一種機器人型TIG焊自動化工作站設計分析

李明琨，陳民昌，何資幟

（廣西南寧技師學院，廣西 南寧 530031）

1 工作站總體設計

本工作站由執行焊接動作的機器人系統、為弧焊提供電能的電源系統以及雙軸變位機組成。機器人系統包含機器人動作執行系統和機器人動作控制系統。動作執行系統我們稱之為機器人本體，動作控制系統我們稱之為機器人控制柜。弧焊電源系統既包括弧焊電源，又包括焊接時送焊絲的系統、焊接的主要設備焊槍以及焊接過程的水冷系統。結構組成如圖1所示。

圖1 結構組成

經過分析設備參數，對比多家機器人公司的產品后最終確定安川-MA2010為該工作站焊接機器人的首選設備，該機器人可以承受10kg的負載，重復定位的準確度在0.1mm以內，控制柜選用DX200型，焊接所用的電源選用MW5000型，利用MW5000型焊接電源提供500A的焊接電流以滿足焊槍需求。焊接機器人是整個工作站的控制核心，起到協調和控制的作用。該機器人可以借助I/O通訊方式實現焊接功能并進行焊接參數的調節工作，其中，焊接電源的通訊采用ROB5000型通訊板來完成。本研究所述機器人型焊接工作站能夠完成焊接設備的操作模式更改，也可以對焊接參數進行調取研究。雙軸變位機的應用使得焊接機器人可以進行8軸聯動。

2 焊接功能實現

焊接電源可以提供不同的操作模式可供選擇，其包含2步、4步、JOB以及焊條電弧焊等4種焊接模式。本文所使用的通訊板在模式選擇的端口方面配備了3個數字輸入端，該通訊板上的3個數字輸入端與機器人上的3個通用輸入端相連接即可以選擇不同的焊接方式，并可以在幾種焊接方式之中進行切換。機器人焊接程序的編寫既要滿足焊接功能實現的目標，又要使焊接機器人在特定的程序之下以不同軌跡進行焊接，比如環焊縫、方焊縫以及直焊縫等焊縫形狀。除此之外，焊接程序之中還要交代清楚焊縫的形成速度、何時起弧至何時熄弧、調用JOB號等。焊接機器人的程序設定是決定焊接質量好壞的關鍵一環，對焊接過程以及焊接結果有重要的影響。

本文所述焊接機器人在進行直焊縫的焊接過程中需要在程序中設定1個起弧點、1個引弧點和1個熄弧點，經過大量的實踐發現焊接機器人常常會遇到起弧不成功的情況，此時應該額外增加一行程序以便于焊接機器人起弧，所增加的程序點需要完成的任務是使焊接機器人在該程序點停留1s，并且延遲1s出焊絲。

機器人在焊接環焊縫時如果編寫程序使機器人以圓周方式進行焊接常常達不到平焊的焊接質量要求，當機器人和焊接轉臺到達焊接前的規定位置后，機器人焊接手臂在焊接過程中保持靜止，被焊接的工件在轉臺的帶動下以轉臺中心圓心進行規則圓周運動，因此焊接機器人在進行環焊縫的焊接操作時如果想獲得高的焊接質量則需要將轉軸的同軸度調整到最佳。焊接采用2層焊接結構，一層是打底焊接以完成焊件與焊縫金屬之間的過渡，增加蓋面與基體的結合強度。另一層是焊件蓋面的焊接。方管焊縫的焊接過程由上文所述的直焊縫焊接過程和環焊縫焊接過程結合而成，在直線焊接的過程中利用機器人手臂進行直線運動而獨立完成，在方管的拐角處焊接則依靠轉臺的旋轉來配合焊接機器人來完成，這種焊接方式對轉臺的同軸度要求很高，圖2為機器人進行方管焊接時的焊接軌跡示意圖。由圖2可知焊接機器人為了實現方管拐角處的焊接使方管在拐角處與焊接機器人繞同一圓心進行同軸、同方向的旋轉。焊縫的長度是焊接機器人與焊件產生的相對位移量，焊接速度等于相對位移量比焊接時間。

