一種機(jī)器人型TIG焊自動(dòng)化工作站設(shè)計(jì)分析

李明琨，陳民昌，何資幟

（廣西南寧技師學(xué)院，廣西 南寧 530031）

1 工作站總體設(shè)計(jì)

本工作站由執(zhí)行焊接動(dòng)作的機(jī)器人系統(tǒng)、為弧焊提供電能的電源系統(tǒng)以及雙軸變位機(jī)組成。機(jī)器人系統(tǒng)包含機(jī)器人動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)和機(jī)器人動(dòng)作控制系統(tǒng)。動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)我們稱之為機(jī)器人本體，動(dòng)作控制系統(tǒng)我們稱之為機(jī)器人控制柜。弧焊電源系統(tǒng)既包括弧焊電源，又包括焊接時(shí)送焊絲的系統(tǒng)、焊接的主要設(shè)備焊槍以及焊接過程的水冷系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

經(jīng)過分析設(shè)備參數(shù)，對(duì)比多家機(jī)器人公司的產(chǎn)品后最終確定安川-MA2010為該工作站焊接機(jī)器人的首選設(shè)備，該機(jī)器人可以承受10kg的負(fù)載，重復(fù)定位的準(zhǔn)確度在0.1mm以內(nèi)，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(jī)器人是整個(gè)工作站的控制核心，起到協(xié)調(diào)和控制的作用。該機(jī)器人可以借助I/O通訊方式實(shí)現(xiàn)焊接功能并進(jìn)行焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)工作，其中，焊接電源的通訊采用ROB5000型通訊板來(lái)完成。本研究所述機(jī)器人型焊接工作站能夠完成焊接設(shè)備的操作模式更改，也可以對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)取研究。雙軸變位機(jī)的應(yīng)用使得焊接機(jī)器人可以進(jìn)行8軸聯(lián)動(dòng)。

2 焊接功能實(shí)現(xiàn)

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(gè)數(shù)字輸入端，該通訊板上的3個(gè)數(shù)字輸入端與機(jī)器人上的3個(gè)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(jìn)行切換。機(jī)器人焊接程序的編寫既要滿足焊接功能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，又要使焊接機(jī)器人在特定的程序之下以不同軌跡進(jìn)行焊接，比如環(huán)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(shí)起弧至何時(shí)熄弧、調(diào)用JOB號(hào)等。焊接機(jī)器人的程序設(shè)定是決定焊接質(zhì)量好壞的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)焊接過程以及焊接結(jié)果有重要的影響。

本文所述焊接機(jī)器人在進(jìn)行直焊縫的焊接過程中需要在程序中設(shè)定1個(gè)起弧點(diǎn)、1個(gè)引弧點(diǎn)和1個(gè)熄弧點(diǎn)，經(jīng)過大量的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)焊接機(jī)器人常常會(huì)遇到起弧不成功的情況，此時(shí)應(yīng)該額外增加一行程序以便于焊接機(jī)器人起弧，所增加的程序點(diǎn)需要完成的任務(wù)是使焊接機(jī)器人在該程序點(diǎn)停留1s，并且延遲1s出焊絲。

機(jī)器人在焊接環(huán)焊縫時(shí)如果編寫程序使機(jī)器人以圓周方式進(jìn)行焊接常常達(dá)不到平焊的焊接質(zhì)量要求，當(dāng)機(jī)器人和焊接轉(zhuǎn)臺(tái)到達(dá)焊接前的規(guī)定位置后，機(jī)器人焊接手臂在焊接過程中保持靜止，被焊接的工件在轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下以轉(zhuǎn)臺(tái)中心圓心進(jìn)行規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)，因此焊接機(jī)器人在進(jìn)行環(huán)焊縫的焊接操作時(shí)如果想獲得高的焊接質(zhì)量則需要將轉(zhuǎn)軸的同軸度調(diào)整到最佳。焊接采用2層焊接結(jié)構(gòu)，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(jié)合強(qiáng)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(huán)焊縫焊接過程結(jié)合而成，在直線焊接的過程中利用機(jī)器人手臂進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)而獨(dú)立完成，在方管的拐角處焊接則依靠轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)來(lái)配合焊接機(jī)器人來(lái)完成，這種焊接方式對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的同軸度要求很高，圖2為機(jī)器人進(jìn)行方管焊接時(shí)的焊接軌跡示意圖。由圖2可知焊接機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)方管拐角處的焊接使方管在拐角處與焊接機(jī)器人繞同一圓心進(jìn)行同軸、同方向的旋轉(zhuǎn)。焊縫的長(zhǎng)度是焊接機(jī)器人與焊件產(chǎn)生的相對(duì)位移量，焊接速度等于相對(duì)位移量比焊接時(shí)間。

