智能焊接機器人系統(tǒng)設(shè)計

方治超,周江澔,劉子龍,張辰驍,早川 真

(1.太倉旭萊自動化機械有限公司，江蘇 蘇州 215400)(2.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

傳統(tǒng)焊接作業(yè)由技術(shù)人員操作焊槍進行，焊接質(zhì)量極大依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗與狀態(tài)，不能保持穩(wěn)定，且成本投入大、焊接效率不高。此外，焊接中會產(chǎn)生有毒有害氣體、粉塵、弧光等，對人體健康存在威脅。而利用焊接機器人進行作業(yè)可極大提高生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量，減少對技術(shù)人員健康的危害[1]。

針對自動焊接工作站系統(tǒng)，孫增光等[2]提出了一種高度自動化的焊接機器人工作站設(shè)計方案，但該方案未將需外部軸變位機配合機器人作業(yè)的情況考慮在內(nèi)。焊接加工中，由于焊縫的位置與作業(yè)空間限制等，需要設(shè)計相應(yīng)的外部軸裝置給予配合，以完成焊接工序[3]。常見的外部軸采用變位機形式，可極大擴展焊接工作站的適用范圍[4]，如文獻[5]提出了一種多軸協(xié)同運動機器人焊接工作站設(shè)計方案。針對多機器人系統(tǒng)，國外已取得了一些研究成果。比較典型的多機器人協(xié)作系統(tǒng)有ABB公司生產(chǎn)的機器人，其控制器IRC中提供了實現(xiàn)多機器人協(xié)作的MultiMove功能[6]；FANUC公司將工件裝夾于搬運機器人末端，同時與多個焊接機器人協(xié)作完成了大型壓實機滾筒的焊接[7]；針對造船廠中繁多的焊接任務(wù)，NKK公司提出了多種基于多機器人協(xié)作的解決方案[8]。

本文設(shè)計了一套智能焊接機器人系統(tǒng)，用機器人替代人在惡劣的環(huán)境下進行有效的工作，自動完成焊接作業(yè)，從而促進焊件的自動化生產(chǎn)和檢測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文所設(shè)計的機器人焊接系統(tǒng)是一種典型的機電一體化裝備系統(tǒng)，包括1套搬運機器人、4套焊接機器人、2套三軸水平回轉(zhuǎn)變位機、4套雙面全自動氣動焊接夾具以及焊接電源、機器人底座、機器人用清槍和電控系統(tǒng)、焊接水冷系統(tǒng)、接觸傳感及電弧跟蹤系統(tǒng)、安全圍欄、上料線和下料線等，如圖1所示。工件流轉(zhuǎn)到上料線，由機器人控制柜控制搬運機器人上料，夾具自動定位夾緊工件；由變位機控制柜控制變位機的回轉(zhuǎn)運動，焊接機器人按預(yù)定程序進行焊接，焊接完成后回到原位，變位機再次回轉(zhuǎn)，搬運機器人卸下工件到下料線，完成一輪工序。

圖1 系統(tǒng)方案總體布局圖

上、下料系統(tǒng)由上、下料線和搬運機器人組成。上、下料線裝備傳感器與預(yù)熱裝備，可與機器人進行通信交互，并對工件進行加工前的預(yù)熱，以提高生產(chǎn)效率。搬運機器人由抓取裝備和工業(yè)機械臂組成。焊接機器人由焊接裝備系統(tǒng)和工業(yè)機械臂組成，其中焊接裝備系統(tǒng)由焊機、送絲機等組成，通過參數(shù)設(shè)置、程序控制等由機器人示教器來實現(xiàn)焊接系統(tǒng)的各種功能。本系統(tǒng)采用6軸獨立關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人，且系統(tǒng)中的變位機也由機器人外部軸控制，動作與機器人聯(lián)動，和機器人一起實現(xiàn)整個焊接過程自動化，具有較高的生產(chǎn)效率。

