王生棟，王吉潔，楊 揚，王 騰

(中國電子科技集團公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210001)

機器人的誕生是人類在20世紀取得的重大科學(xué)技術(shù)成就之一，是20世紀自動控制領(lǐng)域最有說服力的成就，代表了當代自動化行業(yè)的最高水平[1]。伴隨著機器人技術(shù)的不斷成熟，機器人的工業(yè)化應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了社會生產(chǎn)效率。隨著《中國制造2025》的提出，中國傳統(tǒng)的制造行業(yè)迎來了轉(zhuǎn)型發(fā)展期[2]。如何提高資源利用率和生產(chǎn)效率也成為了傳統(tǒng)制造業(yè)必須面對的重要課題[3]。

本文基于KUKA-KR60-3機器人和Fronius TPS4000CMT焊機，設(shè)計了一種可應(yīng)用于新能源汽車鋁合金電池圍框的自動化焊接工作站。該機器人焊接工作站具有焊接效率高、自動化程度高和可連續(xù)不間斷工作的特點，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)功能與組成

本文設(shè)計的機器人焊接工作站主要應(yīng)用于鋁合金電池圍框的焊接，焊接材料包括但不限于6061-T6、6082-T6等各系鋁合金。該工作站主要由KUKA-KR60-3工業(yè)機器人、Fronius TPS4000CMT焊機、焊接夾具、雙工位變位機、排煙除塵系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)組成(見圖1)。

圖1 機器人焊接工作站

2 工裝夾具設(shè)計

本文設(shè)計的工裝夾具主要由Base板、自動夾緊氣缸、手動夾緊氣缸、定位單元、支承單元、傳感器、閥島及I/O箱組成(見圖2)。由于該工裝應(yīng)將9個零部件焊接成型，在工件上裝過程中應(yīng)將部分氣缸手動夾緊，以確保定位準確，并設(shè)計有防放錯傳感器。Base板采用25 mm厚鋼板加工而成，閥島及I/O箱放置在空曠處，避免影響上下工件和焊接。

圖2 工裝夾具設(shè)計

3 雙變位機設(shè)計

本文設(shè)計的變位機主要用于雙工位切換并實現(xiàn)工件繞自身軸線的翻轉(zhuǎn)，該變位機具有3個轉(zhuǎn)動自由度，工作時可以極大地提高焊接工作效率，當機器人對其中一個工位進行焊接工作時，另一個工位可以同時進行上下料操作。

該變位機主要由轉(zhuǎn)臺、主動軸、從動軸、框架和屏風組成(見圖3)。該變位機可實現(xiàn)包括夾具在內(nèi)的最大質(zhì)量為1 000 kg的工件的變位操作。采用模塊化設(shè)計，提高了變位機的使用壽命，減少了變位機的維護工作。

圖3 變位機設(shè)計

4 機器人安裝

由于焊接零件尺寸較大，機器人所需要的運動空間較大，因此機器人采用懸掛安裝的方式。機器人底座采用600×600鋼管焊接而成，焊接機器人通過M20螺釘固定在底座上，底座側(cè)面安裝有送絲機。機器人末端安裝有激光傳感器和焊槍(見圖4)。

圖4 機器人底座安裝

5 安全防護系統(tǒng)設(shè)計

安全防護房主要由鋁型材和鈑金蒙皮通過螺栓搭接而成。安全防護房前部有由鋁型材和有機玻璃搭建而成的安全圍欄，并裝有安全光柵，當有人或其他障礙物體處于工作站內(nèi)部時，機器人工作站無法啟動工作，以確保安全性(見圖5)。

圖5 安全防護系統(tǒng)

在工作站兩側(cè)和后部放置有焊接電源、氣瓶和排煙除塵裝置等。為確保安全，這些設(shè)備均放置在由50鋼管搭建而成的圍欄內(nèi)。

6 供配電設(shè)計

電池托盤圍框焊接工作站項目供電用到了工業(yè)三相電380 V、單相電220 V和直流24 V等3種電源。焊接機器人使用的是三相電380 V，其余機柜里的風扇等設(shè)備使用的是單相電220 V，PLC以及相應(yīng)外圍設(shè)備、電磁閥和接近開關(guān)使用的是24 V電源(見圖6)。

圖6 供配電示意圖

7 結(jié)語

本文利用庫卡機器人設(shè)計了一種機器人自動化焊接工作站，可以實現(xiàn)鋁合金框架的焊接，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人工成本。隨著機器人技術(shù)的不斷成熟，基于機器人技術(shù)的自動化工作站將會越來越多，應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣泛。

[1] 蔡自興. 機器人學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2009.

[2] 從培蘭. 弧焊工業(yè)機器人工作站的集成[J]. 機械工程師, 2016(9):117-118.

[3] 劉偉斌, 李勇, 王永剛, 等. 焊接機器人工作站優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用[J]. 機械工程, 2012(18):27-28.