復(fù)雜長焊縫焊接機器人工作站及其工裝夾具設(shè)計分析

李敏剛

摘要：現(xiàn)階段隨著社會的發(fā)展，我國的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展有了很大的進(jìn)步，機械制造行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。機械制造行業(yè)競爭較激烈，許多企業(yè)對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都提出了較高要求，將焊接機器人用于更多生產(chǎn)線中，可帶動焊接自動化的發(fā)展。在確保精度足夠、質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)更高的產(chǎn)品制造可靠性，同時降低人工成本、減少材料損耗、提高勞動生產(chǎn)率、增加企業(yè)的核心競爭力。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜長焊縫焊接機器人工作站;工裝夾具;設(shè)計分析

隨著21世紀(jì)制造業(yè)的高速發(fā)展焊接生產(chǎn)的自動化已是必然趨勢，它不僅可以大大提高焊接效率，更重要的是可以確保焊接質(zhì)量，改善操作環(huán)境?，F(xiàn)代焊接工藝正在向著機械化、自動化、智能化的方向發(fā)展，采用機器人焊接已成為焊接自動化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。

1機器人焊接工藝分析

一般裝備制造業(yè)的焊接生產(chǎn)工藝包含三部分：第一是手工點焊法，即SpotWelding或者TackWelding;第二是通過焊接專機或者手工焊節(jié)點的連續(xù)焊接;第三是要求更高的拼裝焊接一體，即機器人自動焊接。這類配置主要結(jié)合了中小規(guī)模生產(chǎn)形式的特征，具有一定的科學(xué)性與實用性。由于113.55L臥式容器的附件較多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之前道工序的精度限制，第三類的拼焊一體很難實現(xiàn)。同時由于工裝要求較高，前期投入較大，因此宜采用第一類與第二類結(jié)合的生產(chǎn)工藝，即線下設(shè)點焊拼裝工位，完成附件預(yù)拼裝點焊工序后，吊裝到變位機上定位裝夾好，再實現(xiàn)機器人自動焊接。在機器人焊接第1個容器的過程中，將第2個容器吊裝到另1臺變位機開始點焊拼裝，按照理論的生產(chǎn)節(jié)拍依次輪流作業(yè)，1個點焊拼裝工位可以覆蓋2個變位機工位，實現(xiàn)了無縫對接。機器人焊接的介入提高了生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量，既降低了工裝的設(shè)計難度，同時又減輕工人的勞動強度。

2典型機器人焊接系統(tǒng)

機器人焊接基本系統(tǒng)主要由機器人、焊接裝備、工裝夾具等構(gòu)成。從技術(shù)構(gòu)成角度來看，機器人焊接系統(tǒng)可劃分為“機器人+焊接”“機器人+焊接工作站”“機器人+焊接生產(chǎn)線”。

2.1機器人+焊接

機器人+焊接主要是就機器人單體實現(xiàn)焊接工序自動化而言，就是考慮機器人的動作對焊接過程的自動控制。機器人本體是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，控制柜是機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，示教器是機器人控制系統(tǒng)與操作者的交互界面，機器人底座是固定承重的載體。焊接電源是焊接系統(tǒng)的能量發(fā)生來源，焊槍是能量輸出的通路，送絲機構(gòu)和焊絲盤架是焊材的供應(yīng)來源。

2.2機器人+焊接工作站

機器人+焊接工作站是一個相對獨立的焊接工作單元系統(tǒng)，這是從焊接整個過程的完成達(dá)成性角度而言。除了機器人施焊過程的必要組成部件之外，還要加上諸如外部裝置電氣控制、觸摸屏、工裝夾具、變位機構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、保護(hù)圍欄、吸塵裝置等等。作為一個機器人焊接工作站，其任務(wù)就是能夠獨立完整地完成對某一工件的焊接工作，這就不僅對機器人如何去焊接提出了要求，而且對于如何保證機器人焊接也有所要求。在焊接工件完成過程中，需要工件的位置固定并控制所需的工裝夾具和變位機構(gòu)，也需要圍欄、吸塵裝置等人身安全健康保護(hù)裝置。

