汽車機器人焊接工作站仿形工裝技術探究

王振濤 何麗華 楊福賀 沈陽來金汽車零部件有限公司

汽車機器人焊接工作站仿形工裝技術探究

王振濤 何麗華 楊福賀 沈陽來金汽車零部件有限公司

隨著世界制造業的快速發展，焊接技術的應用也越來越廣泛，焊接技術水平也越來越智能化。焊接機器人具有改善工人勞動條件、焊接質量穩定、提高生產率等特點，經過多年的發展，焊接機器人已被廣泛應用于航天、船舶、汽車、機械加工業、電子電氣行業等眾多領域中，本文重點就汽車機器人焊接工作站仿形工裝技術進行分析和研究。

機器人焊接工作站 自動化焊接 定位系統

中國的機器人焊接技術大部分在在汽車領域，其它領域還是延續著傳統的人工焊接，而國內自主研發機器人焊接廠商更少，大部分依賴進口設備。企業在選用焊接機器人時，需根據自身的需求和生產狀況，來迅速地定制出自身所需要的焊接機器人工作站。銅板風口行業因特殊焊接工藝及其工裝系統的特殊性，使得銅板風口機器人焊接工作站的使用有了更高的要求，掌握主要技術指標更是正確應用的前提，目前尚無銅板風口機器人焊接工作站的應用案例。這里研究的銅板風口機器人焊接工作站技術填補了業內空白，提升本行業智能化制造水平。

一、機器人焊接存在的問題

挑剔的客戶因為迎合上一級客戶的要求，往往會硬性規定一臺工作站的氣缸數量等，有時一個很簡單的工件往往多出很多不必要的定位壓緊點，但畢竟這只是偶然現象，大部分設計細節仍然可以慢慢標準化的。主流就是隨著設計數量和經驗的不斷積累，機器人柔性焊接工裝零部件也慢慢的形成了一定的標準，每家相關企業都慢慢建立了自己的設計庫，形成自身獨到的設計標準，在業內形成一定的影響力，使得焊接工裝的設計時間大幅度縮短，市場競爭也變得尤為慘烈。怎樣才能更加降低成本，使得設計周期大幅度縮短，適應更快、更精、更適用的生產理念仍然是精明的企業家追逐的方向和夢想。仿形工裝技術的理念隨著加工制造主機的精度和速度的提高慢慢進入企業家的視線。

二、機器人焊接生產線技術

機器人柔性焊接生產線技術的應用比國外晚大概15年左右，但隨著相關設計人員的不斷探索并借鑒國內外的先進思路，國內的焊接技術得到了長足的進步和發展。對目前還處在制造大國的中國，偶爾國外的原裝圖紙也會給國內的業內人士帶來思維的另一個契機。但是，由于原材料的不同和理解力的偏頗，偶爾也造成國外設計理念的水土不服：經過國外嚴苛校核計算的翻轉機，在生產車間運轉了幾天就出現嚴重的變形。這種事件可被歸結為加工制造的材料或者焊接質量的原因，沒有完全讀懂圖紙往往也是其中的一項重要因素。但隨著經驗的豐富和無數次挫折的積累，國外的設計思路最終仍會變成經驗的沉積，成為可以借鑒的設計典范。拿之前設計過的類似工裝夾具設計的優點變為新設計方案的核心變得尤為突出，也使得設計周期大大縮短。

（一）工裝的仿形技術。首先，工件的空間多維的角度和多角度的定位基準孔使得設計工裝時要不斷考慮結構，盡量接近工件的空間角度，實現工件的自由度的完全控制并盡量避免過度定位；實現裝夾和拆卸方便；為焊接作業讓出相應的位置，使得機器人的焊接姿態更加合適，提高機器人工作狀態的穩定性和一致性。仿形技術就是在工件三維數模上把需要躲避的焊接空間和定位基準都一次性疊加到工件本身，然后經過設計模具思路的拔模處理，生成相應的“模具”。而后，切除非精度要求區域和不必要的定位空間。形成相應位置的固定支架和安裝仿形塊體空間曲面。把滿足加工切削量要求的塊體安裝在提前加工好的標準支撐件上，固定到標準的焊接平臺或回轉機構的主回轉梁上。在數控龍門銑平臺上定位夾緊，經過粗略加工和半精加工、精加工，一次性完成夾具的本體加工，另配以標準的壓緊機構，大大縮短設計和加工周期。本加工流程的關鍵點在于提前制造一定規格相應高度的定位支撐標準件和標準底梁。使得工裝的設計周期和加工速度實現質的飛躍，盡量回避設備夾具本身的調試工作。

（二）高精度快速響應定位技術。焊接機器人實施焊接時，對工裝定位精度和夾具夾持要求較高，各工件焊縫處間隙偏差≤0.8mm；而且高爐風口小套具有質量大且為全程高溫焊接特點，同時銅板風口法蘭軸線與風口I縫的軸線不在同一位置，存在一定的斜度(0～11)o，這對驅動及工裝系統提出了更高的要求。高精度、強可靠及快速響應定位系統，如圖6所示。該系統在焊接過程中，能對保溫爐體輥軸轉速和擺角隨時進行精確調整。采用PLC控制雙電機驅動輥軸(第7軸)實現銅板風口的同步旋轉；擺角電機(第8軸)選用交流電機作為驅動元件，在不同焊縫焊接過程中，可精確調整焊縫轉軸的角度，同時通過減速機實現自鎖，保證爐體在各位置下的穩定。在焊接過程中，操作者在監控室的顯示屏觀測焊縫熔池的實況，如果發現焊縫過高、過低或偏離中心的現象，可通過操作手柄來調整爐體輥軸的轉速，以配合機器人的焊接速度，提高焊縫質量。

（三）耐高溫攝像監控技術。焊接機器人如使用離線編程控制軌跡運動或者運用示教系統進行焊接的過程是一個開環系統，銅板風口的加工誤差易導致焊縫位置尺寸變化引起焊接誤差，降低焊接質量，必須精準定位焊縫罔。焊接工作站配置雙攝像頭監控系統。一個為強光監控系統，圖像采集單元采用先進的強光抑制低照度高動態范圍彩色攝像機，能很好的將焊接產生的強光給予過濾，提高圖像的清晰度，主要用于焊接實施過程的監控；另一個為普通攝像頭，用以監控焊接調整等非強光狀態下目標。該系統有效的克服強光、高溫、煙霧、粉塵等惡劣工作環境，提高圖像清晰度，方便工人對焊縫進行在線實時監控及操作處理；同時通過渦旋管氣體冷卻方式，進、出氣置于攝像機鏡頭尾部，避免影響保護焊接氣體。攝相機安裝在機器人終端的夾持裝置上隨動，用來采集熔池實時圖像并傳輸到監控室的顯示屏中，操作者通過它就能實時觀察焊接的實況，及時發現焊接缺陷。

三、結語

快捷的設計和加工制造，源于快節奏的思維變通和嚴苛的設計、加工依據；實踐是檢驗真理的唯一標準，那么把思路帶入到實踐中去才會不斷地豐富和完善理念，經過一些相關的嘗試這種思路是可行的，然而是不是最好的還有待于后來人的不斷探索和驗證。

[1]麻常選.貫流式純銅風口MIG焊工藝[J].焊接技術，2015.

[2]楊俊.高爐紫銅風口的焊接[J].湖南冶金，2016.