圖2 方焊軌跡

本文所述機(jī)器人型焊接自動(dòng)化工作站可以實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)跟蹤的功能，弧長(zhǎng)跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)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(shè)定電流值相等，但焊機(jī)的焊接電壓是隨時(shí)變化的，弧電壓與焊槍的弧長(zhǎng)有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，弧電壓隨焊槍的弧長(zhǎng)增加而表達(dá)，隨焊槍弧長(zhǎng)的縮短而減小。本文所述機(jī)器人型焊接自動(dòng)化工作站配備有機(jī)器人弧長(zhǎng)檢測(cè)板卡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有效弧壓和弧長(zhǎng)的控制。弧壓和弧長(zhǎng)可以通過恒定的焊槍與板材間距來(lái)保持恒定，當(dāng)需要改變二者之間的距離以改變其有效弧壓和弧長(zhǎng)時(shí)，只需要調(diào)整機(jī)器人的位姿即可。大多數(shù)基材的表面都不是絕對(duì)平整，如果遇到基材表面出現(xiàn)凹凸不平的情況時(shí)，此時(shí)弧壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則發(fā)揮作用，弧壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集弧壓監(jiān)視值模擬量信號(hào)并進(jìn)行跟蹤處理。當(dāng)所測(cè)得的弧壓監(jiān)視值模擬量信號(hào)出現(xiàn)變化時(shí)，弧壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則會(huì)進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整焊槍與基材的距離來(lái)保證弧壓監(jiān)視值模擬量信號(hào)的恒定，以穩(wěn)定弧長(zhǎng)，獲得良好的焊縫結(jié)構(gòu)和焊縫質(zhì)量。

3 焊接功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3．1 直焊縫焊接功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)不銹鋼件和鋁合金件進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)對(duì)比，不銹鋼基材以及焊接設(shè)備的工藝參數(shù)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(jìn)行焊接。鋁合金基材以及焊接設(shè)備的工藝參數(shù)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(jìn)行焊接。對(duì)不銹鋼件和鋁合金件進(jìn)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(jìn)行焊接后所得到的焊縫在組織結(jié)構(gòu)上都比較穩(wěn)定，焊縫均勻細(xì)致，因此本文所述機(jī)器人型TIG焊自動(dòng)化工作站可以實(shí)現(xiàn)不同基材之上直焊縫的焊接工作。

圖3 直焊對(duì)比

3．2 環(huán)焊縫焊接功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)鋁合金基材進(jìn)行環(huán)焊縫的焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)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(shè)定為0.7Hz，擺焊振幅為4mm。

3．3 方焊縫焊接功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

與環(huán)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(shù)與環(huán)焊縫焊接參數(shù)相同，此處不再贅述。焊接后焊縫均勻，沒有明顯缺陷，實(shí)現(xiàn)了方管形焊縫的功能。

3．4 弧長(zhǎng)跟蹤功能實(shí)現(xiàn)

加入弧長(zhǎng)跟蹤功能后，弧壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整焊槍與基材的距離來(lái)保證弧壓監(jiān)視值模擬量信號(hào)的恒定，穩(wěn)定了弧長(zhǎng)，得到了相比于上述3種焊縫更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，獲得了更加平整的焊縫形貌。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)航天運(yùn)載系統(tǒng)中的一些小尺寸薄壁件手工TIG焊焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人型TIG焊自動(dòng)化工作站，該工作站能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化焊接的焊接參數(shù)可調(diào)，并具有弧長(zhǎng)跟蹤功能，能夠自動(dòng)調(diào)整焊槍高度，保證焊縫穩(wěn)定。