机器人自动焊接工作站设计与应用研究

2020-01-02卞星星

科技与创新 2019年24期

卞星星

机器人自动焊接工作站设计与应用研究

卞星星

（厦门华电开关有限公司，福建厦门 361000）

焊接是制造业中重要的一环，但其工作环境脏、劳动强度大，对操作人员的技能要求也比较高。随着中国科技的不断发展，越来越多的机器人应用于焊接行业中，既提高了工作效率，降低对操作人员技能的要求，又保障了产品的合格率。设计研究了一款以焊接机器人为中心、多设备协同工作、集成度高的焊接工作站，为中国焊接企业的生产提出了建议。

机器人；自动焊接；工作站；设计原理

机器人是典型的机电一体化设备，可代替或配合人类完成危险的、劳动强度大的、大批量的作业。在传统焊接行业中，多数采用人工焊接，人工劳动强度高、效率低，又在一定程度上增加了企业成本，这使得机器人自动焊接成为一种趋势，特别是进行批量性焊接的企业，对焊接的自动化、机械化的需求更为迫切。机器人焊接工作站是基于机器人的一种柔性加工系统，包括弧焊机器人、变位机、清枪站、焊接电源、激光寻位及跟踪、焊接屏蔽房、除尘系统等设备，以保证机器人稳定运作，保证焊接的精确性及安全性。

1 产品现状及制造要求

1.1 产品现状

此次研究的机器人焊接工作站主要应用于环网柜箱体与封板的焊接中，现有产品的箱体及封板采用外角接方式，这决定了机器人焊接方式为角焊。产品所用材料为2.5～ 3.0 mm的SUS304不锈钢，MIG/MAG焊均能焊接不锈钢，但MAG只可以满足0.6 mm厚的薄规格钢板的要求，因此采取机器人自动MIG焊接。不锈钢MIG焊接的保护气可以用纯氩，也可以使用98%氩气加2%氧气，纯氩价格昂贵，综合考虑公司成本与焊接效果，最终焊接保护气采用98%氩气加2%氧气。环网柜气箱焊缝结构如图1所示。

图1 环网柜气箱焊缝结构示意图

1.2 角焊接制造要求

角焊接是焊接中的一种，对焊工的技术要求比较高。角焊接指将两块金属板垂直焊接的过程，焊缝呈现三角形，可以有平面、凸面以及凹面三种形式。焊缝的高度是直角三角形的直角点，按照相关的焊接规定，角焊缝的高度一般不能小于金属板的厚度，在进行双面焊接的过程中，最薄的焊缝也要达到焊接物体40%的厚度，而单面焊接需要达到物体80%的厚度。角焊接是通过焊接夹角将两金属板焊为一体的焊接方式，两金属板的夹角必须保证为90°。

2 机器人焊接工作站设计原理

2.1 机器人焊接工作站技术要求

一套完整的机器人自动焊接系统，应包括弧焊机器人、焊接电源、清枪站、变位机、焊件夹持装置、控制系统、焊接屏蔽房等。基本工作原理是示教再现，即由用户通过示教器导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、焊接参数等，生成一个可连续执行的程序。完成示教后，只要机器人有信号，机器人就可以精确地按示教动作，完成全部操作，实际示教与再现。焊接工作站需要能实现焊接的整个流程，即确认焊接类型后，如焊接封板，焊件能在变位机与焊件夹持装置的配合下到达理想的加工位置，机器人先清枪，再按照示教的动作，与变位机配合完成焊接，焊接过程需在焊接屏蔽房中完成。

2.2 机器人焊接工作站组成及设备配置

2.2.1 弧焊机器人

早在20世纪80年代，中国就有了弧焊型机器人，极大促进了机器人自动化焊接的发展。随着科技的不断发展，越来越多的机器人焊接工作站投入到实际的生产使用中。机器人的种类很多，考虑到工作站将投入到高效、批量生产中，为保证运行的可靠性及稳定性，选择了稳定性高的ABB机

器人，保证焊接工作能够长期有效地进行。ABB机器人使用寿命长、维修频率低、运行的噪声小、精度高，能保证焊接的质量。综合考虑焊接产品的重量及工作范围，选择IRB 2600-12/1.85机器人，机器人臂长1.85 m，承重12 kg，结构坚固可靠，精确度高，能高效生产、高质量完成任务。且配备了快速精确的IRC5控制器，配合IRC5控制器使用的焊接专家功能及单点编程示教器与机器人手臂上的自动送丝装置，能有效缩短工作周期，提高焊接质量，适合焊接工作。