如圖2所示，系統(tǒng)整體采用對稱式布局，以搬運機器人為中心，在其左、右各布置1臺變位機；上、下料線與搬運機器人處于同一中線上，這樣一套搬運機器人及一套上、下料線便可完成整個工序中工件的流轉(zhuǎn)；兩套焊接機器人位于各自工位，結(jié)合變位機輪流作業(yè)。搬運機器人與上、下料線上待取工件中線之間的距離均為1 800 mm，與夾具之間的距離由其他設(shè)備之間的安全距離確定，控制在1 800 mm以內(nèi)。為避免搬運機器人與焊接機器人在作業(yè)過程中產(chǎn)生運動干涉，將其分別置于變位機兩側(cè)，而不同焊接機器人之間保持安全距離。各控制柜縱向排列于兩側(cè)，與焊接機器人的間距為790 mm。變位機與上料線架的橫向距離為690 mm，與上料線驅(qū)動模塊的距離為1 418 mm，與上料線定位模塊的距離為735 mm。

圖2 焊接機器人系統(tǒng)整體布局二維圖

線纜布局整體呈“山”字型(圖2中布線區(qū))，主要線纜沿車間隔板布置，兩側(cè)縱向布置的線纜主要為兩側(cè)焊接機器人及其控制柜傳輸電力與控制信號，車間中間的線纜則主要服務(wù)于上、下料線以及搬運機器人。為保證電氣安全，焊接機器人與車間橫向布置的線纜間距設(shè)計為970 mm。

2 外部軸變位機的設(shè)計

為保證焊接質(zhì)量和效率，機器人焊接作業(yè)中需要變位機的協(xié)助。變位機是一種工業(yè)加工輔助設(shè)備，通過其中的回轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)機構(gòu)等，實現(xiàn)工作臺升降、回轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)等，輔助進行加工。通過焊接變位機工作臺的翻轉(zhuǎn)，可使焊縫處于易焊位置。圖3、圖4分別為本文中變位機的二維正視圖與三維模型圖。

圖3 變位機的正視圖

本文設(shè)計的水平回轉(zhuǎn)三軸變位機長為3 450 mm，寬為2 500 mm，單持翻轉(zhuǎn)軸距離底座1 000 mm(圖3)，其參數(shù)見表1。

圖4 變位機的三維模型

表1 水平回轉(zhuǎn)三軸變位機參數(shù)

該變位機機架采用鈑材及型材拼焊而成，焊接后經(jīng)去應(yīng)力處理，可提供高強度支撐。其翻轉(zhuǎn)功能由機器人外部軸電機驅(qū)動，伺服電機通過RV精密減速機、輸出小齒輪與回轉(zhuǎn)支承嚙合，驅(qū)動工作臺及工件翻轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)支承采用“單排球式回轉(zhuǎn)支承”。為使該變位機與機器人聯(lián)動，其由機器人外部軸控制。

3 焊接夾具設(shè)計

本文的焊接工件為外形相同的一批叉車用貨叉，由L型鍛件及兩個連接塊組成，如圖5所示。工件規(guī)格見表2，由于工件H柄和L柄長度不同，厚度與寬度也不相同，因此設(shè)計了一套可調(diào)節(jié)式夾具。

圖5 L型貨叉工件三維圖

工件主體呈L型，由于焊接點均集中于H柄(短柄)外側(cè)，因此設(shè)計夾具的定位點集中于L型工件的折彎處的外側(cè)以及L型面，可達到較好的通用性。圖6為焊接工裝夾具的俯視圖，在L柄長方向上設(shè)定兩個用于定位的點，最遠的定位點距H柄定位面的距離稍小于L柄長，以保證對不同尺寸工件的定位約束，不因距離過短或過長而欠定位。設(shè)計的最遠定位點距H柄定位面的距離為717 mm。根據(jù)L柄長度的最大值為1 830 mm，將夾具體主要支撐工件長度方向的總長設(shè)計為1 800 mm。工件厚度最大值為75 mm，由于夾具定位面與夾具夾緊塊之間的距離應(yīng)大于此值，因此設(shè)計夾具定位面與夾具夾緊塊之間的最大距離分別為80 mm與100 mm，以便于機器人裝上工件。

