基于吹灰裝置梁體上的自動(dòng)焊接系統(tǒng)

張志強(qiáng)，周　凡，陳　軍，李曉平

（中國(guó)工程物理研究院，四川綿陽(yáng)621900）

基于吹灰裝置梁體上的自動(dòng)焊接系統(tǒng)

張志強(qiáng)，周凡，陳軍，李曉平

（中國(guó)工程物理研究院，四川綿陽(yáng)621900）

在基于一種吹灰裝置側(cè)梁的焊接工藝基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了以機(jī)器人為操作主體的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，主要包括側(cè)梁的整體結(jié)構(gòu)、焊接輔助夾具、焊接工藝參數(shù)以及相應(yīng)的焊接控制系統(tǒng)。該生產(chǎn)線的研發(fā)成功解決了人工焊接過(guò)程中所存在的裝夾復(fù)雜、焊接盲區(qū)等問(wèn)題，提高了焊縫的均勻性和焊縫質(zhì)量。

型材焊接；夾具工藝；機(jī)器人；自動(dòng)化

0　前言

在吹灰裝置的研制過(guò)程中，因其側(cè)梁的焊接長(zhǎng)度較長(zhǎng)且為不同種類型材的組合，焊接對(duì)象包括扁鋼與槽鋼、槽鋼與角鋼、扁鋼與角鋼等。在實(shí)際的焊接過(guò)程中，受梁體本身長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的限制，存在人工焊接操作困難、整體裝夾復(fù)雜等因素，導(dǎo)致焊接后梁體的變形較大，影響后期裝置的運(yùn)行。

通過(guò)工藝分析，采用自動(dòng)化的焊接工藝將大幅度提高梁體的焊接質(zhì)量，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線便是這一工業(yè)發(fā)展的典型特征，以其高精度、高效率、低維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的焊接工藝。并通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、夾具輔助，配以相應(yīng)的控制系統(tǒng)，便能保證梁體的焊接要求。

1　梁體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

梁體的主要功能是支撐吹灰裝置，并配合驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)及導(dǎo)向功能，吹灰裝置所要求的行程較長(zhǎng)（大于6m），梁體總長(zhǎng)約為7m。根據(jù)實(shí)際功能需求，設(shè)計(jì)了以扁鋼為主體的焊接外形，配以槽鋼為導(dǎo)向支撐、角鋼連接上齒條后再配焊至扁鋼上作為傳動(dòng)裝置，同時(shí)為走線提供線槽，如圖1所示。

圖1　梁體外形結(jié)構(gòu)

根據(jù)梁體的結(jié)構(gòu)，主要由兩側(cè)板分別焊接而成。工藝線路為先單獨(dú)焊接一塊側(cè)板后，吊裝至整體裝夾夾具上放置，然后再焊接完第二塊側(cè)板，繼而將兩塊側(cè)板同時(shí)裝夾再次進(jìn)行焊接。針對(duì)單個(gè)側(cè)板的焊接，焊接長(zhǎng)度較長(zhǎng)且焊縫區(qū)域狹窄，成為其操作的主要難點(diǎn)，如圖2所示，主要體現(xiàn)在焊縫4和焊縫5，需保證齒條與槽鋼的間距為63.7mm，同時(shí)又有齒條的干涉，因此不易手工操作且難以保證間距。

圖2　單側(cè)梁體焊接示意

2　整體焊接方案

根據(jù)制定的工藝路線，將行走式機(jī)器人放于結(jié)構(gòu)中部作為焊接主體，機(jī)器人兩側(cè)分別設(shè)計(jì)成用于焊接單個(gè)梁體的結(jié)構(gòu)、用于焊接雙層梁體的結(jié)構(gòu)。為提高生產(chǎn)效率，選擇兩臺(tái)機(jī)器人相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行焊接，通過(guò)合理的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而完成穩(wěn)定的雙向通訊，如圖3所示。

圖3　梁體焊接方案

在兩側(cè)的焊接平臺(tái)上分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具，考慮到實(shí)際工件的負(fù)載較大，采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力裝置，根據(jù)梁體的長(zhǎng)度，為減少焊接變形，每間隔1.2 m安裝一套夾具。實(shí)際工作中，從單個(gè)側(cè)板焊接平臺(tái)的兩端分別上料，通過(guò)兩臺(tái)機(jī)器人相向移動(dòng)同時(shí)焊接，焊接完畢后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，將兩塊側(cè)板吊裝至梁體焊接平臺(tái)一側(cè)，任意選擇Robot1或Robot2進(jìn)行整體焊接。

