熱水器內(nèi)膽機(jī)器人焊接方案設(shè)計(jì)

王立鋼， 何 鑫

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院， 廣東 佛山 528500）

0 引言

熱水器內(nèi)膽的組成部分主要為筒身、 左右封蓋三部分，其焊接包括筒體縱縫的焊接、左右封蓋的焊接，傳統(tǒng)人工焊接工藝流程為首先點(diǎn)焊縱縫并將兩封蓋初步點(diǎn)焊固定在筒身上，再分別對(duì)縱縫和環(huán)縫進(jìn)行焊接。人工焊接速度慢、質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率受工人的操作熟練程度影響大。

針對(duì)人工焊接的諸多弊端， 目前很多企業(yè)采用自動(dòng)化焊接設(shè)備替代人工焊接。 自動(dòng)化焊接設(shè)備一般分為焊接專機(jī)和焊接機(jī)器人兩大類，焊接專機(jī)安全性高、穩(wěn)定性好[1]；但是設(shè)備結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，研發(fā)難度較高；并且柔性較差，對(duì)于小批量多規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)適應(yīng)性較差。因此本文采用焊接機(jī)器人，方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且生產(chǎn)柔性高。

1 機(jī)器人焊接整體方案設(shè)計(jì)

熱水器內(nèi)膽的筒身以及左右封蓋見圖1， 內(nèi)膽板材為低碳鋼，所用板材的厚度為1～3mm，內(nèi)膽板材的長度為200～600mm，筒身直徑為330～390mm，要求焊接一次性完成，焊縫成形平滑，均勻，無缺陷。 在焊接工藝選擇上，為保證焊縫焊接效果，應(yīng)減少焊接熱輸入，提高焊接速度，可以有效減少熱輸入量[2]。 因此本文采用高速熔化極氣體保護(hù)焊接，可將焊接速度提高到1.5～3m/min，在大大提高生產(chǎn)效率的同時(shí)減小焊接變形，達(dá)到高質(zhì)高效的焊接要求[3]。

圖1 熱水器內(nèi)膽筒身、左右封蓋

機(jī)器人焊接整體硬件方案主要包含熱水器內(nèi)膽的裝夾機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和機(jī)器人焊接系統(tǒng)三部分。 通過以可編程控制器為核心的電控系統(tǒng)控制熱水器內(nèi)膽的裝夾機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)膽各部分進(jìn)行裝夾，形成穩(wěn)定的焊縫，繼而由機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化的焊接。

2 熱水器內(nèi)膽裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱水器內(nèi)膽屬于壓力容器，對(duì)焊接工藝要求很高，工裝夾具必須能夠使工件形成穩(wěn)定均勻的焊縫， 這樣焊接機(jī)器人才能夠穩(wěn)定焊接，從而保證產(chǎn)品的合格率。內(nèi)膽筒身以及左右兩端的封蓋為焊接的工件，整體焊接夾具布局以焊接工件為中心，裝夾機(jī)構(gòu)布置于其四周。前后夾具閉合時(shí)，能夠夾緊筒身以形成縱縫，兩側(cè)夾具閉合時(shí)，可以推動(dòng)封蓋與筒身對(duì)接，形成環(huán)縫，縱縫及環(huán)縫形成后，機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行焊接即可。 裝夾機(jī)構(gòu)的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 內(nèi)膽裝夾機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

筒身部分，因?yàn)樾枰雇采硇纬煽v縫，這部分夾具主要解決的就是筒身的對(duì)縫問題，根據(jù)筒身直徑設(shè)計(jì)了一個(gè)夾抱機(jī)構(gòu)，以步進(jìn)電缸作為動(dòng)力， 導(dǎo)軌作為導(dǎo)向，電缸同步相向運(yùn)動(dòng)夾抱筒身，同時(shí)利用筒身上的進(jìn)水口、出水口，在夾抱機(jī)構(gòu)上設(shè)置定位銷做定位，定位銷剛好插入筒身上的進(jìn)出水口， 使焊縫能夠始終保持于同一位置，焊縫形成后，機(jī)器人對(duì)焊縫進(jìn)行焊接。 筒身縱縫的夾抱機(jī)構(gòu)見圖3。

