機(jī)器人型TIG焊自動化工作站的設(shè)計與研究

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 前言

鎢極氬弧焊（TIG）具有電弧穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好、無飛濺、焊縫成形美觀等優(yōu)點[1-2]。航天運(yùn)載系統(tǒng)中的一些小尺寸薄壁件對焊縫質(zhì)量要求較高，如膜盒組件的環(huán)焊縫、傳感器組件的方焊縫，目前大多采用手工TIG焊，焊縫質(zhì)量易受人為因素影響，焊工水平的高低直接影響焊縫質(zhì)量[3-4]。焊接機(jī)器人具有故障率低、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的特點，焊接機(jī)器人自動化工作站在汽車領(lǐng)域應(yīng)用較多，可有效降低工人勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低成本[5-6]。

針對實際生產(chǎn)需求，本研究設(shè)計了一款機(jī)器人型TIG焊自動化工作站，該工作站能夠?qū)崿F(xiàn)自動化焊接、焊接參數(shù)可調(diào)，并具有弧長跟蹤功能，可自動調(diào)整焊槍高度，保證焊縫穩(wěn)定。結(jié)合機(jī)器人運(yùn)行軌跡程序，完成直焊縫、環(huán)焊縫、方焊縫的焊接實驗，驗證了自動焊接功能和弧長跟蹤功能。

1 設(shè)備總體設(shè)計

機(jī)器人型TIG焊自動化工作站由機(jī)器人系統(tǒng)、弧焊電源系統(tǒng)、雙軸變位機(jī)組成，機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人本體和機(jī)器人控制柜，弧焊電源系統(tǒng)包括焊接電源、送絲系統(tǒng)、焊槍、水冷機(jī)[7]，組成框圖如圖1所示。

工作站選用安川焊接機(jī)器人MOTOMANMA2010，負(fù)載 10 kg，重復(fù)定位精度±0.08 mm，控制柜型號為DX200；選擇Fronius焊接電源MW5000，焊接電流500 A。工作站采用機(jī)器人作為中央控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各組成部分的動作[8]。焊接功能和焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)是通過機(jī)器人弧焊基板與焊接電源通訊板ROB5000間的I/O通訊方式實現(xiàn)，接線原理如圖2所示，可更改焊機(jī)的操作模式和調(diào)取焊接參數(shù)工作號。兩個機(jī)器人外部軸電機(jī)安裝在變位機(jī)上，與機(jī)器人的6個軸實現(xiàn)8軸聯(lián)動。

圖1 機(jī)器人型TIG焊自動化工作站組成框圖Fig.1 Block diagram of automation TIG welding robot machine

圖2 機(jī)器人弧焊基板與焊接電源通訊板ROB5000接線原理Fig.2 Wiring diagram of robot arc welding base plate and ROB5000

2 焊接功能實現(xiàn)

工作站TIG焊是通過預(yù)先在焊接電源面板上設(shè)置焊接參數(shù)并儲存在相應(yīng)JOB號中，機(jī)器人運(yùn)行軌跡時調(diào)用該JOB號完成焊接工作。因此，需要完成工藝參數(shù)的設(shè)置和調(diào)用、機(jī)器人焊接程序編寫。

2.1 工藝參數(shù)設(shè)置和調(diào)用

2.1.1 操作模式選擇

焊接電源有4種操作模式，分別是：2步模式、4步模式、JOB模式、焊條電弧焊。ROB5000通訊板上有3個數(shù)字輸入端可用于模式選擇，將此數(shù)字輸入端接到機(jī)器人IO基板上的3個通用輸出端即可實現(xiàn)通過機(jī)器人切換焊接模式。模式切換方法見表1。

表1 模式切換地址Table 1 Mode switching address

2.1.2 JOB號選擇

針對不同的焊接工件，可在相應(yīng)JOB中設(shè)置成熟的焊接工藝參數(shù)，在焊接不同工件時調(diào)用不同的JOB號。焊機(jī)共有256個JOB號可選，本項目中配置8個，分別對應(yīng)ROB5000通訊板的3個數(shù)字輸入端，將數(shù)字輸入端與機(jī)器人的3個通用輸出端進(jìn)行硬件接線，可通過機(jī)器人輸出指令DOUT輸出組2賦值，DOUT指令中輸出組編號和變量B值的選擇參照表2。例如，需要調(diào)用JOB2，機(jī)器人指令為DOUT OG#（2）B002。

