汽車加強(qiáng)板弧焊機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)

宮百香，張洪博

（長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130000）

0 引言

焊接機(jī)器人具有高精度、高效率與高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，同時(shí)也可以減少物耗與功耗、提高質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)環(huán)境進(jìn)而降低整體成本，因此焊接機(jī)器人得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。機(jī)器人工作站是一個(gè)以焊接機(jī)器人為中心的綜合性高、集成度高、多設(shè)備協(xié)同運(yùn)動(dòng)的焊接工作單元[2]。目前，企業(yè)對機(jī)器人工作站的使用安全性、質(zhì)量可靠性、操作方便性給予了更高的關(guān)注。

論述了汽車加強(qiáng)板弧焊機(jī)器人工作站的布局及組成部分。設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)卸料結(jié)構(gòu)，便于減輕操作者卸載物料的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少手工操作時(shí)間。利用三菱PLC對機(jī)器人工作站的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮焊接過程中的安全與質(zhì)量要求。

1 弧焊機(jī)器人工作站布局

1.1 汽車加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)

被焊接工件為汽車側(cè)圍加強(qiáng)板，如圖1所示，沖壓板的厚度為4mm，把手直徑為10mm，材料均為Q235，有A、B兩條對稱焊縫。采用MIG焊進(jìn)行焊接。

圖1 汽車加強(qiáng)板

1.2 弧焊機(jī)器人工作站的布局

本文所設(shè)計(jì)的工作站主要包括：機(jī)器人系統(tǒng)（機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、示教盒）、控制系統(tǒng)（PLC控制柜、HMI觸摸屏、操作臺(tái)）、安全系統(tǒng)（圍欄、安全光柵、安全鎖）、清槍器、夾具、排煙除塵系統(tǒng)（自凈化除塵設(shè)備、排煙罩、管路）。除此之外當(dāng)焊接電流較大時(shí)，通常配置循環(huán)水系統(tǒng)，用于焊槍的冷卻。

機(jī)器人本體是工作站的核心，弧焊機(jī)器人具有動(dòng)作靈活、速度快、精度高等特點(diǎn)，特別對運(yùn)動(dòng)軌跡精度要求高，根據(jù)汽車加強(qiáng)板的焊接精度要求，采用FANUC M10iA機(jī)器人，抓重10kg，最大運(yùn)動(dòng)半徑1420mm，重復(fù)定位精度±0.08mm，為中空手腕關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)輕巧，運(yùn)動(dòng)范圍大，穩(wěn)定性較高。

弧焊機(jī)器人工作站通常采用雙工位或多工位設(shè)計(jì)，機(jī)器人與操作者與各個(gè)工位之間交替作業(yè)，這種方式可以避免或者減少機(jī)器人的等待時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。鑒于焊縫并不復(fù)雜，所以在焊接過程中無需使用變位機(jī)，這樣可以降低投入成本。工作站系統(tǒng)組成，如圖2所示。

2 焊接夾具的設(shè)計(jì)

工裝是弧焊機(jī)器人工作站的重要組成部分，其設(shè)計(jì)與制造水平直接影響焊接的質(zhì)量。設(shè)計(jì)焊接夾具時(shí)需要重點(diǎn)考慮焊接過程中的熱變形和焊接應(yīng)力的影響。焊接夾具要求有足夠的強(qiáng)度和剛度、夾緊可靠、操作靈活、便于拆卸工件，同時(shí)也要考慮便于制造、安裝及吊裝。在焊接夾具的本體設(shè)計(jì)中，注重采用輕量化設(shè)計(jì)，減輕工裝的重量，方便吊裝和移動(dòng)。

圖2 弧焊機(jī)器人工作站主體結(jié)構(gòu)圖

2.1 結(jié)構(gòu)與夾緊設(shè)計(jì)

焊接夾具一般由四部分組成：定位結(jié)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、夾具體和控制系統(tǒng)。

