10kV 常壓密封空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜柜體機(jī)器人激光焊接工藝

吳文輝

（廣東威恒輸變電工程有限公司，廣東 佛山 528000）

1 總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人激光焊接生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目的基本要求是在提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件及硬件組合實(shí)現(xiàn)多品種產(chǎn)品共線、產(chǎn)品快速換型。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，生產(chǎn)線總體布局應(yīng)貫穿精益生產(chǎn)的思維模式，實(shí)現(xiàn)物流合理、快捷。信息化系統(tǒng)應(yīng)貫穿于生產(chǎn)線的各個(gè)工位，可實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳遞、儲(chǔ)存和動(dòng)態(tài)管理，開(kāi)放數(shù)據(jù)接口配合招標(biāo)人實(shí)施相關(guān)的信息系統(tǒng)（包括但不限于ERP、工廠級(jí)MES 及WMS 等系統(tǒng)）無(wú)縫對(duì)接[1]。

本生產(chǎn)線具有一定的柔性，滿足多種產(chǎn)品兼容性生產(chǎn)，工裝夾具設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮自動(dòng)調(diào)整。生產(chǎn)線的設(shè)備、工裝、工具配置高起點(diǎn)，滿足國(guó)家相關(guān)的安全、環(huán)保等生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1 系統(tǒng)整體布局

半封閉氣箱激光焊接生產(chǎn)線（簡(jiǎn)稱“半封閉氣箱焊接”）設(shè)置箱體點(diǎn)拼系統(tǒng)，機(jī)器人螺柱焊接系統(tǒng)，機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，物料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及人工打磨/補(bǔ)焊系統(tǒng)，并配備機(jī)器人輸送系統(tǒng)完成物料之間的流轉(zhuǎn)。產(chǎn)品從鈑金件到半封閉焊成品統(tǒng)一設(shè)計(jì)，采用自動(dòng)化生產(chǎn)水平，實(shí)施交鑰匙工程[2]。半封閉焊生產(chǎn)線設(shè)置在氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜總裝線前端，完成半封閉氣箱焊接作業(yè)后與氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜總裝線對(duì)接。

生產(chǎn)線包含板材上料工位，側(cè)板拼裝工位，箱體點(diǎn)拼工位，機(jī)器人螺柱焊接系統(tǒng)，機(jī)器人氣箱激光焊接系統(tǒng)，人工打磨/補(bǔ)焊工位，工位間物料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)，MES 系統(tǒng)及接口，監(jiān)控系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，安全防護(hù)系統(tǒng)等[3]。

1.2 詳細(xì)工作流程

半封閉氣箱激光焊接生產(chǎn)線規(guī)劃2～3 位工作人員，單間隔氣箱2 人，1 位負(fù)責(zé)箱體的燒角，小件焊接和打磨；1 位負(fù)責(zé)氣箱的點(diǎn)拼工作及加強(qiáng)筋拼裝。多間隔氣箱需要2～3 人。詳細(xì)工作流程如下。

（1）AGV 小車（或人工）把裝載待焊接內(nèi)部螺柱的工件送到指定位置，同時(shí)把其他需焊接板送到其他指定料臺(tái)上。

（2）搬運(yùn)機(jī)器人抓取待焊接內(nèi)部螺柱的工件放在內(nèi)部螺柱焊接工位的工裝上，工裝自動(dòng)定位夾緊。螺柱焊接機(jī)器人開(kāi)始在該工位焊接工件的內(nèi)部螺柱。內(nèi)螺柱焊接完成后，搬運(yùn)機(jī)器人抓取焊接好的工件放到傳送帶上，傳送帶把工件送到人工點(diǎn)拼工位附近，等待人工取件。

（3）人工在側(cè)板拼裝工位把側(cè)板和加強(qiáng)筋拼裝完成（無(wú)須點(diǎn)拼），通過(guò)滑臺(tái)把側(cè)板送到側(cè)板焊接工位，等待機(jī)器人焊接。側(cè)板焊接完成后，通過(guò)滑臺(tái)把側(cè)板送到人工操作區(qū)域。

