焊接机器人工作站在农用机械上的应用

2024-01-20郭林年马维杰蔡永才

新疆农机化 2023年6期

郭林年，马维杰，蔡永才

（阿克苏地区中等职业技术学校，新疆阿克苏 843000）

0 引言

随着农业产业基础地位不断巩固，农业产业的机械化和智能化水平逐渐提升，市场对农机数量以及农机质量的需求进一步增强。为进一步提高农机设备的可靠性、稳定性和安全性，保障农机的正常使用，进而提高农业生产效率，需要采用焊接机器人工作站来改进农机设备的专业化和精细化程度，以确保农机焊点准、焊接稳。在农机设备生产中应用焊接机器人可改善人工操作的低效率和低水平，做到标准化焊接、精准化加工和集约化生产，提高农机设备生产效率和生产质量。

1 焊接机器人工作站应用领域及现状

机械设备精密化程度越高对焊接加工的工艺要求也越高，但焊接加工的工作环境差，对人体健康损害大，因此焊接技工流动性大，焊接工序缺乏经验丰富、焊接精细的熟练技工，影响了焊接精密性和机器稳定性，因此焊接机器人工作站应运而生。1969年美国通用汽车第一次装备点焊机器人，目前该技术已经发展成为现代装备制造业的关键技术之一[1]。现阶段欧美发达国家焊接机器人工作站的理论和实践经验已较为丰富，汽车制造企业的自动化率超过95%，机器人焊接技术从半自动化发展为全自动化，焊接机器人数量由单一工作发展为集群生产，未来还将向智能化方向发展。我国焊接机器人工作站起步时间晚但发展很快，1984年一汽集团引入了KUKA 机器人，随着我国汽车工业迅速发展，焊接机器人工作站正帮助汽车制造企业完成从零部件加工到整车组装的全自动生产工序[2]。播种机、旋耕机、拖拉机等农用机械设备的使用存在季节性特点，农机企业的生产效率和生产周期往往会决定企业的利润，因此将焊接机器人工作站应用于农用机械机架上可充分发挥焊接机器人工作站的高效率、高速度、高精准度等优势，推动农用机械设备数字化、智能化和柔性化生产，降低人为因素对农用机械设备的影响，满足农业机械小型化和季节性的生产需求。

2 农用机械焊接机器人工作站的组成

一般来说，焊接机器人工作站主要由焊接机器人、编程控制系统、焊接电源系统、焊接工装夹具和安全保护设施等5 部分构成，农用机械机架生产车间内的焊接机器人工作站如图1[3]，为了更好、更快地焊接农机设备并保障操作人员的安全，焊接机器人工作站采用单机器人加双工位的模式，可以对多种焊缝进行自动焊接。按照这种模式设计的焊接机器人工作站只需客户提供产品类型、产品尺寸、焊接要求和焊缝区域等，操作人员可编制出科学合理的焊接工艺，通过变换变位机与焊枪的点位就可确保按照图纸要求对农机设备进行焊接，有效控制焊接变形和焊接裂纹等焊接缺陷。此外，焊接机器人使用了数字化弧焊电源，夹具设计符合人机工程学理论要求，再加上清枪和喷硅油等装置的应用，不仅可以降低操作难度和日常工作量，还可使焊接质量和效率得到明显提升，实现农机设备的柔性化生产和高效焊接。

图1 焊接机器人工作站

2.1 焊接机器人

焊接机器人是焊接机器人工作站的关键设备之一，由焊接机器人本体、控制器和电机等组成，S、L、U 轴是焊接机器人的主臂部分，一般被称为大关节，机器人本体终端由R、B、T 轴构成，习惯称为小关节，焊接机器人各部位及转动方向如图2[4]。S 轴转动范围为-180°～+180°，L 轴转动范围为-90°～+160°，U 轴转动范围为-180°～+190°，R 轴（旋转）转动范围为-160°～+160°，B 轴（摆动）转动范围为-50°～+180°，T 轴（回转）转动范围为-200°～+200°，容许力矩（S、L、U 轴）在2.2～9 N·m 之间，容许惯性力矩（R、B、T）为0.03～0.3 kg/m2[5]。

