機器人自動焊接工作站設計與應用研究

卞星星

機器人自動焊接工作站設計與應用研究

卞星星

（廈門華電開關有限公司，福建 廈門 361000）

焊接是制造業中重要的一環，但其工作環境臟、勞動強度大，對操作人員的技能要求也比較高。隨著中國科技的不斷發展，越來越多的機器人應用于焊接行業中，既提高了工作效率，降低對操作人員技能的要求，又保障了產品的合格率。設計研究了一款以焊接機器人為中心、多設備協同工作、集成度高的焊接工作站，為中國焊接企業的生產提出了建議。

機器人；自動焊接；工作站；設計原理

機器人是典型的機電一體化設備，可代替或配合人類完成危險的、勞動強度大的、大批量的作業。在傳統焊接行業中，多數采用人工焊接，人工勞動強度高、效率低，又在一定程度上增加了企業成本，這使得機器人自動焊接成為一種趨勢，特別是進行批量性焊接的企業，對焊接的自動化、機械化的需求更為迫切。機器人焊接工作站是基于機器人的一種柔性加工系統，包括弧焊機器人、變位機、清槍站、焊接電源、激光尋位及跟蹤、焊接屏蔽房、除塵系統等設備，以保證機器人穩定運作，保證焊接的精確性及安全性。

1 產品現狀及制造要求

1.1 產品現狀

此次研究的機器人焊接工作站主要應用于環網柜箱體與封板的焊接中，現有產品的箱體及封板采用外角接方式，這決定了機器人焊接方式為角焊。產品所用材料為2.5～ 3.0 mm的SUS304不銹鋼，MIG/MAG焊均能焊接不銹鋼，但MAG只可以滿足0.6 mm厚的薄規格鋼板的要求，因此采取機器人自動MIG焊接。不銹鋼MIG焊接的保護氣可以用純氬，也可以使用98%氬氣加2%氧氣，純氬價格昂貴，綜合考慮公司成本與焊接效果，最終焊接保護氣采用98%氬氣加2%氧氣。環網柜氣箱焊縫結構如圖1所示。

圖1 環網柜氣箱焊縫結構示意圖

1.2 角焊接制造要求

角焊接是焊接中的一種，對焊工的技術要求比較高。角焊接指將兩塊金屬板垂直焊接的過程，焊縫呈現三角形，可以有平面、凸面以及凹面三種形式。焊縫的高度是直角三角形的直角點，按照相關的焊接規定，角焊縫的高度一般不能小于金屬板的厚度，在進行雙面焊接的過程中，最薄的焊縫也要達到焊接物體40%的厚度，而單面焊接需要達到物體80%的厚度。角焊接是通過焊接夾角將兩金屬板焊為一體的焊接方式，兩金屬板的夾角必須保證為90°。

2 機器人焊接工作站設計原理

2.1 機器人焊接工作站技術要求

一套完整的機器人自動焊接系統，應包括弧焊機器人、焊接電源、清槍站、變位機、焊件夾持裝置、控制系統、焊接屏蔽房等。基本工作原理是示教再現，即由用戶通過示教器導引機器人，一步步按實際任務操作一遍，機器人在導引過程中記憶示教的每個動作的位置、姿態、運動參數、焊接參數等，生成一個可連續執行的程序。完成示教后，只要機器人有信號，機器人就可以精確地按示教動作，完成全部操作，實際示教與再現。焊接工作站需要能實現焊接的整個流程，即確認焊接類型后，如焊接封板，焊件能在變位機與焊件夾持裝置的配合下到達理想的加工位置，機器人先清槍，再按照示教的動作，與變位機配合完成焊接，焊接過程需在焊接屏蔽房中完成。

2.2 機器人焊接工作站組成及設備配置

2.2.1 弧焊機器人

早在20世紀80年代，中國就有了弧焊型機器人，極大促進了機器人自動化焊接的發展。隨著科技的不斷發展，越來越多的機器人焊接工作站投入到實際的生產使用中。機器人的種類很多，考慮到工作站將投入到高效、批量生產中，為保證運行的可靠性及穩定性，選擇了穩定性高的ABB機

器人，保證焊接工作能夠長期有效地進行。ABB機器人使用壽命長、維修頻率低、運行的噪聲小、精度高，能保證焊接的質量。綜合考慮焊接產品的重量及工作范圍，選擇IRB 2600-12/1.85機器人，機器人臂長1.85 m，承重12 kg，結構堅固可靠，精確度高，能高效生產、高質量完成任務。且配備了快速精確的IRC5控制器，配合IRC5控制器使用的焊接專家功能及單點編程示教器與機器人手臂上的自動送絲裝置，能有效縮短工作周期，提高焊接質量，適合焊接工作。

2.2.2 變位機

變位機是焊接過程中必不可少的一個設備，可使焊縫運動到理想的加工位置，能實現一次性裝夾完成全部焊接工作。變位機通常有雙立柱單回轉式變位機、U型雙座式頭尾雙回轉型式、L型雙回轉焊接變位機、C型雙回轉焊接變位機及座式通用變位機。