（4）人工從傳送帶和料臺(tái)上拿取物料，在箱體點(diǎn)拼工位開(kāi)始點(diǎn)拼箱體。點(diǎn)拼完成后，通過(guò)滑臺(tái)傳送到機(jī)器人工作區(qū)域等待機(jī)器人搬運(yùn)。

（5）搬運(yùn)機(jī)器人從點(diǎn)拼臺(tái)上抓取點(diǎn)拼好的氣箱放在氣箱激光焊接工位上，工裝定位夾緊。焊接機(jī)器人在該工位滿焊氣箱。

（6）氣箱焊接完成后，搬運(yùn)機(jī)器人抓取焊接好的氣箱放置在外螺柱焊接工位的工裝上，工裝定位夾緊。螺柱焊接機(jī)器人在該工位焊接氣箱外表面螺柱[4]。

（7）外表面螺柱焊接完成后，搬運(yùn)機(jī)器人抓取焊接完成的氣箱放在補(bǔ)焊打磨臺(tái)上。工作臺(tái)隨著滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到人工工作區(qū)域，人工開(kāi)始打磨氣箱，并焊接部分小件及氣箱燒角；完成后通過(guò)滑臺(tái)傳送到機(jī)器人工作區(qū)域等待機(jī)器人搬運(yùn)。

（8）搬運(yùn)機(jī)器人抓取打磨好的氣箱放在RGV 下料臺(tái)上；RGV 把氣箱送到裝配線體處和生產(chǎn)線對(duì)接。

依次重復(fù)上述步驟進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)。

1.3 機(jī)器人螺柱焊接系統(tǒng)設(shè)備

1.3.1 焊接機(jī)器人

螺柱焊機(jī)器人功能是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)、外螺柱焊接功能。

機(jī)器人末端法蘭裝載螺柱焊槍和視覺(jué)定位系統(tǒng)，先通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)箱體的特性進(jìn)行拍照定位，計(jì)算出打螺釘?shù)奈恢茫缓髾C(jī)器人和螺柱焊系統(tǒng)通信，螺柱焊機(jī)系統(tǒng)接收到指令后送出螺柱，并進(jìn)行焊接[5]。

螺柱焊接機(jī)器人采用KUKAKR20R1810-2，配3個(gè)外部軸，同時(shí)為該款機(jī)器人配置有專用焊接軟件包及與其他焊接設(shè)備通信用的控制卡以及通信軟件包等輔助設(shè)備或程序，針對(duì)不同規(guī)格的氣箱可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編程。

1.3.2 焊接機(jī)器人導(dǎo)軌

機(jī)器人安裝在機(jī)器人導(dǎo)軌上，機(jī)器人可以在導(dǎo)軌上行走以加大機(jī)器人工作范圍；導(dǎo)軌伺服電機(jī)作為機(jī)器人外部軸由機(jī)器人控制，可以和機(jī)器人協(xié)同工作。

1.3.3 單軸變位機(jī)

變位機(jī)帶著工裝和產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)，變換位置，可對(duì)箱體的4 個(gè)面進(jìn)行焊接。變位機(jī)伺服電機(jī)作為機(jī)器人外部軸由機(jī)器人控制，可以和機(jī)器人協(xié)同工作。

1.4 機(jī)器人氣箱激光焊接系統(tǒng)

1.4.1 激光焊接機(jī)器人

激光焊接機(jī)器人功能包括散件激光焊接和箱體激光焊接。

激光焊機(jī)器人裝載激光焊接頭和激光視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)，在焊接的過(guò)程中通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)焊縫位置的精確定位，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行激光焊接。

激光焊接機(jī)器人采用KUKAKR70R2100HA，配3 個(gè)外部軸。同時(shí)為該款機(jī)器人配置有專用焊接軟件包及與其他焊接設(shè)備通信用的控制卡以及通信軟件包等輔助設(shè)備或程序，針對(duì)不同規(guī)格的氣箱可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編程。

1.4.2 激光焊接機(jī)器人導(dǎo)軌

機(jī)器人安裝在機(jī)器人導(dǎo)軌上，機(jī)器人可以在導(dǎo)軌上行走以加大機(jī)器人工作范圍；導(dǎo)軌伺服電機(jī)作為機(jī)器人外部軸由機(jī)器人控制，可以和機(jī)器人協(xié)同工作。

1.4.3 激光焊接系統(tǒng)