2.2.2 变位机

变位机是焊接过程中必不可少的一个设备，可使焊缝运动到理想的加工位置，能实现一次性装夹完成全部焊接工作。变位机通常有双立柱单回转式变位机、U型双座式头尾双回转型式、L型双回转焊接变位机、C型双回转焊接变位机及座式通用变位机。

选用能在狭窄区域完成焊接工作的L型双回转焊接变位机，该变位机开敞性好，占地面积小，有大回转机构1、小回转机构2，呈现L形，拥有两个方向的回转自由度。大回转机构的传动链为：ABB外部轴电机—精密减速机—小齿轮—回转支撑，可以±360°任意回转，其回转支撑又作为小回转机构的动力元件，与小回转机构的箱形梁连接，带动小回转机构±360°回转[2]。小回转机构的动力传动方式与大回转机构相似，其回转支撑输出端与工作盘相连，焊件通过工装安装在工作盘上，实现焊接过程中的位置变化。

2.2.3 清枪站

TCS-Compact清枪站属于集成型清枪站，接入焊接系统中，能对焊枪喷嘴内表面进行全方位、有效、自动清洁，有效增加焊枪的使用寿命，降低维修频率，是机器人焊接工作站中一个重要的组成部分。清枪站由清枪单元、剪丝单元、喷防飞溅液单元组成。清枪单元的作用是，当机器人开始焊接工作时，先移动到相应的清枪位置，此时机器人控制系统输出信号到PLC中，控制V型块与喷嘴夹紧装置，将焊枪和喷嘴固定住，气动马达驱动铰刀通过一次往复直线运动移动到喷嘴内表面，清除残留的焊接残渣，其中使用的铰刀需要根据喷嘴和焊枪选择。焊枪达到指定的位置之后，剪丝单元会接收到PLC提供的信号，将剪丝前端的结球切除，并保证焊丝干伸长度一致。飞溅影响焊接效果，因此需要喷防飞溅液单元以减少焊接中飞溅的产生。喷防飞溅液单元内有一个密闭油仓，在喷防飞溅信号下达时，压缩空气会通过真空发生器吸入放飞溅液并与之混合，均匀喷洒在喷嘴、导电嘴表面上，防飞溅液的喷洒剂量是可调的，更加环保和卫生。此清枪站的优点是可自动清枪，无需人工操作，更加安全，适合大批量连续生产，对齐剪丝的过程噪声较小。

2.2.4 CMT焊接电源

传统MIG/MAG焊是市面上应用比较广泛的焊接方式，经济性好，但是焊接过程的热输入量大，热变形大，易产生飞溅，出现焊塌、焊漏的情况，所以选择更为先进的CMT焊接。CMT即Cold Metal Transfer，冷金属过渡焊，是一种基于短路过渡的全新的焊接技术，焊接电源也使用CMT焊接电源。

CMT焊接过渡中，溶滴与工件接触时还未与焊丝脱离，形成短路过渡，电弧熄灭。送丝系统实现闭环控制，数字化监控器能接收短路信号并反馈到送丝机，送丝机控制焊丝停止并做回抽运动，接收不到短路信号时，焊丝向前伸至规定长度，继续焊接，如此往复进行。过渡过程中，焊接电流减小至几乎为0，热输入量小，呈现“冷—热—冷—热”的循环过程，可实现焊接过程无飞溅，不仅提高了焊接质量，焊缝整齐美观，无需人工补焊，而且使得焊接中产生的烟尘大大减少，减轻了对环境的负担。

2.2.5 机器人焊接工作站控制系统

PLC、工控机、单片机在工业控制中起关键作用，是实现控制功能的核心部件，这三种控制系统各有千秋，需要根据工作环境、设计的需要来选择。西门子PLC的可靠性高、能耗低、功能完善，特别是近年来西门子PLC增强了通信功能，大力发展人机界面技术，是实现各种控制系统的理想控制设备。

机器人焊接工作站配备了西门子PLC，并在左、右两工位分别配置了一个西门子触摸屏及操作台，方便工件型号切换及程序调用，很好地实现了人与机器信息的有效交换。通过PLC本体集成的以太网口来连接支持S7协议的左右两个触摸屏，实现信息交互。触摸屏选择焊接产品类型，按下启动键后，信息传递到PLC中，PLC控制气缸、电机，从而控制安全门、遮光帘、风机等设备动作，机器人控制柜接收到PLC发出的启动信号，进而通过伺服驱动系统控制机器人、外部轴动作。整个控制系统控制精度高、运行可靠、响应速度快。