倪 寶，呂家友

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

1 概述

弧焊技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產(chǎn)領(lǐng)域。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)車架的焊接一般采用人工CO2保護(hù)焊，存在焊縫不穩(wěn)定、焊接質(zhì)量差、工作效率低、對人體傷害大等缺點。近年來，隨著市場競爭的日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)率、保證焊接質(zhì)量、實現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動化和智能化得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的日益重視。其中弧焊機(jī)器人系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化和智能化的主要手段，弧焊機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

奇瑞公司P11焊裝車間車架生產(chǎn)線共有兩個機(jī)器人弧焊工位，每個工位有四臺弧焊機(jī)器人，左右對稱布置。每臺機(jī)器人焊縫大約有15條，總長度約2.5 m，焊接時間400 s，現(xiàn)場概況如圖1所示。八臺FANUC弧焊機(jī)器人擔(dān)負(fù)著P11車架縱梁總成的焊接任務(wù)。焊接夾具油缸驅(qū)動采用液壓控制，油缸的動作順序控制采用PLC控制。

圖1 弧焊機(jī)器人現(xiàn)場布置

2 弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)硬件構(gòu)成

弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)硬件主要由弧焊機(jī)器人、PLC、焊機(jī)系統(tǒng)、清槍器和安全控制系統(tǒng)組成。PLC與機(jī)器人之間采用PROFIBUS-DP通信方式進(jìn)行信號交換，實現(xiàn)PLC對機(jī)器人的控制。機(jī)器人與弧焊機(jī)控制器之間采用DEVICENET通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了機(jī)器人對弧焊機(jī)的控制機(jī)及弧焊機(jī)參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

為了更好地了解弧焊系統(tǒng)，現(xiàn)把框圖的各個部分作如下介紹。

（1）PLC。采用西門子S7400系列CPU414-2DP PLC，該PLC為西門子高端PLC，CPU處理速度快，通信能力強，適用于大型控制系統(tǒng)。PLC采用PROFIBUS-DP網(wǎng)路通訊（見圖3）實現(xiàn)分布式控制。PLC通過讀取外部信號狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理，驅(qū)動電磁閥動作，控制液壓站的起停、控制弧焊機(jī)器人的自動運行。PLC就像聯(lián)絡(luò)員，把夾具、機(jī)器人、液壓站、清槍器等設(shè)備協(xié)調(diào)起來，實現(xiàn)有序的自動化工作。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信布置

（2）機(jī)器人。采用FANUC公司的ARCMate100iB型弧焊機(jī)器人，控制系統(tǒng)選用高性能的焊接機(jī)器人FANUC SYSTEM R-30iA控制系統(tǒng)。該機(jī)器人工作半徑1 687 mm，腕部負(fù)載6 kg，重復(fù)精度±0.08 mm，確保了焊縫位置的精確控制。

（3）傳感器。外圍輸入信號如夾具油缸位置檢測信號、按鈕信號等，輸入給PLC。

（4）液壓站。采用油泵為動力輸出，液壓油為媒介，驅(qū)動油缸的運動。

（5）電磁閥。由PLC輸出點控制其線圈通斷，達(dá)到閥體換向，從而控制油缸動作方向的控制元件。

（6）焊機(jī)系統(tǒng)。焊機(jī)系統(tǒng)主要由焊接電源、送絲機(jī)、焊槍組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 焊機(jī)系統(tǒng)實物

a.焊接電源：在車架焊接系統(tǒng)中選用林肯逆變電源 Power Wave F355i。

①Power Wave焊接電源是模塊式、多過程焊接系統(tǒng)的一部分。依據(jù)不同的配置情況，它能支持恒電流、恒電壓和脈沖焊接模式。

②Power Wave電源專門設(shè)計與Power Feed送絲機(jī)配合使用。系統(tǒng)中的每一個元件具備與系統(tǒng)的其他元件“交流”的特殊電路，這樣每個元件（電源、送絲機(jī)和機(jī)器人控制器）就能“知道”其他元件在任何時候的“行動”。

③Power Wave F355i是一種具備高性能、數(shù)字控制的逆變焊接電源，它能從事一些復(fù)雜的和高速度的波形控制。在60%負(fù)載持續(xù)率下，額定輸出是350A和34V；在100%負(fù)載持續(xù)率下，輸出值為300 A和32 V。

