焊接機(jī)器人工作站在農(nóng)用機(jī)械上的應(yīng)用

郭林年，馬維杰，蔡永才

（阿克蘇地區(qū)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)地位不斷鞏固，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化和智能化水平逐漸提升，市場(chǎng)對(duì)農(nóng)機(jī)數(shù)量以及農(nóng)機(jī)質(zhì)量的需求進(jìn)一步增強(qiáng)。為進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，保障農(nóng)機(jī)的正常使用，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，需要采用焊接機(jī)器人工作站來(lái)改進(jìn)農(nóng)機(jī)設(shè)備的專業(yè)化和精細(xì)化程度，以確保農(nóng)機(jī)焊點(diǎn)準(zhǔn)、焊接穩(wěn)。在農(nóng)機(jī)設(shè)備生產(chǎn)中應(yīng)用焊接機(jī)器人可改善人工操作的低效率和低水平，做到標(biāo)準(zhǔn)化焊接、精準(zhǔn)化加工和集約化生產(chǎn)，提高農(nóng)機(jī)設(shè)備生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

1 焊接機(jī)器人工作站應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀

機(jī)械設(shè)備精密化程度越高對(duì)焊接加工的工藝要求也越高，但焊接加工的工作環(huán)境差，對(duì)人體健康損害大，因此焊接技工流動(dòng)性大，焊接工序缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富、焊接精細(xì)的熟練技工，影響了焊接精密性和機(jī)器穩(wěn)定性，因此焊接機(jī)器人工作站應(yīng)運(yùn)而生。1969年美國(guó)通用汽車第一次裝備點(diǎn)焊機(jī)器人，目前該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]?，F(xiàn)階段歐美發(fā)達(dá)國(guó)家焊接機(jī)器人工作站的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已較為豐富，汽車制造企業(yè)的自動(dòng)化率超過(guò)95%，機(jī)器人焊接技術(shù)從半自動(dòng)化發(fā)展為全自動(dòng)化，焊接機(jī)器人數(shù)量由單一工作發(fā)展為集群生產(chǎn)，未來(lái)還將向智能化方向發(fā)展。我國(guó)焊接機(jī)器人工作站起步時(shí)間晚但發(fā)展很快，1984年一汽集團(tuán)引入了KUKA 機(jī)器人，隨著我國(guó)汽車工業(yè)迅速發(fā)展，焊接機(jī)器人工作站正幫助汽車制造企業(yè)完成從零部件加工到整車組裝的全自動(dòng)生產(chǎn)工序[2]。播種機(jī)、旋耕機(jī)、拖拉機(jī)等農(nóng)用機(jī)械設(shè)備的使用存在季節(jié)性特點(diǎn)，農(nóng)機(jī)企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)周期往往會(huì)決定企業(yè)的利潤(rùn)，因此將焊接機(jī)器人工作站應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械機(jī)架上可充分發(fā)揮焊接機(jī)器人工作站的高效率、高速度、高精準(zhǔn)度等優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)農(nóng)用機(jī)械設(shè)備數(shù)字化、智能化和柔性化生產(chǎn)，降低人為因素對(duì)農(nóng)用機(jī)械設(shè)備的影響，滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械小型化和季節(jié)性的生產(chǎn)需求。

2 農(nóng)用機(jī)械焊接機(jī)器人工作站的組成

一般來(lái)說(shuō)，焊接機(jī)器人工作站主要由焊接機(jī)器人、編程控制系統(tǒng)、焊接電源系統(tǒng)、焊接工裝夾具和安全保護(hù)設(shè)施等5 部分構(gòu)成，農(nóng)用機(jī)械機(jī)架生產(chǎn)車間內(nèi)的焊接機(jī)器人工作站如圖1[3]，為了更好、更快地焊接農(nóng)機(jī)設(shè)備并保障操作人員的安全，焊接機(jī)器人工作站采用單機(jī)器人加雙工位的模式，可以對(duì)多種焊縫進(jìn)行自動(dòng)焊接。按照這種模式設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人工作站只需客戶提供產(chǎn)品類型、產(chǎn)品尺寸、焊接要求和焊縫區(qū)域等，操作人員可編制出科學(xué)合理的焊接工藝，通過(guò)變換變位機(jī)與焊槍的點(diǎn)位就可確保按照?qǐng)D紙要求對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行焊接，有效控制焊接變形和焊接裂紋等焊接缺陷。此外，焊接機(jī)器人使用了數(shù)字化弧焊電源，夾具設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)理論要求，再加上清槍和噴硅油等裝置的應(yīng)用，不僅可以降低操作難度和日常工作量，還可使焊接質(zhì)量和效率得到明顯提升，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)設(shè)備的柔性化生產(chǎn)和高效焊接。