圖3 筒身縱縫的夾抱機(jī)構(gòu)

左右封蓋環(huán)縫對(duì)接方式與筒身方案類似，根據(jù)封蓋尺寸，設(shè)計(jì)了封蓋的固定裝置，安裝于筒身兩側(cè)，同樣是利用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力，以導(dǎo)軌做導(dǎo)向，推動(dòng)夾具相向同步運(yùn)動(dòng)與筒身對(duì)接形成環(huán)形焊縫。封蓋環(huán)縫的對(duì)接機(jī)構(gòu)見圖4。

圖4 封蓋環(huán)縫的對(duì)接機(jī)構(gòu)

由于焊縫為環(huán)形， 機(jī)器人手部能夠到達(dá)位置有限，焊接環(huán)縫的下方時(shí)，機(jī)器人無法到達(dá)。 為了方便焊接，此部分還設(shè)計(jì)了用于內(nèi)膽變位的機(jī)構(gòu)，利用右封蓋上安裝電熱管處的法蘭位， 變位機(jī)構(gòu)的末端設(shè)計(jì)相應(yīng)的卡扣卡住法蘭位，便可以帶動(dòng)右封蓋旋轉(zhuǎn)。當(dāng)左右封蓋對(duì)接好形成環(huán)縫后，機(jī)器人首先對(duì)環(huán)縫進(jìn)行點(diǎn)焊使端蓋與筒身固定，點(diǎn)焊完成后，筒身與左右封蓋便焊接為一整體，之后變位機(jī)構(gòu)便可以帶動(dòng)整個(gè)熱水器內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)， 機(jī)器人繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)縫的焊接。 變位機(jī)構(gòu)見圖5。

圖5 變位機(jī)構(gòu)

3 機(jī)器人焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于焊接對(duì)象熱水器內(nèi)膽為金屬薄板， 因此在焊接的過程中容易發(fā)生熱變形造成焊縫偏移。 同時(shí)由于裝夾精度的問題，也容易造成焊縫位置一致性不好的問題。因此本文針對(duì)此種問題使用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，其具有高精度、抗干擾性強(qiáng)、識(shí)別率高、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠自動(dòng)識(shí)別焊縫類型及焊縫特征，本身是一個(gè)非接觸式的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤系統(tǒng)， 能實(shí)現(xiàn)焊縫曲線的實(shí)時(shí)跟蹤并糾正工件在焊接過程中由于熱變形造成的焊縫偏移。 整個(gè)機(jī)器人焊接系統(tǒng)硬件構(gòu)成包含焊縫跟蹤系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、焊接設(shè)備等部分構(gòu)成。 機(jī)器人焊接系統(tǒng)的硬件組成框圖見圖6。

圖6 機(jī)器人焊接系統(tǒng)硬件組成

焊縫跟蹤系統(tǒng)包括激光焊縫跟蹤器控制器、 激光探頭、上位機(jī)軟件以及相關(guān)的激光光纜、數(shù)據(jù)線等構(gòu)成。 激光探頭安裝于焊槍上， 控制器通過串口控制探頭中的激光發(fā)射器發(fā)射一道線激光，線激光打在不同的焊縫上，會(huì)形成各種各樣的反射條紋，通過探頭中的相機(jī)拍照采集，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)總線傳送至控制器， 控制器對(duì)反射條紋的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 得到視野范圍內(nèi)的焊縫特征點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)信息。 控制器通過以太網(wǎng)總線與工業(yè)機(jī)器人相連，將焊縫的位置數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)器人，機(jī)器人使用預(yù)先編輯好的焊接程序， 將程序中的焊縫位置目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)替換為焊縫跟蹤系統(tǒng)控制器發(fā)送的位置數(shù)據(jù)， 便可對(duì)焊縫位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤調(diào)整。