表2 JOB號調(diào)用Table 2 JOB call

2.2 機(jī)器人焊接程序編寫

機(jī)器人焊接程序需要體現(xiàn)運(yùn)行軌跡（焊縫形狀）、焊接速度、起弧、熄弧、調(diào)用JOB號等，因此，機(jī)器人程序直接影響最終焊接效果，需結(jié)合具體工件、具體工藝參數(shù)編輯。

2.2.1 直焊縫

直焊縫的機(jī)器人焊接程序如下：

上述程序中，直焊縫的起點是P2，終點是P3，為了便于起弧成功，需要在P2點下方增加一個P1點用于起弧，在該點停留1s，并延遲1s出焊絲。

2.2.2 環(huán)焊縫

為了使環(huán)焊縫達(dá)到平焊效果，采用如圖3所示位姿進(jìn)行焊接，機(jī)器人和轉(zhuǎn)臺到位后，機(jī)器人手臂不動，轉(zhuǎn)臺帶動工件旋轉(zhuǎn)，該方式對轉(zhuǎn)臺同軸度要求較高。采取兩層焊接，先焊接打底，再擺焊蓋面。

（1）環(huán)焊縫第一層焊接機(jī)器人焊接程序。

圖3 焊接姿態(tài)Fig.3 Welding posture

上述程序中，焊接速度v與機(jī)器人程序中關(guān)節(jié)插補(bǔ)的再現(xiàn)速度百分比x的對應(yīng)關(guān)系如下

式中 v為焊接速度（單位：mm/s）；x為轉(zhuǎn)臺速度百

分比；d為焊接工件直徑（單位：mm）。

2.2.3 方管焊縫

方管焊縫可看成由直線和圓弧組成，為達(dá)到平焊的效果，機(jī)器人單獨(dú)走完直線軌跡，方管拐角處機(jī)器人與轉(zhuǎn)臺聯(lián)動，該焊接方式對轉(zhuǎn)臺同軸度要求較高。圖4為機(jī)器人軌跡示意，帶箭頭的線條表示機(jī)器人運(yùn)動軌跡，可見機(jī)器人與方管在拐角處是繞同一圓心同一方向旋轉(zhuǎn)的，焊縫長度為兩者相對運(yùn)動的距離，焊接速度為兩者相對速度。

（1）方管焊縫第一層焊接機(jī)器人運(yùn)行程序。

圖4 方焊縫焊接運(yùn)動軌跡示意Fig.4 Sketch map of welding trail of square weld

上述程序中，y、x分別對應(yīng)機(jī)器人運(yùn)行速度v1、變位機(jī)運(yùn)行速度v2，v1與v2的差值是焊接速度v。y和x的計算步驟如下：①測量出機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度θ1；②根據(jù)公式v=v2-v1，v1=v2·θ1/90°計算出v1、v2（單位：mm/s）；③計算 y，x。

2.3 弧長跟蹤功能實現(xiàn)

弧長跟蹤功能實現(xiàn)原理：利用焊接電源的恒電流特性，在焊接過程中焊接電流總是等于設(shè)定的電流，而焊機(jī)的弧電壓則隨焊槍弧長變化而變化，當(dāng)焊槍弧長增大時，弧電壓上升，當(dāng)焊槍弧長減小時，弧電壓下降。機(jī)器人弧長檢測板卡通過檢測有效弧壓的變化，調(diào)整機(jī)器人位姿來控制焊槍與板材的距離，使有效弧壓和弧長保持不變，同時焊槍與板材高度也保持不變。

焊接時如遇工件表面有起伏變化，機(jī)器人采集到的弧壓監(jiān)視值模擬量信號也會相應(yīng)變化，通過弧壓跟蹤功能處理，可自動調(diào)整焊槍高度來保證焊槍與工件表面距離恒定，從而保證焊縫穩(wěn)定。

弧長跟蹤功能實現(xiàn)步驟如下：（1）安裝弧壓檢測板卡YC02。（2）打開弧壓跟蹤功能：進(jìn)入維護(hù)模式→選擇選項基板→選擇YCP02。（3）YCP02選擇使用→傳感器功能選擇使用感知器→有效傳感數(shù)1→機(jī)器人傳感器選項選擇有效→回車確認(rèn)，保存設(shè)置。（4）硬件接線如圖5所示。（5）參數(shù)設(shè)置。修改SIE22→3（初始為 0），表示啟用 CH03 通道，關(guān)聯(lián) AIN2；修改S1E28→100，增益補(bǔ)償，單位 0.01mm/V。

