環(huán)作業(yè)的目的，如圖2所示。其中變位機(jī)的回轉(zhuǎn)采用可與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的交流伺服電機(jī)，減速機(jī)采用RV減速機(jī)，精度高，速度可調(diào)，和機(jī)器人協(xié)作完成焊接動(dòng)作。

圖2 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)示意圖

工裝是一種在加工過(guò)程中能準(zhǔn)確穩(wěn)定的定位及夾緊工件的工藝設(shè)備，好的工裝設(shè)計(jì)方案能提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[6]。本工作站的焊接對(duì)象為不同尺寸序列的角鋼橫梁，工件在寬度和高度方面的尺寸基本一致，長(zhǎng)度隨型號(hào)變化，其中最大的尺寸為2250mm×200mm×500mm。工裝夾具、氣缸等設(shè)備均以圖3所示的工裝桌面為安裝基礎(chǔ)，通過(guò)定位銷(xiāo)孔的不同組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸工件的裝夾，其中最大尺寸橫梁的裝夾組合示意圖如圖3所示。

圖3 最大裝夾組合方式示意圖

其中縱向?qū)π膴A具的設(shè)計(jì)采用氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、定位塊和直線導(dǎo)軌組合來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的縱向定位，如圖4所示。

圖4 縱向?qū)π膴A具設(shè)計(jì)示意圖

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用SolidWorks對(duì)工作站進(jìn)行三維建模，可以直觀的顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)意圖，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)的對(duì)其進(jìn)行修正，模型如圖5所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 工作站系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

本工作站的控制系統(tǒng)以臺(tái)達(dá)PLC為控制核心，系統(tǒng)的所有設(shè)備除機(jī)器人的運(yùn)行軌跡外，都要受到PLC的控制[7]。作業(yè)動(dòng)作主要包括氣缸夾具夾緊松開(kāi)、變位機(jī)翻轉(zhuǎn)、機(jī)器人執(zhí)行焊接動(dòng)作等，對(duì)工作站的控制主要通過(guò)人機(jī)交互界面和工位操作盒來(lái)完成，在人機(jī)交互界面上設(shè)置可以調(diào)用機(jī)器人中不同的程序，如S2工位焊接程序、S3工位焊接程序或機(jī)器人清槍剪絲程序等，從而實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作；通過(guò)工位操作盒可以控制氣缸夾具的夾緊、松開(kāi)以及變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作等。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

針對(duì)本工作站利用DOPSoft軟件對(duì)工作站操作進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，如圖7所示。首先根據(jù)本次待焊接的工件型號(hào)進(jìn)行工裝調(diào)整，由人工進(jìn)行工件上下料并通過(guò)操作工位操作盒按鈕對(duì)工件進(jìn)行定位夾緊，將機(jī)器人示教器切換到遠(yuǎn)程模式，在人機(jī)交互界面設(shè)置進(jìn)行PLC控制。

圖7 人機(jī)交互界面示意圖

人機(jī)交互界面操作流程：

(1)系統(tǒng)權(quán)限登錄，密碼********；

(2)輸入產(chǎn)品的型號(hào)并進(jìn)行確認(rèn)；

(3)加載主程序Master；

(4)開(kāi)啟伺服控制，伺服開(kāi)啟指示燈變?yōu)榫G色后啟動(dòng)機(jī)器人；

(5)在工位上點(diǎn)擊S2/S3工位翻轉(zhuǎn)按鈕，翻轉(zhuǎn)指示燈變?yōu)榫G色后進(jìn)行預(yù)約；

(6)變位機(jī)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作完成后，機(jī)器人開(kāi)始焊接作業(yè)，焊接完成后，焊接完成指示燈變?yōu)榫G色；

(7)在工位上點(diǎn)擊S3/S2工位翻轉(zhuǎn)按鈕并進(jìn)行預(yù)約，以此實(shí)現(xiàn)循環(huán)焊接。

3 焊接工作站實(shí)驗(yàn)研究

待焊工件材質(zhì)為Q235鋼，焊縫形式主要為角焊縫，其外形特征示意圖如圖8所示，要求焊接飛濺量小，焊縫成型好，焊道寬度8mm左右，高度為兩連接件中最薄者(中支柱，厚度5mm)厚度的0.8倍，即4mm，焊縫交接處銜接圓滑。