焊接設(shè)備包括焊機(jī)、送絲機(jī)、焊槍等基本的機(jī)器人焊接設(shè)備。 本文中工業(yè)機(jī)器人采用ABB 品牌，有專門的弧焊功能包，可以通過機(jī)器人直接控制焊機(jī)，達(dá)到機(jī)器人自動(dòng)焊接的功能。 機(jī)器人通過官方的DSQC651IO 板卡與焊機(jī)相連，通過IO 板卡中的數(shù)字量輸出控制焊機(jī)的起弧、送保護(hù)氣及送焊絲， 通過IO 板卡中的數(shù)字量輸入信號(hào)獲取焊機(jī)是否起弧成功，成功后才可開始焊接。通過IO 板卡中的模擬量輸出控制焊機(jī)的電壓與電流。 機(jī)器人焊接系統(tǒng)整個(gè)控制流程為， 焊縫跟蹤系統(tǒng)將焊縫實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人通過IO 板卡控制焊機(jī)進(jìn)行自動(dòng)焊接。

4 整套設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整套設(shè)備的電控系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）作為核心控制，PLC 控制內(nèi)膽裝夾機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，由于裝夾機(jī)構(gòu)使用了4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)， 因此PLC 選型時(shí)需注意選擇支持4組或者更多高速脈沖輸出的， 以滿足多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。通過PLC 控制裝夾機(jī)構(gòu)將熱水器內(nèi)膽裝夾，形成穩(wěn)定的焊縫后， 通過以太網(wǎng)通信將物料裝夾到位的信號(hào)反饋給機(jī)器人焊接系統(tǒng)， 機(jī)器人焊接系統(tǒng)便開始進(jìn)行自動(dòng)焊接。 電控系統(tǒng)整體組成框圖見圖7。

圖7 電控系統(tǒng)整體硬件組成

整套設(shè)備的控制流程見圖8， 程序開始首先進(jìn)行夾具和機(jī)器人的初始化，夾具恢復(fù)至打開狀態(tài)，機(jī)器人回到安全位置等待，等待物料上料，內(nèi)膽各零件上料到位后按下啟動(dòng)按鈕，PLC 控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)筒身的夾抱機(jī)構(gòu)先閉合，閉合到位后PLC 通知機(jī)器人進(jìn)行縱縫的焊接，機(jī)器人焊接完成反饋縱縫焊接完成信號(hào)給PLC，PLC 繼續(xù)控制封蓋的對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行封蓋對(duì)接形成環(huán)縫， 對(duì)接到位通知機(jī)器人先將封蓋進(jìn)行點(diǎn)焊與筒身形成整體， 繼而PLC通過控制變位機(jī)構(gòu)，與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)，將環(huán)縫焊接完成。完成后打開夾具下料，一個(gè)熱水器內(nèi)膽的自動(dòng)焊接過程結(jié)束。

圖8 電控系統(tǒng)控制流程圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種熱水器內(nèi)膽機(jī)器人自動(dòng)焊接的方案，通過內(nèi)膽裝夾機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)膽各零件進(jìn)行裝夾，形成均勻穩(wěn)定的焊縫，繼而通過機(jī)器人焊接系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化焊接。機(jī)器人焊接系統(tǒng)增加了激光焊縫跟蹤設(shè)備，以此來補(bǔ)償物料與裝夾機(jī)構(gòu)定位精度導(dǎo)致的焊縫一致性不好的問題，有效提高了焊接的精度。 對(duì)于不同尺寸的內(nèi)膽，只需要更換裝夾機(jī)構(gòu)上的筒身與封蓋的固定板以及改寫PLC、機(jī)器人焊接程序便可很快速的適應(yīng)新尺寸內(nèi)膽，整套方案生產(chǎn)柔性強(qiáng)，適用于小批量多品種內(nèi)膽的焊接。