復(fù)雜長(zhǎng)焊縫焊接機(jī)器人工作站及其工裝夾具設(shè)計(jì)分析

李敏剛

摘要：現(xiàn)階段隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展有了很大的進(jìn)步，機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。機(jī)械制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)較激烈，許多企業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都提出了較高要求，將焊接機(jī)器人用于更多生產(chǎn)線中，可帶動(dòng)焊接自動(dòng)化的發(fā)展。在確保精度足夠、質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品制造可靠性，同時(shí)降低人工成本、減少材料損耗、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、增加企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜長(zhǎng)焊縫焊接機(jī)器人工作站;工裝夾具;設(shè)計(jì)分析

隨著21世紀(jì)制造業(yè)的高速發(fā)展焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化已是必然趨勢(shì)，它不僅可以大大提高焊接效率，更重要的是可以確保焊接質(zhì)量，改善操作環(huán)境?，F(xiàn)代焊接工藝正在向著機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，采用機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。

1機(jī)器人焊接工藝分析

一般裝備制造業(yè)的焊接生產(chǎn)工藝包含三部分：第一是手工點(diǎn)焊法，即SpotWelding或者TackWelding;第二是通過(guò)焊接專機(jī)或者手工焊節(jié)點(diǎn)的連續(xù)焊接;第三是要求更高的拼裝焊接一體，即機(jī)器人自動(dòng)焊接。這類配置主要結(jié)合了中小規(guī)模生產(chǎn)形式的特征，具有一定的科學(xué)性與實(shí)用性。由于113.55L臥式容器的附件較多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之前道工序的精度限制，第三類的拼焊一體很難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于工裝要求較高，前期投入較大，因此宜采用第一類與第二類結(jié)合的生產(chǎn)工藝，即線下設(shè)點(diǎn)焊拼裝工位，完成附件預(yù)拼裝點(diǎn)焊工序后，吊裝到變位機(jī)上定位裝夾好，再實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)焊接。在機(jī)器人焊接第1個(gè)容器的過(guò)程中，將第2個(gè)容器吊裝到另1臺(tái)變位機(jī)開(kāi)始點(diǎn)焊拼裝，按照理論的生產(chǎn)節(jié)拍依次輪流作業(yè)，1個(gè)點(diǎn)焊拼裝工位可以覆蓋2個(gè)變位機(jī)工位，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。機(jī)器人焊接的介入提高了生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量，既降低了工裝的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)又減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2典型機(jī)器人焊接系統(tǒng)

機(jī)器人焊接基本系統(tǒng)主要由機(jī)器人、焊接裝備、工裝夾具等構(gòu)成。從技術(shù)構(gòu)成角度來(lái)看，機(jī)器人焊接系統(tǒng)可劃分為“機(jī)器人+焊接”“機(jī)器人+焊接工作站”“機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線”。

2.1機(jī)器人+焊接

機(jī)器人+焊接主要是就機(jī)器人單體實(shí)現(xiàn)焊接工序自動(dòng)化而言，就是考慮機(jī)器人的動(dòng)作對(duì)焊接過(guò)程的自動(dòng)控制。機(jī)器人本體是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制柜是機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，示教器是機(jī)器人控制系統(tǒng)與操作者的交互界面，機(jī)器人底座是固定承重的載體。焊接電源是焊接系統(tǒng)的能量發(fā)生來(lái)源，焊槍是能量輸出的通路，送絲機(jī)構(gòu)和焊絲盤架是焊材的供應(yīng)來(lái)源。

2.2機(jī)器人+焊接工作站

機(jī)器人+焊接工作站是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的焊接工作單元系統(tǒng)，這是從焊接整個(gè)過(guò)程的完成達(dá)成性角度而言。除了機(jī)器人施焊過(guò)程的必要組成部件之外，還要加上諸如外部裝置電氣控制、觸摸屏、工裝夾具、變位機(jī)構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、保護(hù)圍欄、吸塵裝置等等。作為一個(gè)機(jī)器人焊接工作站，其任務(wù)就是能夠獨(dú)立完整地完成對(duì)某一工件的焊接工作，這就不僅對(duì)機(jī)器人如何去焊接提出了要求，而且對(duì)于如何保證機(jī)器人焊接也有所要求。在焊接工件完成過(guò)程中，需要工件的位置固定并控制所需的工裝夾具和變位機(jī)構(gòu)，也需要圍欄、吸塵裝置等人身安全健康保護(hù)裝置。