表2 工件規(guī)格表

圖6 焊接工裝夾具上視圖

圖7為定位夾緊了最大尺寸工件的本工裝夾具三維圖，工件夾緊采用氣動系統(tǒng)，3個平動方向均由氣缸帶動活動件夾緊約束。為盡可能不限制焊槍的工作空間，H柄外側(cè)夾具定位塊偏向于兩焊點之間的中間位置處。為最大程度利用裝夾空間，結(jié)合三軸變位機提高生產(chǎn)效率，本夾具可同時裝夾兩個工件，變位機夾具夾持軸翻轉(zhuǎn)180°之后，另一套機器人便可迅速加工下一工件。

圖7 焊接工裝夾具三維模型

如圖8所示，變位機采用雙工位設(shè)計，在變位機兩夾具軸上對稱放置兩套工裝夾具，兩個焊接機器人在各自的工位交替工作(機器人工位布局見圖2)。在搬運機器人將工件置于夾具上，夾具自動夾緊工件后，變位機回轉(zhuǎn)將工件轉(zhuǎn)向焊接機器人工位，緊接著兩套焊接機器人輪流進行焊接，同時搬運機器人在變位機另一側(cè)繼續(xù)進行上、下料作業(yè)。如此循環(huán)。

圖8 變位機與夾具總裝三維模型

4 搬運卡爪的設(shè)計

本系統(tǒng)搬運機器人卡爪采用氣缸驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕便、安裝維護簡單等優(yōu)點。圖9與圖10分別為該氣動卡爪的三維圖與原理圖。如圖10所示，該氣動卡爪有兩個爪，其中一個爪與機架固連，另一個爪可動，采用連桿機構(gòu)。氣缸行程為20 mm，桿1長為75 mm，桿2長為97 mm，桿3長為94.5 mm，桿4長為51 mm，桿5長為71 mm。當(dāng)機器人執(zhí)行抓取動作時，由氣缸推動桿1，桿1帶動桿2、三角塊3與桿4，進而推動滑塊5，即卡爪可動爪，相對機架6朝固定爪移動，從而夾緊工件。由于工件最小厚度為40 mm，最大厚度為75 mm(見表2)，因此設(shè)計可動爪總行程約為65 mm，卡爪間距最小值為38 mm，最大值為103 mm，以提供充足的余量，避免誤差導(dǎo)致抓取失敗的情況出現(xiàn)?？ㄗA持面采用鋸齒面，以增大抓取工件時的摩擦力，保證機器人搬運工件時穩(wěn)定夾持。

1—與氣缸固連桿；2—連桿；3—三角塊；4—連桿；5—滑塊(即可動爪)

圖10 氣動卡爪原理圖

5 上、下料線的設(shè)計

上、下料線均為電機帶動的鏈?zhǔn)搅魉€，具有較高的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。為與機器人協(xié)同進行上、下料作業(yè)，并降低機器人等待時間與抓取失誤率，在上、下料流水線上均加裝傳感器以與機器人進行通訊，由傳感器信號控制機器人工作節(jié)拍。如圖11所示，在上料線中，工件被運輸帶傳送至流水線末端后，由氣缸帶動3個活動部件，將工件抬升與移出，并定位至搬運機器人的抓取位，保證搬運機器人順利抓取。

圖11 上料線三維模型

焊接前將工件局部適當(dāng)加熱，可減緩焊接處的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織和減小焊接應(yīng)力與變形，防止產(chǎn)生焊接裂紋，保證工件的生產(chǎn)質(zhì)量。因此，在上料線一側(cè)加裝預(yù)熱火焰槍對工件進行焊接前預(yù)熱。為防止預(yù)熱高溫導(dǎo)致流水線主體受熱變形，在其與工件之間添置一耐火磚以阻高溫。

6 工業(yè)機器人選型

為縮短研發(fā)調(diào)試周期，減少研發(fā)成本，需對焊接機器人進行具體需求分析且選型，為焊裝線項目的機器人招標(biāo)采購、工藝驗證提供有力支持。

6.1 焊接機器人選型

本文焊接機器人系統(tǒng)主要生產(chǎn)L型叉車用貨叉，根據(jù)系統(tǒng)整體方案，每組變位機需要2套焊接機器人在其同一側(cè)的近兩端處輪流進行焊接作業(yè)，即整套系統(tǒng)共需要4套焊接機器人。因機器人工位不需移動，工件焊點可由變位機調(diào)整，所以可直接將機器人固定在地面上。在工業(yè)場景中一般選用6獨立關(guān)節(jié)機械臂以滿足機器人靈活度需求。