圖2 方焊軌跡

本文所述機器人型焊接自動化工作站可以實現弧長跟蹤的功能，弧長跟蹤功能的實現主要用到恒定電流的特性，焊接過程中焊接電流一直保持不變，與初始設定電流值相等，但焊機的焊接電壓是隨時變化的，弧電壓與焊槍的弧長有相對應的關系，弧電壓隨焊槍的弧長增加而表達，隨焊槍弧長的縮短而減小。本文所述機器人型焊接自動化工作站配備有機器人弧長檢測板卡，可以實現對有效弧壓和弧長的控制。弧壓和弧長可以通過恒定的焊槍與板材間距來保持恒定，當需要改變二者之間的距離以改變其有效弧壓和弧長時，只需要調整機器人的位姿即可。大多數基材的表面都不是絕對平整，如果遇到基材表面出現凹凸不平的情況時，此時弧壓監測系統則發揮作用，弧壓監測系統通過實時采集弧壓監視值模擬量信號并進行跟蹤處理。當所測得的弧壓監視值模擬量信號出現變化時，弧壓監測系統則會進行調整，通過調整焊槍與基材的距離來保證弧壓監視值模擬量信號的恒定，以穩定弧長，獲得良好的焊縫結構和焊縫質量。

3 焊接功能的實驗驗證

3．1 直焊縫焊接功能實驗驗證

對不銹鋼件和鋁合金件進行焊接實驗對比，不銹鋼基材以及焊接設備的工藝參數方面，選擇直徑為3mm的鎢極，120A的焊接電流，送絲速度1.8m/min，80%的占空比，以30cm/min的焊接速度進行焊接。鋁合金基材以及焊接設備的工藝參數方面，選擇直徑為4mm的鎢極，220A的焊接電流，送絲速度1.8m/min，80%的占空比，以30μm/min的焊接速度進行焊接。對不銹鋼件和鋁合金件進行焊接后所得到的焊件形貌如圖3所示，從圖3中可以看出在兩種金屬基材上進行焊接后所得到的焊縫在組織結構上都比較穩定，焊縫均勻細致，因此本文所述機器人型TIG焊自動化工作站可以實現不同基材之上直焊縫的焊接工作。

圖3 直焊對比

3．2 環焊縫焊接功能實驗驗證

對鋁合金基材進行環焊縫的焊接實驗時，進行了打底焊和蓋面焊2層焊接，打底焊的焊接速度控制為15cm/min，蓋面焊焊接速度與打底焊焊接速度相同。打底焊和蓋面焊焊接電流分別控制為90A和95A，送絲速度分別控制為0.8和1.0m/min，擺焊頻率設定為0.7Hz，擺焊振幅為4mm。

3．3 方焊縫焊接功能實驗驗證

與環形焊縫不同的是，方焊縫加入了拐角處的焊接過程，拐角處的焊接速度為15cm/min，其余參數與環焊縫焊接參數相同，此處不再贅述。焊接后焊縫均勻，沒有明顯缺陷，實現了方管形焊縫的功能。

3．4 弧長跟蹤功能實現

加入弧長跟蹤功能后，弧壓監測系統進行調整，通過調整焊槍與基材的距離來保證弧壓監視值模擬量信號的恒定，穩定了弧長，得到了相比于上述3種焊縫更加穩定的結構，獲得了更加平整的焊縫形貌。

4 結語

針對航天運載系統中的一些小尺寸薄壁件手工TIG焊焊縫質量不穩定等問題，設計了一種機器人型TIG焊自動化工作站，該工作站能夠實現自動化焊接的焊接參數可調，并具有弧長跟蹤功能，能夠自動調整焊槍高度，保證焊縫穩定。