鋁合金門框自動化加工、上下料和焊接的機(jī)器人工作站設(shè)計

董世忠

(長沙長泰機(jī)器人有限公司，湖南 長沙 410117)

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鋁合金門框自動化加工、上下料和焊接的機(jī)器人工作站設(shè)計

董世忠

(長沙長泰機(jī)器人有限公司，湖南 長沙 410117)

該工作站是一種針對鋁合金門框加工生產(chǎn)的機(jī)器人系統(tǒng)。主要介紹了機(jī)器人在自動化上下料、機(jī)加工和焊接等方面的應(yīng)用，使機(jī)器人具備了更多識別、分析、判斷能力，解決了機(jī)器人替代人工生產(chǎn)作業(yè)的問題，且比人工更為精準(zhǔn)地完成各類動作。

機(jī)器人；上下料；加工；焊接

目前，對鋁合金門框生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中鋁合金門框加工、上下料和焊接均以手工操作為主。在生產(chǎn)中，采用人工操作進(jìn)行加工作業(yè)，人為操作存在一定的誤差，特別是加工一些異形槽時，加工的表面粗糙度非常差；采用人工上下料，人工需要不斷地進(jìn)行重復(fù)的勞動操作，人工的工作勞動強(qiáng)度大；采用人工焊接，焊接的效率和質(zhì)量很大程度上受限于焊接工人的熟練程度及操作狀態(tài)，且焊接后表面粗糙度較差。

針對目前企業(yè)鋁合金門框多采用人工操作作業(yè)的生產(chǎn)情況，本工作站在設(shè)計上，主要采用機(jī)器人自動化抓取工件，通過自動化控制程序?qū)ぜM(jìn)行切割、鉆孔、銑槽、上下料和焊接等，使機(jī)器人替代人工完成生產(chǎn)作業(yè)，并提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)效率。

1　機(jī)器人工作站綜述

本工作站由焊接機(jī)器人、搬運機(jī)器人、刀具裝置、焊接平臺、夾具、滑臺、短料臺、長料中轉(zhuǎn)臺、固定料架、焊接電源、總控制柜、焊接機(jī)器人控制柜、搬運機(jī)器人控制柜、轉(zhuǎn)運小車等構(gòu)成，集成了機(jī)械、電氣、控制、焊接等綜合技術(shù)的機(jī)器人工作站。其中刀具裝置、焊接平臺、夾具、滑臺、短料臺、長料中轉(zhuǎn)臺、固定料架均在搬運機(jī)器人的作用半徑內(nèi)，總控制柜控制刀具裝置、焊接平臺、夾具、滑臺、短料臺、長料中轉(zhuǎn)臺和固定料架，焊接機(jī)器人控制柜控制焊接機(jī)器人，搬運機(jī)器人控制柜控制搬運機(jī)器人。

此系統(tǒng)除了自動化工作模式，還具有單站工作模式，包括機(jī)加站單循環(huán)模式和焊接站單循環(huán)模式。由人員配合，機(jī)加工單站可完成工件的機(jī)加工，焊接機(jī)器人單站可完成焊接。機(jī)加站單循環(huán)模式：是將加工完成的工件均不再由搬運機(jī)器人放到焊接平臺，改為堆放到轉(zhuǎn)運小車，以備后用。焊接站單循環(huán)模式：人工在焊接平臺處上料，按下按鈕，夾具裝置自動夾緊，機(jī)器人開始焊接；焊接完畢，焊接機(jī)器人回到初始位置，夾具裝置自動打開，人工取出門體。

其工作站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　機(jī)器人工作站各組成結(jié)構(gòu)

2.1焊接平臺

焊接平臺(圖2)可對工件實現(xiàn)自動化定位和壓緊，自動裝夾完成后，焊接機(jī)器人接到傳遞的信息后對工件實施焊接。其中，頂緊裝置對工件進(jìn)行合攏定位，壓緊裝置對工件進(jìn)行可靠壓緊。

2.2刀具裝置

刀具裝置能對工件進(jìn)行自動化切割、鉆孔和銑槽，搬運機(jī)器人通過變換角度位置在刀具裝置上完成工件的快速加工。刀具裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，電動機(jī)主軸通過夾緊座固連在機(jī)座上。3個電動機(jī)主軸分別安裝切割刀具、鉆孔刀具和銑刀刀具；水箱對3個電動機(jī)主軸進(jìn)行冷卻，以冷卻電機(jī)主軸在長時間高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，可延長電動機(jī)主軸的使用壽命。氣吹管分別安裝在切割刀具處、鉆孔刀具處和銑刀刀具處，且氣吹管不斷地送氣對正在進(jìn)行加工的刀具進(jìn)行冷卻，氣吹管的供氣由過濾減壓閥進(jìn)行控制。