④Power Wave F355i和ARC Mate 100iB機(jī)器人通過DEVICENET協(xié)議進(jìn)行通信，這是一種在工業(yè)應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位的系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)采用數(shù)字化通信協(xié)議，所有焊接參數(shù)、工藝控制等操作僅通過機(jī)器人的示教器即可完成，同時還能進(jìn)行設(shè)備的故障診斷等。

b.焊槍為德國制造，型號BINZEL 350GC。該品牌為世界知名品牌，質(zhì)量可靠。

c.送絲機(jī)為美國制造的數(shù)字控制自動送絲機(jī)，型號LINCOLN PF10R，如圖5所示，特點如下。

①數(shù)字控制。與Power Wave焊接電源配合使用，能產(chǎn)生極佳的焊接性能。

②轉(zhuǎn)速反饋裝置能進(jìn)行送絲速度的校對，從而實現(xiàn)送絲速度的精確控制。

圖5 送絲機(jī)實物

③送絲機(jī)制動裝置能在幾毫秒內(nèi)將送絲速度從最大值降低到0，從而降低焊絲粘連在焊接熔池中的幾率。

④單獨的送絲導(dǎo)向提供無故障的送絲以及簡便的焊絲安裝、轉(zhuǎn)換和維護(hù)。

⑤可讀數(shù)的標(biāo)尺便于精確設(shè)置送絲輪壓緊力。

（7）清槍器。當(dāng)機(jī)器人焊接完成后，噴嘴上會遺留焊渣，如果不清除干凈就會影響焊接質(zhì)量。使用清槍器能夠有效清掉焊渣。如圖6所示，清槍時機(jī)器人把噴嘴首先放到位置1，1號裝置在氣壓的作用下會向上頂升，高速旋轉(zhuǎn)清除焊渣，然后放到位置2，2號裝置會噴出油霧到導(dǎo)電嘴上，這樣可以防止飛濺粘到導(dǎo)電嘴上，提高焊接質(zhì)量。

圖6 清槍機(jī)實物

（8）安全系統(tǒng)：主要由雙通道安全繼電器、光柵、雙手按鈕、卷簾門組成。

雙手按鈕是起動夾具動作、機(jī)器人運行的觸發(fā)設(shè)備。為確保誤動作，當(dāng)兩手同時壓下按鈕時，安全繼電器的雙通道回路才會導(dǎo)通，觸發(fā)機(jī)器人的動作。

安全繼電器為雙通道、雙線圈、雙觸電冗余設(shè)計，具有觸點強制斷開、自檢功能，安全等級達(dá)4級。

光柵的檢測距離為1 000 mm，可保護(hù)手指，安全等級為4級。當(dāng)光柵被觸發(fā)時，機(jī)器人立即停止，控制夾具驅(qū)動油缸的電磁閥斷電。

卷簾門關(guān)上時機(jī)器人才允許動作，打開時機(jī)器人不允許動作，確保人員進(jìn)入時的安全。

3 弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)PLC程序框圖

該生產(chǎn)線弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)PLC程序框圖如圖7所示。

圖7 弧焊機(jī)器人系統(tǒng)PLC程序框圖

4 弧焊機(jī)器人程序常用指令介紹

（1）運動指令。

指令 1：JP[2]100%fine

含義：機(jī)器人的運動軌跡不能確定。執(zhí)行運動語句時，系統(tǒng)會自動計算最佳路徑，使TCP點從當(dāng)前位置運動到該點。

指令 2：LP[3]100%fine

含義：機(jī)器人執(zhí)行直線運動，TCP點從當(dāng)前位置走直線到達(dá)該點。指令 3：CP[4]

CP[5]100mm/sec FINE含義：機(jī)器人執(zhí)行圓弧運動，TCP點從當(dāng)前點經(jīng)過中間點P[4]到達(dá)P[5]點。

（2）Arcstart。弧焊起動指令，執(zhí)行該語句時，焊接開始。

（3）Arcend?；『附Y(jié)束指令，執(zhí)行該語句，焊接結(jié)束。

（4）CALL。程序調(diào)用指令，調(diào)用子程序用。

（5）擺動指令。

當(dāng)焊縫的間隙不太穩(wěn)定時，擺動指令的應(yīng)用就會起到很好的效果。

參數(shù)設(shè)置屏如圖8所示。弧焊機(jī)器人程序示例：

圖8 參數(shù)設(shè)置

5 弧焊機(jī)器人焊接參數(shù)設(shè)置

在本弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)中，機(jī)器人與焊接控制器通過DEVICENET總線進(jìn)行連接，相互之間可進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通信，這為通過機(jī)器人設(shè)置焊機(jī)參數(shù)以及對焊機(jī)系統(tǒng)故障診斷提供了必要條件。既可以在機(jī)器人示教器上設(shè)置焊接參數(shù)，又可以通過機(jī)器人示教器診斷焊機(jī)故障。