3　結(jié)構(gòu)及焊接夾具

梁體的自動(dòng)化焊接線主要由三部分結(jié)構(gòu)組成，包括行走結(jié)構(gòu)、單個(gè)側(cè)板焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)和整體梁體焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

3.1行走結(jié)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)的主要功能是給機(jī)器人的行走提供導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)，根據(jù)梁體的焊接長(zhǎng)度，并且工作狀態(tài)為兩塊側(cè)板同時(shí)焊接，因此整體的行走機(jī)構(gòu)行程大于14 m；為保證焊接操作的可重復(fù)性，以重復(fù)定位精度0.1 mm為設(shè)計(jì)要求。該要求具體體現(xiàn)在工件自身裝夾的定位精度，機(jī)器人每次焊接軌跡的重復(fù)精度，而機(jī)器人焊槍的移動(dòng)軌跡又由機(jī)器人自身的定位精度和機(jī)器人在導(dǎo)軌上前進(jìn)的定位精度兩部分構(gòu)成。

綜合以上設(shè)計(jì)要求，在工件裝夾上通過(guò)機(jī)械裝置進(jìn)行定位夾緊，保證了絕對(duì)性的定位，機(jī)器人采用松下YA-1NC系列，其手臂回轉(zhuǎn)半徑為1.6 m，保證了其掃描區(qū)域能容納左右平臺(tái)的整個(gè)區(qū)域。

因此，行走結(jié)構(gòu)上的移動(dòng)部分成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，基于行程大的原因，采用電機(jī)帶減速器再外帶精密齒輪齒條的傳動(dòng)系統(tǒng)，既能滿足傳動(dòng)的需要，同時(shí)還能滿足兩臺(tái)機(jī)器人的行走需求，齒條在實(shí)際工作中能有共用的區(qū)間，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

3.2單個(gè)側(cè)板焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，扁鋼上需要焊接的各個(gè)部件在寬度方向并非處于對(duì)稱狀態(tài)，因此要完成兩塊側(cè)板的焊接，需設(shè)計(jì)兩套夾具才能滿足功能需求。若采用此方案，則結(jié)構(gòu)上增加了復(fù)雜性，操作也不方便。綜合以上因素，在單個(gè)側(cè)板的焊接平臺(tái)上設(shè)計(jì)一套組合夾具來(lái)滿足左右兩塊側(cè)板的焊接要求，并且操作方便，減小了操作人員的裝夾時(shí)間。

如圖4所示，采用一套旋轉(zhuǎn)夾具來(lái)解決這一問(wèn)題。A視圖展示的便是左側(cè)側(cè)板的焊接夾具，B視圖為右側(cè)側(cè)板的焊接夾具，具體裝夾過(guò)程為：以右側(cè)側(cè)板為例，當(dāng)工件通過(guò)上一道工序輸送至該平臺(tái)基座上后，首先由定位輪對(duì)底板和角鋼（最右側(cè)）進(jìn)行定位，然后上升油缸工作，整套夾具上升，當(dāng)其高度大于基座高度（756 mm）后，整套夾具便能在軸上進(jìn)行自由的旋轉(zhuǎn)，因此時(shí)焊接的是右側(cè)工件，將B號(hào)夾具旋轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，分別使油缸6、5、4工作，在定位塊的作用下，保證了槽鋼與齒條間的間隙距離，進(jìn)而在油缸4與5的作用下，采用聯(lián)動(dòng)夾緊的方式，完成對(duì)整套工件的夾緊。

圖4　單個(gè)側(cè)板焊接夾具

3.3梁體焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)

在分別完成兩塊側(cè)板的焊接之后，根據(jù)圖3總體方案規(guī)劃，將其吊裝至梁體焊接平臺(tái)上進(jìn)行整體焊接縫合。為保證焊接后梁體的安裝穩(wěn)定性，左右側(cè)板高度應(yīng)保持一致，因此在該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由機(jī)械式定位結(jié)構(gòu)來(lái)保證兩者等高，選擇液壓夾具來(lái)作為動(dòng)力裝置，如圖5所示。

