弧焊机器人应用例

弧焊机器人应用例卫晓冰杨宝山当前，国内工业生产已大量使用机器人，其中用于焊接生产的约占60%强。而能将机器人用于焊接生产的部门和行业也非常广泛，譬如：汽车、摩托车、工程机械、农业机械以及家电产品等等。当然，使用机器人的优势也是非常显著的：①稳定及提高产品质量，降低返工率或废品率。②使生产系统通用化，便于产品改型。③提高劳动生产率，降低生产成本。④改善劳动环境，保障生产安全。⑤降低对工种的熟练程度，不再要求每位操作者都是熟练工种。⑥解决劳动力或熟练工不足的问题。……等等。正因如此，除一些大型企业外，有越来越多的中小企业也希望引入机器人。为此，我们推出一些机器人的应用范例，将其系统构成、系统特征、焊接工艺特点、引入效果等以及其它一些应用经验介绍给大家，以期共同推动国内机器人应用水平的进一步提高。【例1：低压电气柜柜体的焊接生产】低压电气柜是电气行业使用数量较大的一种产品。开关柜柜体是开关柜内工作量最大的部件。一个柜体约有80～100条焊缝，总长2米左右。柜体体积适中，非常适合用一个小型机器人弧焊工作站完成焊接工作。柜体上的焊缝均为直线形，但空间布置复杂，内腔体积狭小且零件较多(见附图1)。由此可见，柜体焊接在焊接参数选择上不是难点，其关键在于：①生产流程的分配。②卡具的设计制造。③生产节拍能否满足要求。附图１开关柜工件示意图一、系统构成与系统特征：系统选用一台弧焊机器人、一套焊接设备、一台变位机、一套焊接夹具及附属设备构成（见附图2）。附图２开关柜柜体弧焊系统布置图机器人选用日本安川电机生产的MOTOMANSK6型机器人。该机器人握重6Kg，动作范围半径1325mm。焊接电源选用日本NASTOA公司生产的逆变式焊机，额定电流350A。变位机是由交流伺服电机驱动的具有外部轴功能的单回转首尾架式机构，承载350Kg。夹具是以气缸驱动的自动夹具。该系统还选用了一套德国BINZEL公司制造的清枪剪丝设备，用于清理焊枪。系统采用人工上下料，机器人自动焊接的形式。焊接过程中变位机可配合机器人任意翻转，以使焊缝与焊枪保持最佳焊接姿态。二、产品特点及焊接要求：机器人焊接系统对于一个生产车间来说并不是一个独立的环节，它关系到其前后各环节，尤其是提供焊接坯料的生产环节。因为机器人是采用示教再现方式完成动作轨迹，其自身的重复定位精度是很高的（±0.1）。这样工件的精度就影响着机器人焊接的可行性。机器人要求精确一致的工件装配，如果提供机器人高精度的工件，就能快速焊出高质量的焊缝。低精度情况也可通过增加跟踪功能来完成焊接。但这势必增大投资，降低生产效率。本例中开关柜的钢板全部由激光切割下料，可以达到很高的精度。但有时也存在一致性问题，这主要是下料时钢板定位不准引起的。在估算机器人焊接所能允许的工件偏差时，通常是以焊丝直径的一半为标准，当超过这一界限时，就不能正常焊接。这个偏差包括工件本身的误差和夹具的定位误差两个方面。三、机器人焊接卡具设计卡具在机器人焊接中起着关键性作用。很多机器人焊接系统的成败也就是卡具设计的成败。与手工焊卡具相比较，机器人卡具在设计思想方法上有其完全不同之处，是一项专业性很强的工作，要求具有特殊领域的丰富经验。1.机器人不具备判断能力，它每一次都是一丝不苟地执行编程员示教过的工作，这就对卡具的精确度提出很高要求，不止是为了保证工件本身精度也是为保证机器人能正常完成焊接工作。