2.3滑臺

滑臺主要結(jié)構(gòu)如圖4所示?；_是將工件邊框送出工作站外，方便員工在站外進(jìn)行鉸鏈的安裝，起到了保護(hù)員工的人身安全的作用,鉸鏈裝配完畢后，滑臺再將工件邊框送回站內(nèi)，方便搬運機(jī)器人的抓取。滑板移進(jìn)、移出極限位置處分別裝有液壓緩沖器，可對滑板移進(jìn)、移出至極限位置時起到緩沖的作用。擺角氣缸主要是對工件邊框壓緊之用。

2.4夾具

夾具(圖5)可以對工件邊框?qū)崿F(xiàn)快速夾緊，夾持牢固可靠。強(qiáng)力夾緊缸通過兩位五通電磁閥進(jìn)行控制，可同時或單獨進(jìn)行夾緊和松開；強(qiáng)力夾緊缸在壓緊時，也通過先導(dǎo)單向閥進(jìn)行控制，即使在斷氣時，也可保持一定壓力對工件進(jìn)行壓緊；而且夾具安裝有壓力傳感器，當(dāng)氣路斷氣時，反饋信號給搬運機(jī)器人，使其停止工作，消除安全隱患。

2.5長料臺和短料臺

長料臺和短料臺(圖6)可對工件邊框進(jìn)行定位，也可實現(xiàn)對工件邊框中轉(zhuǎn)的作用。長料臺和短料臺均是由定位塊、擺角氣缸、支架和地腳板組成，擺角氣缸由兩位五通電磁閥進(jìn)行控制，長料臺、短料臺及滑臺的整個氣路壓力由單獨過濾減壓閥進(jìn)行控制。

2.6固定料架

固定料架(圖7)是固定工件邊料用的。固定料架在每塊工件邊料的下方安裝有感應(yīng)傳感器，可聲光報警提示人工補(bǔ)料。

3　工作站工藝流程

本文詳細(xì)介紹了工作站的結(jié)構(gòu)組成，其工作站的工藝流程如下:

第一步：人工將L長原材堆放至固定料架(可放多件物料)上。固定料架可自動對齊原材。當(dāng)缺料時聲光報警提示人工補(bǔ)料。

第二步：搬運機(jī)器人從固定料架取L長原材，移至刀具裝置上切割刀具處進(jìn)行C度斜切。切割成A1和B1的兩段(具體切成多長的兩段以實際需要為準(zhǔn)，A1+B1=L)。

第三步：搬運機(jī)器人將A1的一段放到短料臺，擺角氣缸將短邊框A1壓緊，在長料臺放下B1的一段調(diào)整氣爪抓取的位置，重新抓起B(yǎng)1的一段在切割刀具上切去C度角的廢料；移動到銑刀工具銑出2個矩形槽和4個ΦF的孔；然后移動到鉆孔工具，在2個矩形槽兩端鉆出共4個φH的孔，由此完成長邊框B1的加工。

第四步：搬運機(jī)器人將長邊框B1放到滑臺上，兩個擺角氣缸將長邊框B1壓緊，滑臺移出，人工開始給長邊框B1上鉸鏈。在短料臺兩個擺角氣缸松開短料A1,機(jī)器人取出A1的短料，移動到刀具裝置切割刀具處切去C度角的廢料，短料加工成為短邊框A1。

第五步：搬運機(jī)器人將短邊框A1放到短料臺上，然后滑臺將裝好鉸鏈的長邊框B1送回站內(nèi)。機(jī)器人抓取長邊框B1放到焊接平臺上，氣缸壓緊長邊框B1，再將短邊框A1放到焊接平臺上。

第六步：機(jī)器人返回固定料架重復(fù)第二步(搬運機(jī)器人從固定料架取L長原材，移至刀具裝置上切割機(jī)處進(jìn)行C度斜切。切割成A2和B2的兩段(具體切成多長的兩段以實際需要為準(zhǔn)，A2+B2=L)。

第七步：搬運機(jī)器人將B2的一段放到長料臺上。再放下A2的一段，調(diào)整氣爪位置，重新抓起A2的一段。然后在切割刀具上切去C度角的廢料，再將其放到焊接平臺上。

第八步：搬運機(jī)器人抓起B(yǎng)2的一段移動到切割刀具，切去C度角。調(diào)整氣爪位置，然后到銑刀工具銑出鎖孔槽，最后由機(jī)器人將長邊框B2放到焊接平臺上。