吊裝至梁體焊接平臺(tái)后，由基座上現(xiàn)有的齒條與之配合實(shí)現(xiàn)定位，保證高度方向上的一致，水平方向的距離由定位桿來(lái)保證，定位桿兩端設(shè)計(jì)成螺栓可調(diào)的方式，以保證油缸在帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中能有最合適的距離。

因此，定位完成后，左端由油缸實(shí)現(xiàn)夾緊，右端仍采用螺栓浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，因工件在鍛造后厚度有誤差，通過(guò)調(diào)整螺栓來(lái)保證夾緊的穩(wěn)定性。

4　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用兩臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行焊接，考慮到整體導(dǎo)軌行程較長(zhǎng)（20 m），而工件長(zhǎng)度大于14 m，單個(gè)側(cè)板的焊接則是依次先后完成操作。從宏觀上分別對(duì)每一臺(tái)機(jī)器人以及其相應(yīng)的焊接元器件設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，在各自的行走機(jī)座上安裝測(cè)距傳感器，避免在相對(duì)運(yùn)動(dòng)焊接過(guò)程中發(fā)生碰撞。

針對(duì)具體的焊接需求，各個(gè)機(jī)器人單獨(dú)配備控制系統(tǒng)，選擇三菱PLC來(lái)滿足其要求，從I/O方面來(lái)看，由于梁體焊接上每間隔1.2 m有一套夾具，其操作完全由工作人員在裝夾的過(guò)程中完成夾緊，與PLC的外圍I/O點(diǎn)無(wú)關(guān)。所以，整體信號(hào)回路中與PLC有關(guān)系的便是伺服電機(jī)與機(jī)器人，如圖6所示。

選擇三菱FX-2N系列，一方面帶伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)，另一方面完成與機(jī)器人控制柜的信息通訊，從而能實(shí)時(shí)地監(jiān)控機(jī)器人的每一步示教動(dòng)作。

根據(jù)機(jī)器人型號(hào)，通過(guò)其控制電路板中自帶的外接I/O點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)與PLC的I/O端的數(shù)據(jù)交換，如表1所示。

圖5　梁體焊接夾具

圖6　控制系統(tǒng)原理

表1　PLC&Robot I/O數(shù)據(jù)點(diǎn)分配

通過(guò)以上端口的數(shù)據(jù)連接，機(jī)器人能在手動(dòng)狀態(tài)下完成某一夾具附近區(qū)間的焊接區(qū)域示教，再配合伺服系統(tǒng)的分段前進(jìn)，逐步完成整段側(cè)板的焊接。對(duì)于焊接過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，如撞槍、粘絲等，均能以報(bào)警狀態(tài)發(fā)出指示，在操作人員處理之后繼續(xù)工作，焊接后的梁體焊縫如圖7所示，整體焊縫比較均勻且長(zhǎng)度一致，達(dá)到預(yù)期目的。

圖7　實(shí)際焊縫

5　結(jié)論

通過(guò)合理地研究設(shè)計(jì)，將多型材組合的梁體從手工狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，不僅在結(jié)構(gòu)中以旋轉(zhuǎn)組合夾具來(lái)保證左右兩側(cè)板焊接的要求，極大地減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和空間占有率，并且選擇機(jī)器人進(jìn)行左右焊接，增強(qiáng)了機(jī)器人的工作量，將人工焊接量減至為零，同時(shí)能控制梁體的整體結(jié)構(gòu)變形，提高焊接質(zhì)量。

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Research on automatic welding system for beam of insufflator equipment

ZHANG Zhiqiang，ZHOU Fan，CHEN Jun，LI Xiaoping
（China AcademyofEngineeringPhysics，Mianyang621900，China）

Based on the welding technology for side beam of insufflator equipment，an automatic welding system whose operational main body is robot is developed.This system includes the overall structure of the side beam，welding auxiliary fixture，specific welding technology and relevant welding control system.The success of research and development of this production line not only solves the problems of complex clamping and dead zone in manual welding，but also improves the uniformity and quality of welds.

profile welding；fixture technology；robot；automation

TG409

A

1001－2303（2015）11－0054-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.11

2015-04-14；

2015-06-18

張志強(qiáng)（1990—），四川人，男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工業(yè)自動(dòng)化的研究工作。