因此，机器人焊接卡具一般都要进行严格的精度检测。这些还不是问题的关键，关键是当工件误差较大时，卡具如何避免或减小这些误差对机器人焊接的不良影响，从而避免使用昂贵的焊缝跟踪功能。如在低压电器柜柜体焊接中，大槽型板宽度误差为3.8mm，高度误差为2.2mm,这么大误差，机器人焊接根本无法容忍。为此，在与用户讨论方案时，就提出该件无法完全施焊，但可进行单侧焊接，剩余侧手工补焊。这样在夹具设计时就采用单侧定位，另一侧加弹性挡块的方式定位以适应不同尺寸工件的定位要求。(见下图)2.机器人远不如人灵活，机器人自动焊枪也比手工焊枪大，这样在设计卡具时，就要考虑有充足的空间、路径供焊枪使用。要对工件上所有焊缝都进行校核，为了获得好的焊接姿态，希望卡具越纤细越好，为了保证卡具的可靠性，希望卡具越粗壮越好，这是一对矛盾，有时通过牺牲一定的焊接姿态来解决，但必须经过焊接试验。还有一些焊缝是机器人根本无法完成的，这是机器人焊接本身特点决定的。作为机器人焊接系统的使用者应当明白，使用机器人的真正意义并不是代替人的所有工作，而是取其所长，干其擅长干的工作，这样才能充分发挥机器人的作用，否则什么都想干，结果反而干不好。3.复杂工件最好分几道工序完成，这样一方面卡具可以简单一些，可靠一些，另一方面也便于焊枪的自如运行。自动焊工序安排不开时，可以增加手工预焊工序，先将一些零件点固（相当于同时定位夹紧），然后再与其它零件一起焊接。预焊卡具也必须考虑精度要求。4.焊接热变形是焊接过程中最难以把握的现象，也给卡具设计带来一些新的课题。首先要考虑用户对工件变形的允许程度，通过分解焊接工序，改善焊接顺序，尽可能减小焊接变形。还应考虑焊后工件的卸载问题，有时需增加助力机构将工件顶出，或将定位销拔出。5.自动卡具设计还应充分考虑减轻操作者劳动强度，提高人身和设备的安全性。卡具应能够自动判断夹紧是否到位，工件是否有误，各机构动作顺序是否正确等等。四、生产节拍及生产率：作为机器人厂家和系统供应商，一般能够根据用户工件要求，预算出生产节拍，但无论如何这与实际生产是存在偏差的。当生产节拍成为一个重要因素时，应当通过试验来测量实际值。缩短生产节拍可以提高生产率。对于单工位生产，除去焊接时间以外的辅助时间对生产节拍有直接影响，因为在这段时间内机器人只能等待，对于双工位以上的系统，辅助时间的影响就小多了，只要辅助时间不超过焊接作业时间，就可认为没有影响，因此一般系统都采用双工位形式。【例2：汽车部件的焊接生产】一、系统构成与系统特征本系统用于汽车横向推力杆总成的焊接，由一台弧焊机器人、一套焊接设备、两台变位机、两套焊接夹具及附属设备构成（见附图3）。机器人选用首钢莫托曼机器人有限公司生产的SG-MOTOMANSK6型机器人。该机器人握重6Kg，动作范围半径1325mm。附图３横向拉杆弧焊布置图焊接电源选用日本NASTOA公司生产的逆变式焊机。变位机是由交流伺服电机驱动的具有外部轴功能的单回转首尾架式机构。夹具的结构考虑了工件的不一致性以及对焊接变形的预防。系统采用人工上下料，机器人自动焊接的形式。焊接过程中变位机可配合机器人协调动作，以使焊缝与焊枪随时保持最佳焊接姿态，并使焊缝各个区段均能以操作者所设定的焊接速度进行连续焊接。如附图3，操作者将工件装卡于1#夹具台（1#工位），退出机器人作业区，起动系统，夹具自动夹紧工件。然后，机器人与外部轴协调动作，以特定的焊接顺序进行焊接作业。