圖1 焊接機(jī)器人工作站

2.1 焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人是焊接機(jī)器人工作站的關(guān)鍵設(shè)備之一，由焊接機(jī)器人本體、控制器和電機(jī)等組成，S、L、U 軸是焊接機(jī)器人的主臂部分，一般被稱為大關(guān)節(jié)，機(jī)器人本體終端由R、B、T 軸構(gòu)成，習(xí)慣稱為小關(guān)節(jié)，焊接機(jī)器人各部位及轉(zhuǎn)動(dòng)方向如圖2[4]。S 軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-180°～+180°，L 軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-90°～+160°，U 軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-180°～+190°，R 軸（旋轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-160°～+160°，B 軸（擺動(dòng)）轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-50°～+180°，T 軸（回轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-200°～+200°，容許力矩（S、L、U 軸）在2.2～9 N·m 之間，容許慣性力矩（R、B、T）為0.03～0.3 kg/m2[5]。

圖2 焊接機(jī)器人各部位及轉(zhuǎn)動(dòng)方向

對(duì)于焊接機(jī)器人本體而言，焊槍在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以必須充分考慮焊槍的安全性以及耐久性，其次焊槍在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)熱，因此也要考慮焊槍的冷卻性能，焊槍冷卻性能不好會(huì)損傷焊槍，影響焊接工作效率。此外還需考慮焊槍的角度，焊槍角度太小會(huì)造成導(dǎo)電不良，角度太大則會(huì)增大焊接阻力，為滿足農(nóng)用機(jī)械焊接要求，可以選用來(lái)自德國(guó)的TBi80W 焊槍[6]。焊接供氣系統(tǒng)需具備高穩(wěn)定性及高配比精度，否則會(huì)導(dǎo)致焊接焊縫不均勻和誤差大等問(wèn)題，推薦使用德國(guó)WITT 配比器[7]。

2.2 編程控制系統(tǒng)

焊接機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)由控制柜、專用電路和PLC控制柜組成，控制系統(tǒng)類似于機(jī)器人工作站的“大腦”，進(jìn)行焊接工作時(shí)由專業(yè)技師操作[8]。焊接機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)分為兩個(gè)層次，第一層次是生成軌跡點(diǎn)、記錄參數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)起到調(diào)整、監(jiān)視等作用；第二層次是對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位移、旋轉(zhuǎn)和速度控制等。為了減少耦合，強(qiáng)化協(xié)同運(yùn)作，焊接機(jī)器人工作站編程控制系統(tǒng)如圖3[9]。

圖3 焊接機(jī)器人工作站編程控制系統(tǒng)

2.3 焊接電源系統(tǒng)

焊接電源系統(tǒng)主要由數(shù)字焊接電源、水冷設(shè)備和送絲機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，由于焊接機(jī)器人可能面臨工作強(qiáng)度大和工作時(shí)間長(zhǎng)的情況，所以需要選擇適配的焊接電源，確保電源的穩(wěn)定連續(xù)輸出[10]。市場(chǎng)上常見的焊接電源包括逆變式、晶閘管式、脈沖或非脈沖式等，這些電源都可以適配焊接機(jī)器人，但是為了確保電流和電壓的穩(wěn)定性，最好選擇具有數(shù)字顯示、參數(shù)穩(wěn)定和重復(fù)精度高等特點(diǎn)的焊接電源，同時(shí)該電源系統(tǒng)必須能夠耐受高溫，通信速度和通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠，送絲機(jī)構(gòu)必須配備電磁閥以提高焊接的精度和質(zhì)量，建議使用逆變式電源系統(tǒng)[11]。