工件質(zhì)量較大，對焊接后的強度和精度要求較高，重復(fù)定位精度要求在±0.04 mm。機器人末端連接焊槍，由于焊槍質(zhì)量較輕，因此對機器人末端承重要求低，最大承重不超過7 kg。機器人焊接位距其基座中心距離為800～1 500 mm。根據(jù)上述要求，選用松下TM1800-GⅢ型焊接機器人，其參數(shù)見表3。該型號機器人末端中心可達范圍廣，重復(fù)定位精度高，制動方式為全軸制動，能滿足實際焊接要求。

表3 焊接機器人參數(shù)表

6.2 搬運機器人選型

根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計方案，僅需要1套搬運機器人固定于系統(tǒng)中心位置，同樣選用6獨立關(guān)節(jié)機械臂進行搬運作業(yè)。

工件最大質(zhì)量為200 kg，最大搬運距離大于1 800 mm。由于上、下料線，夾具及卡爪上均在設(shè)計時留有一定的誤差容許量，因此對搬運機器人的運動精度要求相對焊接機器人低。設(shè)計中以搬運機器人為系統(tǒng)中心，要求機器人1軸的轉(zhuǎn)動范圍較大。據(jù)此，本系統(tǒng)選用FANUC重載智能機器人M-900iB/360，其詳細參數(shù)見表4。該型號機器人靈活運動空間大，1軸轉(zhuǎn)角范圍為±185°，制動方式為全軸制動，能滿足系統(tǒng)4個方向抓取與放置作業(yè)的要求。

表4 搬運機器人參數(shù)表

7 機器人焊槍的選型

焊槍的作用是夾持鎢極、傳導(dǎo)焊接電流、輸送并噴出保護氣體[9]。焊槍分為氣冷式和水冷式兩種，前者一般用于小電流(≤150 A)焊接，其冷卻主要是通過保護氣體的流動實現(xiàn)，焊槍質(zhì)量輕、尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，價格比較便宜。后者一般用于大電流(>150 A)焊接，其冷卻主要由流過焊槍內(nèi)導(dǎo)電部分和焊接電纜的循環(huán)水來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，比氣冷式焊槍質(zhì)量大且價格高。

焊接時間過長鎢棒會產(chǎn)生很高的溫度，容易燒壞焊槍手把夾頭。水能快速帶走鎢棒傳遞到手把的熱量，對焊手把的冷卻效果很好，適合長時間使用，并且效率高，其暫載率即弧焊電源工作持續(xù)的時間與周期時間的比值，可以達到100%，而氣冷焊槍通常為60%。因此，本文系統(tǒng)選用TBi水冷焊槍，如圖12所示。

圖12 TBi機器人水冷焊槍

8 應(yīng)用案例

本文機器人焊接系統(tǒng)在實際使用中，展現(xiàn)了其高實用性、精確性及可行性。

圖13所示為應(yīng)用于蘇州太倉旭萊自動化機械有限公司的機器人焊接系統(tǒng)工件焊接與搬運作業(yè)示意圖。經(jīng)測試，平均下來機器人焊接系統(tǒng)焊接一件產(chǎn)品所需的時間為52.5 s，相比人工焊接一件產(chǎn)品所需時間(約240 s)大幅減少，實現(xiàn)了生產(chǎn)效率的大幅提升。

圖13 機器人焊接系統(tǒng)作業(yè)過程

9 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)設(shè)計入手，介紹了機器人焊接系統(tǒng)各部分的組成，對系統(tǒng)整體布局進行了詳細設(shè)計，實現(xiàn)了無人化自動焊接。本文的設(shè)計方案保證了焊接系統(tǒng)中各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)配合，相較傳統(tǒng)人工焊接與單機器人焊接系統(tǒng)，焊接效率得到了提升。焊接智能化是焊接領(lǐng)域未來的發(fā)展方向，本文通過對系統(tǒng)的整體設(shè)計和各部件的單獨設(shè)計，將焊接智能化的理念應(yīng)用于實際生產(chǎn)當(dāng)中，是對自動化生產(chǎn)理論的實踐。