激光焊接系統(tǒng)包含激光發(fā)生器、光纖、焊接頭、冷卻系統(tǒng)等附件。

激光焊接系統(tǒng)功能是通過(guò)激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)光纖以及光學(xué)系統(tǒng)聚焦到激光焊接頭，產(chǎn)生激光，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的焊接[6]。

2 機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)方案實(shí)施

2.1 PLC 電氣控制系統(tǒng)方案說(shuō)明

2.1.1 PLC 控制器

該P(yáng)LC 系統(tǒng)的CPU 采用西門子CPU 1516-3 PN/DP 作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，和三臺(tái)機(jī)器人及4 套焊接夾具及現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程站通過(guò)PROFINET 通信。構(gòu)成一整套完善的分布式控制系統(tǒng)。

其中CPU 1516-3 PN/DP 作為主站，遠(yuǎn)程站的ET200S 或工裝夾具上的閥島及KUKA 的控制柜KRC4作為從站通過(guò)PROFINET 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信；同時(shí)激光焊機(jī)器人也可以作為主站和作為從站的激光焊機(jī)通過(guò)PROFINET 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信；螺柱焊機(jī)器人利用EtherCatI/O 和螺柱焊機(jī)進(jìn)行通信，搬運(yùn)機(jī)器人通過(guò)EtherCatI/O 直接控制抓手[7]。

現(xiàn)場(chǎng)夾具的電磁閥和傳感器等接入帶PROFINET總線功能的閥島，過(guò)PROFINET 總線和CPU 1516-3 PN/DP 進(jìn)行通信，從而可使PLC 自由的控制夾具的自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉。

現(xiàn)場(chǎng)工位的其他信號(hào)，如三色燈，卷簾門控制，現(xiàn)場(chǎng)操作和按鈕等接入現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程站ET200SP 模塊，過(guò)PROFINET 總線和CPU 1516-3 PN/DP 進(jìn)行通信，從而可使PLC 自由的控制和采集信號(hào)。

CPU 1516-3 PN/DP 和KX-MES 管理系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP 進(jìn)行通信，傳遞數(shù)據(jù)。

整個(gè)PLC 系統(tǒng)可以預(yù)留和其他的設(shè)備通信的接口。以方便交換信息[8]。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)主操作盤

本系統(tǒng)主操作盤包括觸摸屏TP1200、手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇開(kāi)關(guān)、機(jī)器人系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕、報(bào)警復(fù)位按鈕、暫停按鈕、急停按鈕等。

觸摸屏用于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。具體為：機(jī)器人程序執(zhí)行狀態(tài)、操作循環(huán)狀態(tài)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)狀態(tài)顯示、壓縮空氣狀態(tài)顯示、焊接夾具的工作狀態(tài)和顯示，復(fù)位、急停按扭的顯示、安全門開(kāi)啟狀態(tài)顯示及整個(gè)系統(tǒng)的故障顯示及復(fù)位等。

2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)操作盒

在每個(gè)工位的附近配置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作盒，配置有雙手啟動(dòng)按鈕，夾具夾緊和釋放按鈕以及急停和復(fù)位按鈕。

該操作盤用于工件裝夾完畢的確認(rèn)啟動(dòng)，故障復(fù)位，異常狀況的緊急停止等。

2.1.4 控制柜和低壓電氣

控制柜采用威圖標(biāo)準(zhǔn)的控制柜，為組合式，立柱為九折型材，并配備安裝，文件袋，調(diào)試桌，燈照明系統(tǒng)，均從底部出線，防護(hù)等級(jí)為IP54。

低壓電氣均采用施耐德品牌，斷路器為塑殼式，三級(jí)，主斷路器帶手柄外置。按鈕為金屬外殼式，平頭，觸點(diǎn)可獨(dú)立安裝[9]。

2.1.5 電纜

移動(dòng)部分電纜如拖鏈和機(jī)器人上的活動(dòng)部分電纜采德國(guó)和柔或者蘭譜品牌的高柔電纜。

動(dòng)力電纜絕緣為熱縮性聚合物，導(dǎo)體為6 類標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體，保護(hù)套為熱塑性聚合物，額定電壓3.6/1000V。