圖5 ROB5000與弧壓檢測板卡的硬接線

在實際使用弧長跟蹤功能時，根據(jù)具體加工工件設(shè)置增益補(bǔ)償、最大電壓、最小電壓。

（1）選擇一組合適的工藝參數(shù)，觀測到該工件正常加工時的弧壓變化范圍，例如：正常加工時弧壓在2V附近變化，此時可選擇基準(zhǔn)電壓為2V，最小電壓為1 V，最大電壓為3 V。

（2）將焊槍在Z軸方向抬高或降低，改變鎢針與工件的距離，并測得該高度下的弧壓值，計算弧壓變化與距離變化的比例關(guān)系。如，鎢針高度與弧壓之間的線性關(guān)系如圖6所示，可計算出鎢針高度每變化1mm，弧壓改變0.5 V，因此需要將增益補(bǔ)償值設(shè)為200，該值單位為0.01 mm/V，相當(dāng)于機(jī)器人每接收到1 V弧壓變化補(bǔ)償2 mm。

圖6 鎢針高度與弧壓的比例關(guān)系Fig.6 Relation between the height of the tungsten needle and the arc pressure

3 實驗驗證

結(jié)合上述機(jī)器人運(yùn)行軌跡程序，完成直焊縫、環(huán)焊縫、方管焊縫的焊接實驗，驗證自動焊接功能和弧長跟蹤功能[9-10]。

3.1 直焊縫

不銹鋼件的工藝參數(shù)：鎢極直徑3.2 mm，焊接電流120A，送絲速度1.7m/min，占空比76%，焊接速度30cm/min；鋁合金件的工藝參數(shù)：鎢極直徑4mm，焊接電流220A，送絲速度1.7m/min，焊接速度30cm/min。焊接效果如圖7所示。

圖7 直焊縫焊接效果Fig.7 Welding effect of straight weld

3.2 環(huán)焊縫

鋁合金件環(huán)焊縫焊接工藝參數(shù)如表3所示，根據(jù)式（1）計算可得鋁合金件機(jī)器人再現(xiàn)速度百分比x=5.4%。環(huán)焊縫焊接效果如圖8所示，焊縫均勻，無明顯表面缺陷。

表3 鋁合金件環(huán)焊縫焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters of circumferential welds for aluminum alloy parts

圖8 鋁合金環(huán)焊縫焊接效果Fig.8 Welding effect of aluminum alloy parts in the circumferential weld

3.3 方管焊縫

方管上鋁合金環(huán)焊縫焊接工藝參數(shù)如表4所示，拐角處焊接速度為 7 cm/min，θ1＝80°，計算得 v1＝9.44mm/s，v2＝10.6mm/s，則 y＝57cm/min，x＝18cm/min，拐角處程序為 MOVC V＝57+MOVJ VJ＝18，焊接效果如圖9所示，焊縫均勻，無明顯表面缺陷。

表4 鋁合金方管焊縫焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters of square pipe welds for aluminum alloy parts

圖9 方管上鋁合金方焊縫焊接效果Fig.9 Welding effect of aluminum alloy parts in the square pipe weld

3.4 弧長跟蹤功能

在需打開弧長跟蹤功能的點插入指令A(yù)CRON TF SCF#（1）TCH#（3）TV＝2，在需關(guān)閉弧長跟蹤功能的點插入程序段ACROF。焊接效果對比如圖10所示，SIE28設(shè)為200，最小電壓設(shè)為1 V，最大電壓設(shè)為3.5 V，基準(zhǔn)電壓設(shè)為2 V。機(jī)器人從起點到終點上升約7 mm，1號比2號的焊縫更加均勻穩(wěn)定。

圖10 弧長跟蹤焊接效果對比Fig.10 Comparison of arc length tracking welding effect

4 結(jié)論

針對航天運(yùn)載系統(tǒng)中的一些小尺寸薄壁件手工TIG焊焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，設(shè)計了一種機(jī)器人型TIG焊自動化工作站，該工作站能夠?qū)崿F(xiàn)自動化焊接、焊接參數(shù)可調(diào)，并具有弧長跟蹤功能，能夠自動調(diào)整焊槍高度，保證焊縫穩(wěn)定。