在此期间，操作者又将工件装卡于2#夹具台（2#工位），并启动2#工位的焊接预约按钮。当机器人完成1#工位的焊接作业后，便转向2#工位进行焊接作业。此时，操作者再对1#进行工件的卸卡及下一次装卡。依次循环，周而复始。二、焊接示教与焊接编程经验表明，机器人的焊接示教和焊接编程是一个非常缓慢的过程，并且要由具有一定焊接知识的操作者进行。当然，良好的示教和编程结果只能通过实际生产当中的不断调整才能获得。本系统所焊工件焊接接头是由圆弧形角焊形式逐渐过渡为搭接形式的（见附图4），因此它具有一定的示教难度。因为，焊接角焊缝的最佳焊枪姿态与焊接搭接接头的最佳焊枪姿态是不相同的。并且，在连续焊接过程中，焊枪姿态的变化必须平滑无突变。基于这一问题，我们在示教过程中特别注意了两点：第一，在焊接接头转变区段增加示教点（使示教点密集），以使焊枪姿态能逐渐地圆滑过渡；第二，从第一示教点开始就必须考虑焊枪在其后各示教点所必需的姿态，以及前一示教点的焊枪姿态可能对焊枪在以后各点或某一点能否摆出某一最佳姿态所产生的影响。实践证明这两点是行之有效得。附图４横向推力杆工件示意图因为该系统选用的是示教再现式机器人，所以，焊接示教和焊接编程都要由操作者通过在线操作来完成。因而，焊接示教过程既是焊接编程过程。焊接编程主要有以下内容：⑴在示教的同时登录机器人运行命令。⑵通过再现检查运行来不断完善程序。例如修改机器人运行轨迹和速度，提高其运行效率和动作协调美观度。⑶登录焊接命令，编辑焊接文件。⑷通过实际运行并检查焊接效果，以修订焊接文件。三、焊接工艺选定焊接条件可通过焊接文件设定，如焊接电流、焊接电压、焊接速度等。此外，还可设定其它一些功能：如再引弧功能、再启动功能、防粘丝功能以及自动解除粘丝功能等等。本系统中我们设定了如下焊接条件，焊接效果良好。（其中：工件材质为低碳钢，板厚2.5mm）①电流：140～145A②电压：角焊接头段103%，搭接接头段105%，（该焊接电源是一元化焊机。）③焊接速度：角焊接头段45cm/min，搭接接头段60cm/min④其它条件和功能有：提前送气、滞后断气、填弧坑功能、引弧功能、再启动功能、防粘丝功能以及自动解除粘丝功能等。四、外部轴的引入效果过去，该工件的焊接使用的是手工驱动的变位器，这种变位器只有两个定位点：0°和+180°，它有两大弱点：一是垂直焊缝的焊接质量不能保证；二是生产效率低下，缺乏安全因素。现在，选用了由伺服电机驱动的具有外部轴功能的变位机，它可在±360°自由翻转、自由定位。这就使每条焊缝均能适时地处于最佳焊接位置进行焊接，从而保证了焊接质量。其次，对于每只工件的焊接，操作者只需进行装卡和卸卡作业，而在焊接过程中不必介入。这不仅提高了生产效率，同时保证了生产安全。五、关于系统生产安全机器人安全事故大多是由手工误操作导致的，并且，几乎都发生在示教或试运转期间。这就提示我们，在焊接示教和焊接编程以及系统的试运转期间，一定要克服各种手工误操作。而防止手工误操作，就必须熟读有关操作说明书的安全章节，深刻理解示教盒各个按钮的含义，同时在操作过程中要细心、专心、注意力集中等。六、结束语机器人弧焊系统的使用必将提高产品质量和劳动生产率，减轻工人的劳动强度。同时，将带动和促进与其相关的前后工序生产技术的进步，以及有关技术人员和管理人员素质的全面提高。从而，推进我国机器人事业的发展。作者单位：首钢莫托曼机器人有限公司