圖8 角焊縫外形特征示意圖

3.1 始端檢出實(shí)驗(yàn)

待焊接工件與示教的工件之間在一定范圍存在偏差時(shí)，為了達(dá)到良好的焊接效果，機(jī)器人的焊接軌跡需要有一個(gè)相應(yīng)的偏移量來(lái)對(duì)工件偏差進(jìn)行補(bǔ)償，因此在焊接之前對(duì)工件進(jìn)行始端檢出十分重要。始端檢出示意圖如圖9所示。具體操作步驟如下：

(1)機(jī)器人從初始點(diǎn)位置移動(dòng)至適當(dāng)空間點(diǎn)，回車(chē)插入此點(diǎn)位置，并將其作為參考點(diǎn)REFP 3(S點(diǎn))(注意：參考點(diǎn)的命名從3開(kāi)始，0、1、2均不能使用)；

(2)在S點(diǎn)處插入?yún)⒖汲绦?，手動(dòng)示教機(jī)器人沿垂直方向至距離工件1mm左右處，插入?yún)⒖汲绦?和暫停(PAUSE)指令，將光標(biāo)移至參考程序1，按住連鎖+試運(yùn)行，機(jī)器人移動(dòng)直至焊絲觸碰到工件產(chǎn)生電流回饋，機(jī)器人停止，在此處插入?yún)⒖键c(diǎn)REFP 4(P點(diǎn))；

(3)手動(dòng)示教機(jī)器人回到參考程序1位置，示教機(jī)器人沿水平方向至距離工件1mm左右處，將參考程序2位置修改至此處，將光標(biāo)移至參考程序1，按住連鎖+試運(yùn)行，機(jī)器人移動(dòng)直至焊絲觸碰到工件產(chǎn)生電流回饋，機(jī)器人停止，在此處插入?yún)⒖键c(diǎn)REFP 5(Q點(diǎn))；

(4)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)檢出程序軟件包；

(5)插入平移指令SFTON。

圖9 始端檢出示意圖

3.2 機(jī)器人程序編寫(xiě)

機(jī)器人程序編寫(xiě)主要包括主程序Master程序，機(jī)器人清槍剪絲程序GUN-CLEAR，始端檢出程序SRCH，焊接程序WORK_1、WORK_2、WORK_3等。PLC控制機(jī)器人啟動(dòng)后不斷循環(huán)Master主程序，根據(jù)輸入的工件型號(hào)選擇相對(duì)應(yīng)的焊接程序，等待S2/S3工位翻轉(zhuǎn)信號(hào)并進(jìn)行預(yù)約后調(diào)用相應(yīng)工位焊接程序。焊接動(dòng)作完成后，返回主程序等待下一個(gè)工位翻轉(zhuǎn)信號(hào)，如果沒(méi)有下一個(gè)工位翻轉(zhuǎn)信號(hào)，在主程序繼續(xù)等待；如果有下一個(gè)工位翻轉(zhuǎn)信號(hào)，則變位機(jī)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入下一個(gè)工位的焊接程序，從而提高生產(chǎn)效率[5]。

3.3 焊接實(shí)驗(yàn)

3.3.1 寬范圍參數(shù)實(shí)驗(yàn)

焊接保護(hù)氣使用的是指定的二元?dú)怏wAr82%+CO218%，氣體流量為15L/min，焊絲直徑為1.2mm，干伸長(zhǎng)為15mm，焊接速度為30cm/min，對(duì)于直徑0.5～1.6mm的焊絲進(jìn)行短路過(guò)渡焊接時(shí)，焊接電流通常小于250A。為了快速確定焊接電流、焊接電壓區(qū)間，利用正交試驗(yàn)法做了僅改變電流、電壓的實(shí)驗(yàn)，其他參數(shù)不變[8]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法基于拉丁方理論和群論，能通過(guò)代表性較強(qiáng)的少數(shù)試驗(yàn)，權(quán)衡各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，獲得了最佳參數(shù)組合[9-11]。電流選取150A、200A、250A，根據(jù)電壓(U)與電流(I)的關(guān)系式：

U=14+0.05I

(1)

