不銹鋼高壓開關柜機器人螺柱焊應用

劉振國，金武飛，雷 霆，曹云翔

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 前言

短周期拉弧式螺柱焊作為當前的主流電弧螺柱焊技術[1-2]，在不銹鋼開關柜領域應用廣泛[3]，但多數以手工焊接為主，生產效率較低，質量一致性較差，自動化程度偏低。特別是我國高速鐵路技術的迅猛發展[4-5]，對不銹鋼高壓開關柜的需求十分旺盛，促使螺柱焊接技術加速轉型，再加之當前用工成本居高不下，提高螺柱焊的自動化程度已迫在眉睫。目前國外一些公司如Soyer、Taylor等已開發出CNC自動螺柱焊設備，但此類設備柔性較差，應用受到一定限制[6]。為此，結合該行業特點，提出采用成熟的工業機器人對柜體進行雙（多）工位焊接，如圖1所示。

1 系統組成

機器人螺柱焊工作站主要由工業機器人、頭尾架式變位機、焊槍交換臺、螺柱自動焊接系統(包括焊接電源、自動送釘機、自動焊槍)、尋位檢測系統、控制系統以及其他安裝附件等組成。其中焊槍交換臺通過快換工具可實現0#檢測探針、1#焊槍、2#焊槍的自動可靠切換，進而可實現多種規格螺柱的焊接。

圖1 雙工位機器人螺柱焊接工作站效果圖Fig.1 Sketch of robot stud welding station with two positioners

2 焊接中存在的關鍵問題

2.1 可靠自動換槍

機器人在檢測與焊接時，需要自動取放檢測探針和焊槍，因此兩者可靠迅速取放成為實現穩定焊接的前提。項目中焊槍交換臺共三個槍位，采用如圖2所示氣動式快換工具（含集成電模塊）進行切換，該工具設計巧妙，具有斷氣自鎖功能并有相應的到位傳感器，能可靠反映快換工具的當前狀態。

圖2 快換工具Fig.2 Fast Tool Changer

2.2 自動尋位檢測

一般不銹鋼高壓開關柜板厚約3 mm，由激光切割成型且柜體尺寸較大，因而切割焊接變形在所難免。為保證螺柱焊接的位置度和垂直度，在焊接之前先通過尋位檢測系統對工件進行檢測十分必要。

通過借鑒弧焊系統中的接觸尋位功能，設計了適用于本系統的自動尋位檢測系統，原理如圖3所示。檢測探針首先從尋起點以較低搜索速度接近待測目標點，當接觸到該點時，高速檢測回路導通，機器人立即返回并記錄下該點坐標信息。

圖3 接觸尋位原理Fig.3 Touch sensing principle

對于柜體的每個待焊面均需要檢測7個點，其中點P1～P3反映工件的高度z向偏移，點P4～P7反映工件的橫向x、y偏移與旋轉偏移，如圖4所示。利用這些點通過適當的坐標變換計算出一個特定的工件坐標系，在此坐標系下示教焊接起始點。這樣每次重新裝夾一個柜體工件，機器人重新拾取檢測探針，調用自動檢測程序，刷新工件坐標系和焊接起始點。最大程度上減小焊接變形與裝夾偏差帶來的不利影響，提高螺柱焊接的精度。

圖4 7點尋位檢測Fig.4 Touch sensing based on seven points

2.3 保證螺柱的提升高度

提升高度是指焊接過程中螺柱從工件表面向上提起的高度，該高度是保證可靠引弧和實現高質量焊接最重要的參數，如圖5所示。一般提升高度取決于待焊螺柱的直徑，對于M8螺柱，提升高度約1.8 mm。目前較成熟的自動送釘機產品多采用壓縮空氣傳送焊釘，但在焊釘被送至焊槍夾套時，因焊釘被吹出時的運動慣性及壓縮氣壓力瞬時變化，無法保證每次吹出焊釘時的伸出長度保持一致，這恰是影響提升高度的主要原因所在。為消除此影響，措施有兩個。

圖5 提升高度Fig.5 The lifting height

一是采用“二次下壓”。在螺柱被送出后，焊接時在程序上設定先進行第一次下壓(不引弧)，將夾套中的螺柱壓至一個特定伸出長度，然后進行第二次下壓，開始引弧焊接，焊接過程如圖6所示。

圖6 二次下壓流程框圖Fig.6 The flow chart of re-pressing stud welding

二是安裝帶限位的氣動滑塊裝置。采用氣動滑塊裝置可一次下壓即完成焊接，同時又可消除上述不利影響，實際應用中建議采用此方式，如圖7所示。

圖7 氣動滑塊Fig.7 Pneumatic slide

2.4 變形較大待焊面的變形補償

不銹鋼開關柜行業多數采用激光切割板材，然后拼焊而成。對圖8所示的板材大面積切割后變形往往較大[3]，拼焊后待焊表面多數下陷。因此，在焊接時無法保證如圖9所示距離h的一致性，無法保證螺柱的垂直度[6]，甚至有時無法正常起弧或虛焊，導致中斷。為解決此問題，添加了補償函數，當機器人持焊槍行走至待焊面變形較大處時，補償函數自動修正焊槍z向移動距離，并向下多壓一距離δ，保證焊槍的提升高度在合理范圍內，進而實現穩定焊接。

圖8 變形較大焊接面Fig.8 Welding surface with large deformation

圖9 大變形補償Fig.9 Compensation for large deformation

3 結論

通過大量焊接試驗和項目積累，對焊接中存在的關鍵問題進行了分析總結，提出較為切實可行的措施，解決了實際生產中存在的一些質量問題，為推廣機器人螺柱焊奠定了基礎。特別是尋位檢測技術的植入，為實現螺柱較高精度自動焊接成為可能。

[1]池 強，張建勛，付繼飛.電弧螺柱焊技術的發展與應用[J].焊接技術，2003，32(06)：18.

[2]黃賢聰.螺柱焊技術的應用與發展趨勢[J].機械工人，2001，(09)：4-5.

[3]劉海濤.螺柱焊技術在機車車體上的應用[J].電力機車與城軌車輛，2011，34(02)：46-48.

[4]池 強，張建勛，付繼飛，等.拉弧式電弧螺柱焊質量影響因素[J].電焊機，2005，35(04)：6-9.

[5]程石來，于百川，程 結.影響螺柱焊質量的因素及對策[J].現代制造工程，2008(11)：67-70.

[6]Chambers H A.Principles and practices of stud welding[J].PCI Journal，2001，46(5)：46-58.