5.1 常用焊接參數(shù)的設(shè)置

操作步驟：DATA—Weld schedule/Weld process)，如下所示：

DATAWeldSched\\\\\\\JOINT

1 Weld Schedule：2[****************]焊接規(guī)范

2 Processselect:1[GMAWSteel]焊接工藝

3 WFS 300.00 ipm 送絲速度

4 VOLTS 23.500 V 焊接電壓

5 Arc Control00.000 電弧修正系數(shù)

6 Travel speed 35 IPM 行走速度

7 Delay Time 0.00 sec 收弧延遲時間

8 Feedback Avg Voltage 0.0 V 反饋電壓

9 Feedback Avg Current0.0 A 反饋電流

5.2 參數(shù)說明

注釋：Trim這列和第一IPM(WFS)列被鎖定成0～10 V信號，這個信號會送到Power wave焊接電源或是其他焊機(jī)。最小值與最大值之間的范圍將會標(biāo)定成0～10V信號。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行一個指令時，Trim值及WFS的值將會被換成從0～10 V的電壓。例如，假設(shè)送絲速度為0～1 000 IPM，整個范圍被標(biāo)定為0～10V信號。如果機(jī)器人執(zhí)行一個起弧指令，并且在焊接表中看到送絲速度為350 IPM被調(diào)用。它將與整個對應(yīng)0～10 V信號的送絲速度相比較。結(jié)果是一個3.5 V信號，因此是把該電壓送到Power wave。The Power wave如果接收到一個3.5 V信號，它會強制送絲速度為350 IPM。

不同的weld schedule可以為填滿焊縫而被調(diào)用。也許arc start使用schedule①FANUC ROBOT SERIES R-30IA CONTROLLER ARC TOOL OPERATOR’S MANUAL.，但為了填滿焊縫，有著不同WFS的weld schedule和一個短暫延時被要求使用。一旦機(jī)器人到了arc end點，程序會立即跳到weld schedule，維持該弧一段特定的時間，然后斷弧。如果有需要，可以在焊接過程中換成另外的weld schedule，這要簡單地記錄下焊接程序必須在什么位置去換，接著馬上使用從不同weld schedule中借鑒來的arc start指令。從理論上講，在一個單一的焊接中使用全部的32個參數(shù)也是可能的。

6 弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)優(yōu)點

（1）提高了發(fā)現(xiàn)和處理故障的能力。

當(dāng)電源處于待機(jī)狀態(tài)和出現(xiàn)故障時可直接通過機(jī)器人示教器和其控制柜上的以太網(wǎng)接口來處理解決。

（2）緊湊集成的組裝。

通過簡單的內(nèi)部連接，使焊接電源和機(jī)器人的控制柜共用一根輸入電纜。

（3）焊接參數(shù)完全由機(jī)器人示教器控制。

Power Wave F355i內(nèi)置的焊接程序數(shù)據(jù)庫，能很容易地從機(jī)器人示教器中進(jìn)行存取。

（4）機(jī)器人控制器的以太網(wǎng)連接通信。

通過聯(lián)網(wǎng)的個人電腦能進(jìn)行遙控檢測、修改、排除故障和焊接電源軟件的升級。

（5）機(jī)器人焊接系統(tǒng)能進(jìn)行焊接模式的選擇。

如：預(yù)送氣、起弧前送絲速度、電弧控制、回?zé)髷鄽饧笆栈〉?。這使得操作人員能很好的控制焊接工藝及程序。

（6）焊接參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。

不需要單獨設(shè)置送絲速度和電壓，它能自動根據(jù)所設(shè)定的送絲速度來設(shè)置電壓和脈沖等特性。

（7）Power Wave電源具有一個很大的焊接程序或稱為焊接模式的數(shù)據(jù)庫。

每個焊接模式是一個特定軟件程序，用于確定焊接電源的輸出特性。這些焊接模式被開發(fā)應(yīng)用于很廣的范圍，它們可以通過具體的焊絲型號、焊絲直徑、保護(hù)氣體類型或?qū)嶋H應(yīng)用來確定。

7 應(yīng)用效果

弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)應(yīng)用于奇瑞車架焊接以后，工作效率提高，機(jī)器人軌跡運行速度最大可達(dá)2000mm/s，焊接速度最大可達(dá)35mm/s。在車架焊接參數(shù)中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，充分考慮焊接效率和焊接質(zhì)量因素，采用6～15 mm/s焊接速度。使用弧焊機(jī)器人焊接，焊縫質(zhì)量可靠，工作效率穩(wěn)定。與人工焊接相比，有效避免了因人工技能、心情等因素造成的焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率問題。機(jī)器人焊接和人工焊接效果對比如圖9所示。

圖9 焊接效果

當(dāng)然，機(jī)器人弧焊應(yīng)用仍有一些不足的地方，例如弧焊變形控制仍然比較困難，需要在后續(xù)工位增加校正工位來機(jī)械校正焊接變形問題，目前正在做進(jìn)一步的研究來提高焊接尺寸精度。

8 結(jié)論

由FANUC ARC Mate 100iB弧焊機(jī)器人、林肯Power Wave F355i焊接電源、西門子S7400 CPU414-2DP PLC組成，采用 PROFIBUS-DP、DEVICENET總線方式集成的弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、安全可靠、焊接質(zhì)量好、工作效率高、操作簡單等特點，智能化故障診斷功能也為維修提供了很大便利。該系統(tǒng)在奇瑞車架焊接上的首次使用便取得了良好效果，填補了奇瑞在車架自動化焊接上的空白，為推動弧焊自動化生產(chǎn)線的建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。