2.3機(jī)器人與焊接生產(chǎn)線

機(jī)器人與焊接生產(chǎn)線主要是應(yīng)對(duì)機(jī)器人在焊接生產(chǎn)中自動(dòng)化條件。機(jī)器人焊接工作場(chǎng)所為基礎(chǔ)，機(jī)器人工作場(chǎng)地就會(huì)逐漸增加，構(gòu)建成各種焊接工作場(chǎng)地組成生產(chǎn)線。對(duì)于焊接生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化來(lái)講，其內(nèi)容包含材料、零件準(zhǔn)備、組裝上料、焊接工作、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、下料分揀等數(shù)項(xiàng)工作，這一自動(dòng)化生產(chǎn)線必須確保全過(guò)程無(wú)流程失誤和意外情況。這也就意味著焊接機(jī)器人的實(shí)際流水線不但要具備整體系，還必須要保障其各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)問(wèn)題質(zhì)量。機(jī)器人與焊接生產(chǎn)場(chǎng)所的內(nèi)容就會(huì)更加復(fù)雜，必須確保生產(chǎn)流水線的協(xié)調(diào)性，分配常規(guī)流水線和故障流水線。當(dāng)生產(chǎn)加工或其他工作出現(xiàn)問(wèn)題，則需要將其轉(zhuǎn)移至其他路徑，集中統(tǒng)一管理，不但有助于查找故障問(wèn)題，而且能夠保證生產(chǎn)流水線正常進(jìn)行，不會(huì)影響進(jìn)度。自動(dòng)化生產(chǎn)和智能控制的難點(diǎn)就在于對(duì)于意外情況的處理，要想保證焊接生產(chǎn)線無(wú)操作事故和特殊事件，就必須加強(qiáng)其機(jī)器人的緊急應(yīng)對(duì)措施。通過(guò)優(yōu)化機(jī)器人中心處理器的功能方案來(lái)保證生產(chǎn)線中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)水平和所有產(chǎn)品的質(zhì)量。

3機(jī)器人焊接工裝設(shè)計(jì)

3.1基本要求

為確保焊接機(jī)器人的正常運(yùn)作，焊接工裝夾具需按照以下基本要求進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）足夠的強(qiáng)度和剛度由于工件外形復(fù)雜且為殼類零件，焊接夾具在使用過(guò)程中長(zhǎng)期受到壓板和焊接機(jī)器人的壓力，為保證工件不變形，夾具需具備足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)承受因限制焊接變形而引起的各個(gè)方向上的拘束力[3]。（2）定位精準(zhǔn)定位基準(zhǔn)應(yīng)盡可能選取工藝孔或者工藝面，需盡量避免出現(xiàn)過(guò)定位的情況;同時(shí)定位基準(zhǔn)數(shù)量越少越好，以避免多基準(zhǔn)引起的公差累積;還要在保證尺寸一致性的前提下，盡可能減少自由度的限制數(shù)量，減小工裝夾具的設(shè)計(jì)難度。（3）夾緊迅速準(zhǔn)確夾緊力選擇需適中，夾緊力過(guò)大會(huì)破壞被焊工件的定位裝置和幾何形狀，而夾緊力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致夾緊后焊件松動(dòng)滑移。夾緊位置的選擇應(yīng)均勻，避免薄壁零件因受力不均產(chǎn)生應(yīng)力及變形。（4）焊接操作方便確保足夠的焊接空間使焊接機(jī)器人運(yùn)行不受阻礙，且便于操作人員工作。不能妨礙焊接工件裝卸，以縮短裝卸時(shí)間并減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。（5）工藝性好設(shè)計(jì)夾具時(shí)需考慮工廠及其產(chǎn)品的實(shí)際情況如產(chǎn)量、工廠環(huán)境等，所設(shè)計(jì)的夾具應(yīng)便于制造、安裝、操作、檢驗(yàn)、維修和更換易損零件。（6）快速換型工裝夾具設(shè)計(jì)應(yīng)考慮快速換型需求，以滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)快速切換的需要，充分提高換線速度。

3.2智能焊接功能說(shuō)明

在該智能焊接工作站項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中采用了許多前沿的機(jī)器人焊接技術(shù)，下面對(duì)部分焊接技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：（1）智能尋位功能：利用噴嘴或焊絲碰觸工件，可確定真實(shí)焊縫位置，尋位精度±0.25mm。（2）電弧跟蹤功能：系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)焊接中的電流、電壓信號(hào)采樣，根據(jù)因下料不規(guī)則及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形分析得出的數(shù)據(jù)修改機(jī)器人路徑，能夠自行適應(yīng)焊接過(guò)程中的工件變形。（3）臨時(shí)停點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)功能：焊接中發(fā)生電弧異常和暫時(shí)停止的時(shí)候，去除錯(cuò)誤因素或者暫時(shí)停止原因后，在再啟動(dòng)時(shí)調(diào)用命令，自動(dòng)從任意位置向電弧切斷位置恢復(fù)，同時(shí)還可通過(guò)設(shè)定對(duì)于電弧切斷位置的偏置量（以電弧切斷位置為基準(zhǔn)的焊接線方向的平移量），指定焊縫的重疊和焊接剩余部分。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)工業(yè)改革步伐的快速推進(jìn)，我國(guó)社會(huì)工業(yè)發(fā)展也在不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人焊接技術(shù)是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，也是現(xiàn)代化工業(yè)的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：安川首鋼機(jī)器人有限公司）