图2 焊接机器人各部位及转动方向

对于焊接机器人本体而言，焊枪在工作时会产生大量热量，所以必须充分考虑焊枪的安全性以及耐久性，其次焊枪在焊接过程中会产生强热，因此也要考虑焊枪的冷却性能，焊枪冷却性能不好会损伤焊枪，影响焊接工作效率。此外还需考虑焊枪的角度，焊枪角度太小会造成导电不良，角度太大则会增大焊接阻力，为满足农用机械焊接要求，可以选用来自德国的TBi80W 焊枪[6]。焊接供气系统需具备高稳定性及高配比精度，否则会导致焊接焊缝不均匀和误差大等问题，推荐使用德国WITT 配比器[7]。

2.2 编程控制系统

焊接机器人工作站控制系统由控制柜、专用电路和PLC控制柜组成，控制系统类似于机器人工作站的“大脑”，进行焊接工作时由专业技师操作[8]。焊接机器人工作站控制系统分为两个层次，第一层次是生成轨迹点、记录参数，对控制系统起到调整、监视等作用；第二层次是对电机进行控制，实现机器人关节的位移、旋转和速度控制等。为了减少耦合，强化协同运作，焊接机器人工作站编程控制系统如图3[9]。

图3 焊接机器人工作站编程控制系统

2.3 焊接电源系统

焊接电源系统主要由数字焊接电源、水冷设备和送丝机构等构成，由于焊接机器人可能面临工作强度大和工作时间长的情况，所以需要选择适配的焊接电源，确保电源的稳定连续输出[10]。市场上常见的焊接电源包括逆变式、晶闸管式、脉冲或非脉冲式等，这些电源都可以适配焊接机器人，但是为了确保电流和电压的稳定性，最好选择具有数字显示、参数稳定和重复精度高等特点的焊接电源，同时该电源系统必须能够耐受高温，通信速度和通信质量稳定可靠，送丝机构必须配备电磁阀以提高焊接的精度和质量，建议使用逆变式电源系统[11]。

2.4 焊接工装夹具

变位机和焊接夹具等构成了焊接机器人工作站的焊接工装夹具部分，焊接夹具与变位机之间用法兰盘连接紧固[12]。为了进一步增强焊接机器人的灵活性，焊接工装夹具必须具备翻转工件与旋转工件的功能，工件可以实现在平面空间内360°旋转，这样才能精准固定焊接部分，方便机器人手臂以最佳焊接姿态焊接，从而确保焊接精度和效率。

2.5 安全保护设施

安全保护设施作为保护人员安全的重要装置，需要对其进行通盘考虑和科学设置，一旦引发安全事故，后果不堪设想。焊接机器人工作站外围需设立安全防护围栏，防止无关人员在焊接机器人工作站工作时闯入。操作人员工位需安装安全围栏，在主机位置需设立焊接工作报警灯，防止操作人员误入焊接区域或焊接弧光损害人体健康[13]。

3 焊接机器人工作站应用注意事项

焊接机器人在焊接之前需要备好农机工件，工件一致性需要保持在±2 mm 之间，表面无污渍[14]，焊接机器人通过焊丝高压接触传感系统自动检测工件焊缝，再进行误差修正，确保焊接质量可靠，经久耐用。焊接作业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质量较好，再加上焊接机器人工作站配备了电弧传感器，可以根据电流变化计算出补偿量，焊接作业同步变化，可对热变形和反翘等引起的焊缝偏移进行仿形控制。焊接机器人内置了多层焊接功能软件，可以对焊接路径和焊枪姿态等进行明确和调整，进一步提升了焊接作业的精准度。此外，清枪喷硅油装置最好安装在相同的位置，这样当机器人进行焊接工作时可同时完成喷硅油和清枪，有效防止焊渣与喷嘴形成死粘连，避免焊枪焊死，简化控制程序[15]。

对于样式简单、尺寸不大的农机工件，用单独的焊接机器人即可完成焊接工作，但是当遇到作业复杂、尺寸较大的农机工件时必须采用焊接机器人与变位机协同的方式才能提高焊接质量。变位机和机器人的有机协同可根据二者之间的运动关系扩大焊接机器人焊接作业空间，进而以较低的成本完成大型、复杂的焊接工作。