龍門機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)研制

楊永波等

摘要：研制了龍門機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，對(duì)龍門機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概況、技術(shù)指標(biāo)、機(jī)器人、激光發(fā)生器、控制系統(tǒng)及操作界面做了詳細(xì)的說明，同時(shí)也對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)作了介紹。

關(guān)鍵詞： 龍門； 焊接機(jī)器人； 激光焊接系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TG432

Abstract： In this paper， the structure characteristics and application condition of gantry robot laser welding system are mainly introduced. It also summarized the gantry robot laser system and its characteristics of welding production. The technical index robot， laser generator control system and operation interface is described in detail. At the same time the system working state is also introduced.

Key words： gantry； welding robot； laser welding system

0 前言

隨著我國軌道運(yùn)輸與交通建設(shè)的快速發(fā)展，車輛需求規(guī)模以及運(yùn)行速度不斷提高。車體作為軌道車輛的主要組成部分，需求大量增加同時(shí)對(duì)焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率提出了更高的要求，在車體部件實(shí)際生產(chǎn)中手工焊已經(jīng)越來越難以滿足生產(chǎn)需要，如何提高效率和焊接質(zhì)量成為首先需要解決的問題，新的焊接技術(shù)和高效能的自動(dòng)化設(shè)備成為了必然的選擇，自動(dòng)化程度越高越能保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[1]。

焊接機(jī)器人具有一系列明顯的優(yōu)勢(shì)：穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊縫均一性；改善工人的勞動(dòng)條件；提高單位勞動(dòng)生產(chǎn)率等。焊接機(jī)器人近幾年在我國焊接行業(yè)中獲得了長足的發(fā)展。激光加工技術(shù)是一種集光、機(jī)、電于一體的綜合性高新技術(shù)，屬于無接觸加工。其主要特點(diǎn)也就是無惰性，因此其加工速度快、無噪聲。由于光束的能量和光的移動(dòng)速度都可以調(diào)節(jié)，因此可實(shí)現(xiàn)各種加工的目的。由于光束照射到物體的表面是局部的，雖然加工部位的熱量很大、溫度很高，但移動(dòng)速度快，對(duì)非照射的部位沒有什么影響，因此其熱影響區(qū)很小。尤其適合于薄板的高速焊接。目前激光加工正以自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐步取代傳統(tǒng)加工工藝，越來越受到工業(yè)界的青睞。

哈爾濱焊接研究所利用30多年研發(fā)、制造焊接專用設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合在機(jī)器人應(yīng)用、激光焊接技術(shù)以及在焊接材料研究等領(lǐng)域的成果，針對(duì)軌道車輛大型薄壁構(gòu)件的焊接，研制了龍門機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，可以焊接接頭形式為1 mm+1 mm、2 mm+2 mm、4 mm+4 mm的對(duì)接焊縫，也可以用于其他類似工件的對(duì)接、搭接及角焊縫焊接。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)激光自熔與激光填絲兩種不同的焊接方式，可以有效地提高薄壁構(gòu)件的焊接質(zhì)量與工作效率，并有擴(kuò)展能力，以便于適應(yīng)其它的方式方法，具有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本技術(shù)數(shù)據(jù)

“龍門機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)”主要由機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機(jī)器人、激光器、水冷器等組成，設(shè)備見圖1。

該系統(tǒng)采用龍門架結(jié)構(gòu)，配備大功率光纖激光焊接系統(tǒng)，焊接工藝采用激光自熔、填絲焊。龍門架沿地面軌道行走，在龍門橫梁上裝有移動(dòng)裝置，焊接機(jī)器人倒掛在移動(dòng)龍門橫梁的懸臂上，移動(dòng)龍門采用交流伺服雙側(cè)同步驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人沿龍門架橫梁的移動(dòng)為機(jī)器人的外部擴(kuò)展軸。在龍門移動(dòng)雙側(cè)導(dǎo)軌中間以及龍門導(dǎo)軌端頭可以擺放多套工裝夾具，實(shí)現(xiàn)交替裝夾與焊接，以提高生產(chǎn)效率及激光器的利用率。焊接生產(chǎn)時(shí)龍門系統(tǒng)保持靜止，焊接過程靠機(jī)器人和外部軸的協(xié)調(diào)移動(dòng)完成。激光發(fā)生器、激光器水冷機(jī)、機(jī)器人控制柜、送絲機(jī)等均安放在龍門后方的平臺(tái)上，保護(hù)氣瓶安放在龍門側(cè)面，便于更換。

龍門機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)基本技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

2 系統(tǒng)主要部分組成

2.1 龍門架及行走系統(tǒng)

龍門架及行走系統(tǒng)：包括龍門架行走導(dǎo)軌、2套龍門架行走小車（含2套交流伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、1套龍門架（含2個(gè)立柱、平臺(tái)）、1套移動(dòng)滑臺(tái)和電纜拖鏈等。

龍門架行走導(dǎo)軌固定在工件組裝夾具的兩側(cè)，是由鋼軌經(jīng)精密加工而成，兩側(cè)導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)鑲有傳動(dòng)齒條。龍門架行走小車固定在其上，由交流伺服系統(tǒng)通過齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，在導(dǎo)軌上做沿工件組裝胎具的縱向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)多工位的焊接。

龍門架行走小車是由堅(jiān)固穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)所組成，左右各1個(gè)，其上裝有雙側(cè)交流伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩側(cè)可橫向調(diào)節(jié)的導(dǎo)向輪，保證龍門行走方向的精確引導(dǎo)，在小車的前后行走方向設(shè)置有安全緩沖器。龍門架行走小車下面固定在行走導(dǎo)軌上，上面安裝主龍門架，并攜帶安放在主龍門架上的控制柜、激光電源、空氣壓縮機(jī)、保護(hù)氣體氣瓶等一同運(yùn)行。

主龍門架包括2個(gè)立柱、橫梁、載物平臺(tái)和橫向?qū)к?。龍門導(dǎo)軌寬為6 m。龍門架的行走，由兩側(cè)立柱下面的小車通過雙側(cè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊在龍門架行走導(dǎo)軌上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而行走（稱為1，2軸）。通過二軸定位模塊可以保證兩側(cè)的交流伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，保證行走平穩(wěn)、無爬行。

在主龍門的橫梁上安裝有1個(gè)移動(dòng)滑臺(tái)，滑臺(tái)采用交流伺服驅(qū)動(dòng)（稱為機(jī)器人外部軸），滑臺(tái)上帶有機(jī)器人安裝底座，機(jī)器人倒掛安裝在底座上，滑臺(tái)可沿龍門橫梁作橫向移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)0.3～10 m/min之間無級(jí)調(diào)速。電纜拖鏈安裝在橫梁的上方。各種電纜、氣管、冷卻水管等均安裝在電纜拖鏈的內(nèi)部。

2.2 光纖激光焊接系統(tǒng)

光纖激光焊接系統(tǒng)主要由光纖激光發(fā)生器、光路耦合系統(tǒng)、激光器水冷機(jī)、操作光纖、激光焊接頭及激光防護(hù)裝置構(gòu)成。