弧焊機器人在車架焊接上的應用

倪 寶，呂家友

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

1 概述

弧焊技術是現代焊接技術的重要組成部分，其應用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產領域。在汽車應用領域，傳統車架的焊接一般采用人工CO2保護焊，存在焊縫不穩定、焊接質量差、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，提高焊接生產率、保證焊接質量、實現焊接生產自動化和智能化得到焊接生產企業的日益重視。其中弧焊機器人系統是實現自動化和智能化的主要手段，弧焊機器人在焊接領域的應用越來越廣泛。

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

圖1 弧焊機器人現場布置

2 弧焊機器人焊接系統硬件構成

弧焊機器人焊接系統硬件主要由弧焊機器人、PLC、焊機系統、清槍器和安全控制系統組成。PLC與機器人之間采用PROFIBUS-DP通信方式進行信號交換，實現PLC對機器人的控制。機器人與弧焊機控制器之間采用DEVICENET通信方式進行數據交換，實現了機器人對弧焊機的控制機及弧焊機參數的設置。系統硬件構成框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

為了更好地了解弧焊系統，現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。PLC采用PROFIBUS-DP網路通訊（見圖3）實現分布式控制。PLC通過讀取外部信號狀態進行邏輯處理，驅動電磁閥動作，控制液壓站的起停、控制弧焊機器人的自動運行。PLC就像聯絡員，把夾具、機器人、液壓站、清槍器等設備協調起來，實現有序的自動化工作。

圖3 網絡通信布置

（2）機器人。采用FANUC公司的ARCMate100iB型弧焊機器人，控制系統選用高性能的焊接機器人FANUC SYSTEM R-30iA控制系統。該機器人工作半徑1 687 mm，腕部負載6 kg，重復精度±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，驅動油缸的運動。

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

（6）焊機系統。焊機系統主要由焊接電源、送絲機、焊槍組成。系統結構如圖4所示。

圖4 焊機系統實物

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

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

②Power Wave電源專門設計與Power Feed送絲機配合使用。系統中的每一個元件具備與系統的其他元件“交流”的特殊電路，這樣每個元件（電源、送絲機和機器人控制器）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、數字控制的逆變焊接電源，它能從事一些復雜的和高速度的波形控制。在60%負載持續率下，額定輸出是350A和34V；在100%負載持續率下，輸出值為300 A和32 V。

④Power Wave F355i和ARC Mate 100iB機器人通過DEVICENET協議進行通信，這是一種在工業應用中處于領先地位的系統集成。該系統采用數字化通信協議，所有焊接參數、工藝控制等操作僅通過機器人的示教器即可完成，同時還能進行設備的故障診斷等。

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

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

①數字控制。與Power Wave焊接電源配合使用，能產生極佳的焊接性能。

②轉速反饋裝置能進行送絲速度的校對，從而實現送絲速度的精確控制。

圖5 送絲機實物

③送絲機制動裝置能在幾毫秒內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單獨的送絲導向提供無故障的送絲以及簡便的焊絲安裝、轉換和維護。

⑤可讀數的標尺便于精確設置送絲輪壓緊力。

（7）清槍器。當機器人焊接完成后，噴嘴上會遺留焊渣，如果不清除干凈就會影響焊接質量。使用清槍器能夠有效清掉焊渣。如圖6所示，清槍時機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，高速旋轉清除焊渣，然后放到位置2，2號裝置會噴出油霧到導電嘴上，這樣可以防止飛濺粘到導電嘴上，提高焊接質量。

圖6 清槍機實物

（8）安全系統：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、機器人運行的觸發設備。為確保誤動作，當兩手同時壓下按鈕時，安全繼電器的雙通道回路才會導通，觸發機器人的動作。