第九步：啟動焊接平臺上的氣缸，夾緊門體的四個邊框。焊接機(jī)器人開始焊接門體。焊接完成后，機(jī)器人取出門體在轉(zhuǎn)運小車上碼垛。

系統(tǒng)循環(huán)反復(fù)運行。

4　信息管理控制系統(tǒng)

信息管理控制系統(tǒng)包括電弧監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

4.1電弧監(jiān)控系統(tǒng)

對系統(tǒng)內(nèi)焊接機(jī)器人的焊接電流、焊接電壓進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動記錄，并報警。

4.2控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)采用歐姆龍PLC，由PLC控制設(shè)備(預(yù)留10組I/O接口)邏輯動作；配備報警燈。CPU自帶編程接口，配置輸入輸出模塊，通過標(biāo)配的RS422通信接口與觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)通訊。

采用PLC控制，各專機(jī)可分別單獨控制，實現(xiàn)單獨手動、自動生產(chǎn)，同時可全線聯(lián)線進(jìn)行自動流水生產(chǎn)。總線設(shè)一主控制柜，主柜可緊急停線。

設(shè)備運行方式分為自動和手動，控制系統(tǒng)在主控柜設(shè)置自動/手動選擇開關(guān)，配備操作盒的單機(jī)設(shè)備，在其操作盒上設(shè)置自動/手動選擇開關(guān)。若主控柜選擇自動，單機(jī)設(shè)備操作盒選擇自動，那么系統(tǒng)自動運行，單機(jī)設(shè)備自動運轉(zhuǎn)；若單機(jī)設(shè)備選擇手動，不論系統(tǒng)是自動還是手動運行，在保證安全的情況下單機(jī)設(shè)備都可以手動操作。此時，與單機(jī)設(shè)備有交接的設(shè)備暫停，不影響系統(tǒng)其它設(shè)備自動運行。

5　工作站的特點

在工作站的設(shè)計過程中，安全性是工作站的最重要的設(shè)計原則。

安全防護(hù)主要在設(shè)備周圍安裝急停開關(guān)、安全光柵、弧光屏蔽等。

(1)緊急停止設(shè)備設(shè)置急停按鈕，以及在每個操作盤上裝有急停按鈕，一旦發(fā)生意外，周圍的人可立即按急停按鈕,所有的急停要能實現(xiàn)聯(lián)鎖，都能對整個系統(tǒng)內(nèi)的移動設(shè)備進(jìn)行緊急停止操作，最大限度地保護(hù)操作者的人身和設(shè)備的安全。

(2)系統(tǒng)安全措施安裝有安全光柵，維護(hù)人員或操作工人從轉(zhuǎn)運小車處圍欄開口或上料架開口進(jìn)入時，搬運機(jī)器人不能運行，確保人員安全。

(3)弧光屏蔽圍欄上方裝有弧光屏蔽板，人員經(jīng)過時防止刺眼。

6　結(jié)語

鋁合金門框自動化加工、上下料和焊接機(jī)器人工作站各組成裝置之間無縫結(jié)合，各節(jié)點實時傳遞，焊接機(jī)器人、搬運機(jī)器人系統(tǒng)的控制和整個工作站的控制有機(jī)地結(jié)合，不僅有效的保障了工作站高效、安全、可靠地運行，而且保障了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了勞動生產(chǎn)效率，提高了使用壽命。也體現(xiàn)出降低工人的勞動強(qiáng)度、減少人員配置、提高設(shè)備運行的安全性和利用率等優(yōu)勢，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]胡繩蓀.焊接自動化及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：20-25.

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[3]葛景國.焊接工藝?yán)碚撆c技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007:32-40.

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[5]何京文.焊接機(jī)器人工作站應(yīng)用于研究[Z].北京：首都航天機(jī)械公司，2008：14-16.

(編輯汪藝)

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Automatic machining, upper and lower material and welding robot workstation design of aluminum alloy frame

DONG Shizhong

(Changtai Changsha Robot Co., Ltd., Changsha 410117, CHN)

This workstation is a robot system for the processing aluminum alloy frame. This paper mainly introduces the application of the robot's upper and lower material, machining and welding. The robot has the ability to recognize, analyze and judge, and solve the problem of robot instead of manual production.

robot; upper and lower material; processing; welding

TG409

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.005

董世忠，男，1978年生，高級工程師，研究方向為機(jī)器人研究及應(yīng)用，已發(fā)表論文7篇。

2015-12-06)

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