2.4 焊接工裝夾具

變位機(jī)和焊接夾具等構(gòu)成了焊接機(jī)器人工作站的焊接工裝夾具部分，焊接夾具與變位機(jī)之間用法蘭盤連接緊固[12]。為了進(jìn)一步增強(qiáng)焊接機(jī)器人的靈活性，焊接工裝夾具必須具備翻轉(zhuǎn)工件與旋轉(zhuǎn)工件的功能，工件可以實(shí)現(xiàn)在平面空間內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，這樣才能精準(zhǔn)固定焊接部分，方便機(jī)器人手臂以最佳焊接姿態(tài)焊接，從而確保焊接精度和效率。

2.5 安全保護(hù)設(shè)施

安全保護(hù)設(shè)施作為保護(hù)人員安全的重要裝置，需要對(duì)其進(jìn)行通盤考慮和科學(xué)設(shè)置，一旦引發(fā)安全事故，后果不堪設(shè)想。焊接機(jī)器人工作站外圍需設(shè)立安全防護(hù)圍欄，防止無(wú)關(guān)人員在焊接機(jī)器人工作站工作時(shí)闖入。操作人員工位需安裝安全圍欄，在主機(jī)位置需設(shè)立焊接工作報(bào)警燈，防止操作人員誤入焊接區(qū)域或焊接弧光損害人體健康[13]。

3 焊接機(jī)器人工作站應(yīng)用注意事項(xiàng)

焊接機(jī)器人在焊接之前需要備好農(nóng)機(jī)工件，工件一致性需要保持在±2 mm 之間，表面無(wú)污漬[14]，焊接機(jī)器人通過(guò)焊絲高壓接觸傳感系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)工件焊縫，再進(jìn)行誤差修正，確保焊接質(zhì)量可靠，經(jīng)久耐用。焊接作業(yè)方式一般包括船型焊、立焊和平焊等，其中船型焊和平焊的焊接質(zhì)量較好，再加上焊接機(jī)器人工作站配備了電弧傳感器，可以根據(jù)電流變化計(jì)算出補(bǔ)償量，焊接作業(yè)同步變化，可對(duì)熱變形和反翹等引起的焊縫偏移進(jìn)行仿形控制。焊接機(jī)器人內(nèi)置了多層焊接功能軟件，可以對(duì)焊接路徑和焊槍姿態(tài)等進(jìn)行明確和調(diào)整，進(jìn)一步提升了焊接作業(yè)的精準(zhǔn)度。此外，清槍噴硅油裝置最好安裝在相同的位置，這樣當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行焊接工作時(shí)可同時(shí)完成噴硅油和清槍，有效防止焊渣與噴嘴形成死粘連，避免焊槍焊死，簡(jiǎn)化控制程序[15]。

對(duì)于樣式簡(jiǎn)單、尺寸不大的農(nóng)機(jī)工件，用單獨(dú)的焊接機(jī)器人即可完成焊接工作，但是當(dāng)遇到作業(yè)復(fù)雜、尺寸較大的農(nóng)機(jī)工件時(shí)必須采用焊接機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)同的方式才能提高焊接質(zhì)量。變位機(jī)和機(jī)器人的有機(jī)協(xié)同可根據(jù)二者之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系擴(kuò)大焊接機(jī)器人焊接作業(yè)空間，進(jìn)而以較低的成本完成大型、復(fù)雜的焊接工作。

4 總結(jié)

在農(nóng)用機(jī)械上應(yīng)用焊接機(jī)器人工作站可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的快速生產(chǎn)和柔性生產(chǎn)，既可完成批量化的農(nóng)業(yè)機(jī)械焊接組裝工作，又可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的農(nóng)業(yè)機(jī)械焊接作業(yè)，對(duì)于農(nóng)機(jī)企業(yè)而言，焊接機(jī)器人工作站實(shí)用性強(qiáng)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，未來(lái)應(yīng)用市場(chǎng)廣闊。