選用能在狹窄區域完成焊接工作的L型雙回轉焊接變位機，該變位機開敞性好，占地面積小，有大回轉機構1、小回轉機構2，呈現L形，擁有兩個方向的回轉自由度。大回轉機構的傳動鏈為：ABB外部軸電機—精密減速機—小齒輪—回轉支撐，可以±360°任意回轉，其回轉支撐又作為小回轉機構的動力元件，與小回轉機構的箱形梁連接，帶動小回轉機構±360°回轉[2]。小回轉機構的動力傳動方式與大回轉機構相似，其回轉支撐輸出端與工作盤相連，焊件通過工裝安裝在工作盤上，實現焊接過程中的位置變化。

2.2.3 清槍站

TCS-Compact清槍站屬于集成型清槍站，接入焊接系統中，能對焊槍噴嘴內表面進行全方位、有效、自動清潔，有效增加焊槍的使用壽命，降低維修頻率，是機器人焊接工作站中一個重要的組成部分。清槍站由清槍單元、剪絲單元、噴防飛濺液單元組成。清槍單元的作用是，當機器人開始焊接工作時，先移動到相應的清槍位置，此時機器人控制系統輸出信號到PLC中，控制V型塊與噴嘴夾緊裝置，將焊槍和噴嘴固定住，氣動馬達驅動鉸刀通過一次往復直線運動移動到噴嘴內表面，清除殘留的焊接殘渣，其中使用的鉸刀需要根據噴嘴和焊槍選擇。焊槍達到指定的位置之后，剪絲單元會接收到PLC提供的信號，將剪絲前端的結球切除，并保證焊絲干伸長度一致。飛濺影響焊接效果，因此需要噴防飛濺液單元以減少焊接中飛濺的產生。噴防飛濺液單元內有一個密閉油倉，在噴防飛濺信號下達時，壓縮空氣會通過真空發生器吸入放飛濺液并與之混合，均勻噴灑在噴嘴、導電嘴表面上，防飛濺液的噴灑劑量是可調的，更加環保和衛生。此清槍站的優點是可自動清槍，無需人工操作，更加安全，適合大批量連續生產，對齊剪絲的過程噪聲較小。

2.2.4 CMT焊接電源

傳統MIG/MAG焊是市面上應用比較廣泛的焊接方式，經濟性好，但是焊接過程的熱輸入量大，熱變形大，易產生飛濺，出現焊塌、焊漏的情況，所以選擇更為先進的CMT焊接。CMT即Cold Metal Transfer，冷金屬過渡焊，是一種基于短路過渡的全新的焊接技術，焊接電源也使用CMT焊接電源。

CMT焊接過渡中，溶滴與工件接觸時還未與焊絲脫離，形成短路過渡，電弧熄滅。送絲系統實現閉環控制，數字化監控器能接收短路信號并反饋到送絲機，送絲機控制焊絲停止并做回抽運動，接收不到短路信號時，焊絲向前伸至規定長度，繼續焊接，如此往復進行。過渡過程中，焊接電流減小至幾乎為0，熱輸入量小，呈現“冷—熱—冷—熱”的循環過程，可實現焊接過程無飛濺，不僅提高了焊接質量，焊縫整齊美觀，無需人工補焊，而且使得焊接中產生的煙塵大大減少，減輕了對環境的負擔。

2.2.5 機器人焊接工作站控制系統

PLC、工控機、單片機在工業控制中起關鍵作用，是實現控制功能的核心部件，這三種控制系統各有千秋，需要根據工作環境、設計的需要來選擇。西門子PLC的可靠性高、能耗低、功能完善，特別是近年來西門子PLC增強了通信功能，大力發展人機界面技術，是實現各種控制系統的理想控制設備。

機器人焊接工作站配備了西門子PLC，并在左、右兩工位分別配置了一個西門子觸摸屏及操作臺，方便工件型號切換及程序調用，很好地實現了人與機器信息的有效交換。通過PLC本體集成的以太網口來連接支持S7協議的左右兩個觸摸屏，實現信息交互。觸摸屏選擇焊接產品類型，按下啟動鍵后，信息傳遞到PLC中，PLC控制氣缸、電機，從而控制安全門、遮光簾、風機等設備動作，機器人控制柜接收到PLC發出的啟動信號，進而通過伺服驅動系統控制機器人、外部軸動作。整個控制系統控制精度高、運行可靠、響應速度快。

3 結論

機器人自動焊接工作站能提高焊接品質，不會出現氣孔、裂紋、焊透等缺陷，焊縫均勻光滑、飛濺稀少，無需后續人工打磨、補焊，性能穩定、生產效率高，適合大批量生產，是實現自動焊接的不二選擇。

［1］張少林，景奉水，蘆虎武，等.基于智能機器人的數字化柔性汽車托架焊接工作站設計［J］.機器人技術與應用，2017（5）：32-35.

［2］任宇飛，許文清，于亮，等.L形雙回轉升降式焊接變位機［J］.工程機械，2005，36（3）：14-16.

TG439

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.072

2095－6835（2019）24－0160－02

卞星星（1986—），男，福建福州人，大學本科，工程師，主要研究方向為工業機器人自動焊接技術。

〔編輯：嚴麗琴〕