定位機(jī)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響焊接的精度，汽車加強(qiáng)板屬于薄板焊接件，因此運(yùn)用N-2-1理論進(jìn)行定位，定位原件屬于磨損件，因此其進(jìn)行滲碳處理，提高其耐磨性。

連接和固定工件均采用企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)件，輔助工件選用國標(biāo)件或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件，保證了良好的互換性。降低了企業(yè)的成本，也提高了設(shè)計(jì)的效率。

設(shè)計(jì)的焊接夾具如圖3所示，氣缸夾緊氣路圖如5所示。裝件操作順序：裝件（沖壓板）→氣缸2（點(diǎn)動(dòng)）→裝件（把手）→氣缸3（手扳）→氣缸1（雙手啟動(dòng)）→自動(dòng)焊接。卸件操作順序：焊接完成→氣缸3→氣缸2→氣缸1→氣缸4→取件。

2.2 自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)

為防止工件在焊接過程中產(chǎn)生竄動(dòng)，因此焊接夾具定位原件與工件之間采用緊間隙配合或者過渡配合。采用此種配合方式，焊接后操作者取出工件比較困難，這樣就增加了勞動(dòng)強(qiáng)度并且降低了工作站的使用效率，因此設(shè)計(jì)了自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)。當(dāng)焊接完成后，PLC傳遞信號(hào)，行程氣缸頂起，完成自動(dòng)卸料。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)圖

圖4 自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 夾緊氣路圖

PLC具有穩(wěn)定可靠、價(jià)格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。因此在機(jī)器人工作站大多選用PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制。

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

而本工作站有148個(gè)I/O點(diǎn)，需要較高的處理速度和信號(hào)傳遞速度，因此本文采用三菱FX2N-96MT完成對機(jī)器人工作站的控制，并通過CC-Link總線與工廠內(nèi)部的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 弧焊機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)圖

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在工作站的設(shè)計(jì)過程中充分的考慮了，工作站操作的安全性、質(zhì)量保證性。I/O分配表（部分）如表1所示。

表1 I/O分配表（部分）

為保證操作者的安全，工作站設(shè)有光柵，維修鎖狀態(tài)監(jiān)測傳感器，為應(yīng)對危險(xiǎn)情況設(shè)計(jì)急停功能。在焊接的過程中，如果有人進(jìn)入焊接區(qū)域，PLC會(huì)向機(jī)器人工作站發(fā)出急停命令；在維修的過程中，機(jī)器人工作站不能運(yùn)行；工作站設(shè)有多個(gè)急停按鈕，當(dāng)機(jī)器人工作站產(chǎn)生危險(xiǎn)時(shí)，便于將工作站及時(shí)停止。梯形圖如圖7所示。

壓縮空氣壓力過大或者過小都會(huì)影響焊接的質(zhì)量，本文利用壓力模塊，對系統(tǒng)的壓力進(jìn)行控制，保證焊接的質(zhì)量。梯形圖如圖8所示。

圖7 急停梯形圖

圖8 空氣壓力監(jiān)控梯形圖

在焊接的過程中，焊渣會(huì)附著到焊槍上，如果不能及時(shí)清除會(huì)影響焊接的質(zhì)量，在設(shè)計(jì)工作站過程中，利用PLC的計(jì)數(shù)功能，經(jīng)過一定次數(shù)的焊接后自動(dòng)進(jìn)行清槍工作。梯形圖如圖9所示。

圖9 自動(dòng)清槍梯形圖

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證：該工作站可以充分的保障操作者的安全，提高焊接質(zhì)量與穩(wěn)定性，有利于對現(xiàn)場的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。為后續(xù)對弧焊機(jī)器人工作站的進(jìn)一步智能化提供了參考。

[1]中國焊接協(xié)會(huì)成套設(shè)備與專用機(jī)具分會(huì),中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)機(jī)器人與自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì).焊接機(jī)器人實(shí)用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016,1.

[2]張英華.焊接機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī),2014,44(5):104-106.