控制電纜絕緣為絕緣耐溫90℃材料，導(dǎo)體為5 類標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體，保護(hù)套為耐磨TPU 材料繞包帶，額定電壓0.6/1000V。

2.1.6 激光焊機(jī)控制系統(tǒng)

機(jī)器人通過(guò)PROFINET 主站和通快激光焊機(jī)進(jìn)行通信和信號(hào)交換，用于調(diào)用和觸發(fā)存儲(chǔ)在焊機(jī)里的不同焊接文件，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。為該機(jī)器人配備的ServoRobot 激光跟蹤系統(tǒng)通過(guò)KLI 接口和機(jī)器人進(jìn)行通信，用于實(shí)時(shí)校正機(jī)器人的焊接軌跡。

2.1.7 螺柱焊機(jī)控制系統(tǒng)

機(jī)器人通過(guò)EtherCat 主站來(lái)控制螺柱焊機(jī)，來(lái)進(jìn)行螺柱的焊接。為該工位配備的視覺(jué)相機(jī)系統(tǒng)直接和PLC 通過(guò)TCP/IP 傳遞采集到的數(shù)據(jù)，再通過(guò)PLC 傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)采集到的視覺(jué)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的軌跡調(diào)整。

2.1.8 安全防護(hù)裝置及附屬設(shè)備

在現(xiàn)場(chǎng)操作盒上配有急停按鈕，便于緊急情況下可以按下急停按鈕來(lái)停止設(shè)備的運(yùn)行。

在現(xiàn)場(chǎng)裝卸件位置配安全光柵，當(dāng)人處于安全光柵的區(qū)域，滑臺(tái)無(wú)法運(yùn)行，保護(hù)人在裝卸件時(shí)候的安全；安全光柵旋轉(zhuǎn)基恩士二級(jí)防護(hù)的安全光柵，光軸間距為40mm，保護(hù)高度為1500mm，保護(hù)長(zhǎng)度（間距）為3m。

在安全門上配備電子安全鎖，人一旦闖入，系統(tǒng)立即停止，可以防止自動(dòng)運(yùn)行時(shí)人員進(jìn)入機(jī)器人的工作區(qū)域；安全門鎖選用安士能品牌的NZ1VZ 系列安全電子鎖，該電子鎖符合EN50041 標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)等級(jí)為IP67，帶有2 個(gè)回路4 副常閉觸點(diǎn)，一個(gè)回路的常開(kāi)觸點(diǎn)，同時(shí)帶有手柄鎖定功能。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)配備海康威視的攝像系統(tǒng)，在每個(gè)焊接房?jī)?nèi)配有兩個(gè)攝像頭，并配備硬盤錄像機(jī)，硬盤和顯示器。硬盤選擇1TB 的希捷硬盤，顯示器采用戴爾品牌，70 寸。各個(gè)機(jī)器人工作狀況可以分屏顯示或全屏顯示[10]。

2.3 上位機(jī)系統(tǒng)（KX-MES 系統(tǒng)）

本系統(tǒng)配備一個(gè)工控機(jī)作為整條線的上位機(jī)系統(tǒng)，該上位機(jī)系統(tǒng)和PLC 通過(guò)以太網(wǎng)的連接，將各位工位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如產(chǎn)量等進(jìn)行采集和整理，顯示，并對(duì)耗材等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，并通過(guò)以太網(wǎng)和工廠MES 系統(tǒng)連接，通過(guò)MES 系統(tǒng)下單生產(chǎn)，同時(shí)也可給工廠MES 系統(tǒng)所需要的必要的信息。

MES 系統(tǒng)包含系統(tǒng)管理、工廠技術(shù)數(shù)據(jù)管理、物料基礎(chǔ)信息、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)接口等模塊。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)器人激光焊接工藝的有效應(yīng)用，能夠在加強(qiáng)柜箱體焊接質(zhì)量的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)塑密封件焊接熱損壞、氣箱上橡等現(xiàn)象的有效預(yù)防，并實(shí)現(xiàn)將成本控制在預(yù)期范圍內(nèi)。鑒于此，需在明確10kV 常壓密封空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜焊接要求的基礎(chǔ)上，積極利用機(jī)器人激光焊接工藝來(lái)提升環(huán)網(wǎng)柜焊接水平，繼而為電力系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。