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.東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189)

傳統(tǒng)焊接作業(yè)由技術人員操作焊槍進行，焊接質量極大依賴于技術人員的經驗與狀態(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)可極大提高生產效率，保證焊接質量，減少對技術人員健康的危害[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。焊接加工中，由于焊縫的位置與作業(yè)空間限制等，需要設計相應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公司生產的機器人，其控制器IRC中提供了實現多機器人協(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，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和檢測。

1 系統(tǒng)整體設計

本文所設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運動，焊接機器人按預定程序進行焊接，焊接完成后回到原位，變位機再次回轉，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熱，以提高生產效率。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，通過參數設置、程序控制等由機器人示教器來實現焊接系統(tǒng)的各種功能。本系統(tǒng)采用6軸獨立關節(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，動作與機器人聯動，和機器人一起實現整個焊接過程自動化，具有較高的生產效率。

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；兩套焊接機器人位于各自工位，結合變位機輪流作業(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備之間的安全距離確定，控制在1 800 mm以內。為避免搬運機器人與焊接機器人在作業(yè)過程中產生運動干涉，將其分別置于變位機兩側，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，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，兩側縱向布置的線纜主要為兩側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計為970 mm。

2 外部軸變位機的設計

為保證焊接質量和效率，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)加工輔助設備，通過其中的回轉或反轉機構等，實現工作臺升降、回轉或翻轉等，輔助進行加工。通過焊接變位機工作臺的翻轉，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

本文設計的水平回轉三軸變位機長為3 450 mm，寬為2 500 mm，單持翻轉軸距離底座1 000 mm(圖3)，其參數見表1。

圖4 變位機的三維模型

表1 水平回轉三軸變位機參數

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

3 焊接夾具設計

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，因此設計了一套可調節(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，因此設計夾具的定位點集中于L型工件的折彎處的外側以及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。設計的最遠定位點距H柄定位面的距離為717 mm。根據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大于此值，因此設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，結合三軸變位機提高生產效率，本夾具可同時裝夾兩個工件，變位機夾具夾持軸翻轉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，變位機回轉將工件轉向焊接機器人工位，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 搬運卡爪的設計

本系統(tǒng)搬運機器人卡爪采用氣缸驅動，具有結構簡單、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。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，避免誤差導致抓取失敗的情況出現?？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、下料線的設計

上、下料線均為電機帶動的鏈式流水線，具有較高的穩(wěn)定性與準確性。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加熱，可減緩焊接處的冷卻速度，避免產生淬硬組織和減小焊接應力與變形，防止產生焊接裂紋，保證工件的生產質量。因此，在上料線一側加裝預熱火焰槍對工件進行焊接前預熱。為防止預熱高溫導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L型叉車用貨叉，根據系統(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獨立關節(jié)機械臂以滿足機器人靈活度需求。

工件質量較大，對焊接后的強度和精度要求較高，重復定位精度要求在±0.04 mm。機器人末端連接焊槍，由于焊槍質量較輕，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。根據上述要求，選用松下TM1800-GⅢ型焊接機器人，其參數見表3。該型號機器人末端中心可達范圍廣，重復定位精度高，制動方式為全軸制動，能滿足實際焊接要求。

表3 焊接機器人參數表

6.2 搬運機器人選型

根據系統(tǒng)整體設計方案，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獨立關節(jié)機械臂進行搬運作業(yè)。

工件最大質量為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。設計中以搬運機器人為系統(tǒng)中心，要求機器人1軸的轉動范圍較大。據此，本系統(tǒng)選用FANUC重載智能機器人M-900iB/360，其詳細參數見表4。該型號機器人靈活運動空間大，1軸轉角范圍為±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 搬運機器人參數表

7 機器人焊槍的選型

焊槍的作用是夾持鎢極、傳導焊接電流、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，焊槍質量輕、尺寸小，結構緊湊，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導電部分和焊接電纜的循環(huán)水來實現，結構比較復雜，比氣冷式焊槍質量大且價格高。

焊接時間過長鎢棒會產生很高的溫度，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 應用案例

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

圖13所示為應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。經測試，平均下來機器人焊接系統(tǒng)焊接一件產品所需的時間為52.5 s，相比人工焊接一件產品所需時間(約240 s)大幅減少，實現了生產效率的大幅提升。

圖13 機器人焊接系統(tǒng)作業(yè)過程

9 結束語

本文從系統(tǒng)設計入手，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計，實現了無人化自動焊接。本文的設計方案保證了焊接系統(tǒng)中各設備之間的協(xié)調配合，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域未來的發(fā)展方向，本文通過對系統(tǒng)的整體設計和各部件的單獨設計，將焊接智能化的理念應用于實際生產當中，是對自動化生產理論的實踐。