因此，選取電壓為20V、22V、25V，合計(jì)九組實(shí)驗(yàn)。對(duì)每條焊縫切割截取一段，經(jīng)水砂紙粗磨，金相砂紙800#、1200#、1500#細(xì)磨后再用金剛石拋光，最后經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕，吹干，制備宏觀金相試樣，以測(cè)量熔寬C、熔高H、熔深S、熔深S1及熔深S2，寬范圍參數(shù)試驗(yàn)金相如圖10所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1所示。

圖10 寬范圍參數(shù)試驗(yàn)金相

實(shí)驗(yàn)編號(hào)電流(A)電壓(V)熔寬C(mm)熔高H(mm)熔深S(mm)熔深S1(mm)熔深S2(mm)1150206.884.521.481.901.802150227.023.781.081.181.863150257.563.541.181.121.724200207.224.621.181.681.605200227.884.021.281.102.166200258.264.361.701.442.767250208.885.522.023.462.268250229.466..401.782.762.0492502510.225.761.222.062.74

通過(guò)上述參數(shù)試驗(yàn)找到了一組相對(duì)比較符合要求的電流、電壓值：電流200A，電壓22V，這為后面的三參數(shù)正交試驗(yàn)提供了一個(gè)參數(shù)依據(jù)。

3.3.2 三參數(shù)正交試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)上述寬范圍參數(shù)試驗(yàn)分析后，決定選取三組變量：速度、電流和電壓。本次實(shí)驗(yàn)電流取200A附近的數(shù)值：195A、205A、215A；電壓取22V、23V及24V；速度取30cm/min、40cm/min和50cm/min。運(yùn)用正交試驗(yàn)法進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)，如表2所示。對(duì)每條焊縫切割截取一段，制備宏觀金相試樣，以測(cè)量熔寬C、熔高H、熔深S、熔深S1及熔深S2，三參數(shù)正交試驗(yàn)金相如圖11所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2所示。

圖11 三參數(shù)正交試驗(yàn)金相

實(shí)驗(yàn)編號(hào)電流(A)電壓(V)速度(cm/min)熔寬(mm)熔高H(mm)熔深S(mm)熔深S1(mm)熔深S2(mm)119522307.464.261.722.122.46219523406.183.161.081.401.90319524505.463.161.021.381.92420522408.824.521.381.802.16520523506.363.421.481.362.46620524308.104.021.241.782.52721522506.303.701.221.381.78821523308.524.721.321.462.02921524408.544.421.101.782.46

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)第6組實(shí)驗(yàn)和理想數(shù)據(jù)十分接近，故后面焊接參數(shù)暫用第6組參數(shù)組合方式，后期針對(duì)焊接實(shí)時(shí)效果對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。焊接工作站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況如圖12所示。

圖12 工作站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖

3.3.3 焊接效果對(duì)比分析

為了更好的反應(yīng)出本工作站設(shè)計(jì)的合理性、高效性，我們分別對(duì)邊支柱和中支柱與傳統(tǒng)手工焊接做了簡(jiǎn)單的對(duì)比。其中手工焊接效果如圖13所示，使用機(jī)器人焊接效果如圖14所示。

圖13 手工焊接效果圖

圖14 機(jī)器人焊接效果圖

通過(guò)圖13和圖14的對(duì)比，可以看出機(jī)器人焊接效果表面光潔度較好，焊縫美觀，波紋連續(xù)且過(guò)渡圓滑，焊接質(zhì)量提升顯著，可以很好的滿足橫梁的焊接工藝要求。在生產(chǎn)效率上，手工焊接一件橫梁時(shí)間約為8min，機(jī)器人焊接一件時(shí)間約為3min，生產(chǎn)效率較手工焊接提高了約167%。

4 總結(jié)

本焊接工作站采用雙弧焊機(jī)器人和三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接操作自動(dòng)化，可以節(jié)省大量的人力費(fèi)用，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地避免了焊接弧光及煙塵對(duì)人員的身體危害，生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定、迅速。得到的焊縫整潔牢固，一致性較好，很大程度上提高了焊接質(zhì)量，目前該工作站已經(jīng)投入生產(chǎn)。實(shí)踐證明，該焊接工作站具有一定的推廣價(jià)值。