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

光柵的檢測距離為1 000 mm，可保護手指，安全等級為4級。當光柵被觸發時，機器人立即停止，控制夾具驅動油缸的電磁閥斷電。

卷簾門關上時機器人才允許動作，打開時機器人不允許動作，確保人員進入時的安全。

3 弧焊機器人焊接系統PLC程序框圖

該生產線弧焊機器人焊接系統PLC程序框圖如圖7所示。

圖7 弧焊機器人系統PLC程序框圖

4 弧焊機器人程序常用指令介紹

（1）運動指令。

指令 1：JP[2]100%fine

含義：機器人的運動軌跡不能確定。執行運動語句時，系統會自動計算最佳路徑，使TCP點從當前位置運動到該點。

指令 2：LP[3]100%fine

含義：機器人執行直線運動，TCP點從當前位置走直線到達該點。指令 3：CP[4]

CP[5]100mm/sec FINE含義：機器人執行圓弧運動，TCP點從當前點經過中間點P[4]到達P[5]點。

（2）Arcstart。弧焊起動指令，執行該語句時，焊接開始。

（3）Arcend。弧焊結束指令，執行該語句，焊接結束。

（4）CALL。程序調用指令，調用子程序用。

（5）擺動指令。

當焊縫的間隙不太穩定時，擺動指令的應用就會起到很好的效果。

參數設置屏如圖8所示。弧焊機器人程序示例：

圖8 參數設置

5 弧焊機器人焊接參數設置

在本弧焊機器人焊接系統中，機器人與焊接控制器通過DEVICENET總線進行連接，相互之間可進行大量的數據通信，這為通過機器人設置焊機參數以及對焊機系統故障診斷提供了必要條件。既可以在機器人示教器上設置焊接參數，又可以通過機器人示教器診斷焊機故障。

5.1 常用焊接參數的設置

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

DATAWeldSched\\\\\\\JOINT

1 Weld Schedule：2[****************]焊接規范

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

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。最小值與最大值之間的范圍將會標定成0～10V信號。當機器人執行一個指令時，Trim值及WFS的值將會被換成從0～10 V的電壓。例如，假設送絲速度為0～1 000 IPM，整個范圍被標定為0～10V信號。如果機器人執行一個起弧指令，并且在焊接表中看到送絲速度為350 IPM被調用。它將與整個對應0～10 V信號的送絲速度相比較。結果是一個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個參數也是可能的。

6 弧焊機器人焊接系統優點

（1）提高了發現和處理故障的能力。

當電源處于待機狀態和出現故障時可直接通過機器人示教器和其控制柜上的以太網接口來處理解決。

（2）緊湊集成的組裝。

通過簡單的內部連接，使焊接電源和機器人的控制柜共用一根輸入電纜。

（3）焊接參數完全由機器人示教器控制。

Power Wave F355i內置的焊接程序數據庫，能很容易地從機器人示教器中進行存取。

（4）機器人控制器的以太網連接通信。

通過聯網的個人電腦能進行遙控檢測、修改、排除故障和焊接電源軟件的升級。

（5）機器人焊接系統能進行焊接模式的選擇。

如：預送氣、起弧前送絲速度、電弧控制、回燒、滯后斷氣及收弧等。這使得操作人員能很好的控制焊接工藝及程序。

（6）焊接參數的協調控制。

不需要單獨設置送絲速度和電壓，它能自動根據所設定的送絲速度來設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據庫。

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應用于很廣的范圍，它們可以通過具體的焊絲型號、焊絲直徑、保護氣體類型或實際應用來確定。

7 應用效果

弧焊機器人焊接系統應用于奇瑞車架焊接以后，工作效率提高，機器人軌跡運行速度最大可達2000mm/s，焊接速度最大可達35mm/s。在車架焊接參數中，經過反復調試，充分考慮焊接效率和焊接質量因素，采用6～15 mm/s焊接速度。使用弧焊機器人焊接，焊縫質量可靠，工作效率穩定。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量、生產效率問題。機器人焊接和人工焊接效果對比如圖9所示。

圖9 焊接效果

當然，機器人弧焊應用仍有一些不足的地方，例如弧焊變形控制仍然比較困難，需要在后續工位增加校正工位來機械校正焊接變形問題，目前正在做進一步的研究來提高焊接尺寸精度。

8 結論

由FANUC ARC Mate 100iB弧焊機器人、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器人焊接系統具有性能穩定、安全可靠、焊接質量好、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線的建設打下堅實的基礎。