2.3機器人與焊接生產(chǎn)線

機器人與焊接生產(chǎn)線主要是應(yīng)對機器人在焊接生產(chǎn)中自動化條件。機器人焊接工作場所為基礎(chǔ)，機器人工作場地就會逐漸增加，構(gòu)建成各種焊接工作場地組成生產(chǎn)線。對于焊接生產(chǎn)過程自動化來講，其內(nèi)容包含材料、零件準(zhǔn)備、組裝上料、焊接工作、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、下料分揀等數(shù)項工作，這一自動化生產(chǎn)線必須確保全過程無流程失誤和意外情況。這也就意味著焊接機器人的實際流水線不但要具備整體系，還必須要保障其各項工作環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)問題質(zhì)量。機器人與焊接生產(chǎn)場所的內(nèi)容就會更加復(fù)雜，必須確保生產(chǎn)流水線的協(xié)調(diào)性，分配常規(guī)流水線和故障流水線。當(dāng)生產(chǎn)加工或其他工作出現(xiàn)問題，則需要將其轉(zhuǎn)移至其他路徑，集中統(tǒng)一管理，不但有助于查找故障問題，而且能夠保證生產(chǎn)流水線正常進(jìn)行，不會影響進(jìn)度。自動化生產(chǎn)和智能控制的難點就在于對于意外情況的處理，要想保證焊接生產(chǎn)線無操作事故和特殊事件，就必須加強其機器人的緊急應(yīng)對措施。通過優(yōu)化機器人中心處理器的功能方案來保證生產(chǎn)線中的每一個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)水平和所有產(chǎn)品的質(zhì)量。

3機器人焊接工裝設(shè)計

3.1基本要求

為確保焊接機器人的正常運作，焊接工裝夾具需按照以下基本要求進(jìn)行設(shè)計：（1）足夠的強度和剛度由于工件外形復(fù)雜且為殼類零件，焊接夾具在使用過程中長期受到壓板和焊接機器人的壓力，為保證工件不變形，夾具需具備足夠的強度和剛度來承受因限制焊接變形而引起的各個方向上的拘束力[3]。（2）定位精準(zhǔn)定位基準(zhǔn)應(yīng)盡可能選取工藝孔或者工藝面，需盡量避免出現(xiàn)過定位的情況;同時定位基準(zhǔn)數(shù)量越少越好，以避免多基準(zhǔn)引起的公差累積;還要在保證尺寸一致性的前提下，盡可能減少自由度的限制數(shù)量，減小工裝夾具的設(shè)計難度。（3）夾緊迅速準(zhǔn)確夾緊力選擇需適中，夾緊力過大會破壞被焊工件的定位裝置和幾何形狀，而夾緊力過小會導(dǎo)致夾緊后焊件松動滑移。夾緊位置的選擇應(yīng)均勻，避免薄壁零件因受力不均產(chǎn)生應(yīng)力及變形。（4）焊接操作方便確保足夠的焊接空間使焊接機器人運行不受阻礙，且便于操作人員工作。不能妨礙焊接工件裝卸，以縮短裝卸時間并減輕操作人員的勞動強度。（5）工藝性好設(shè)計夾具時需考慮工廠及其產(chǎn)品的實際情況如產(chǎn)量、工廠環(huán)境等，所設(shè)計的夾具應(yīng)便于制造、安裝、操作、檢驗、維修和更換易損零件。（6）快速換型工裝夾具設(shè)計應(yīng)考慮快速換型需求，以滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)快速切換的需要，充分提高換線速度。

3.2智能焊接功能說明

在該智能焊接工作站項目的實際應(yīng)用中采用了許多前沿的機器人焊接技術(shù)，下面對部分焊接技術(shù)進(jìn)行簡單介紹：（1）智能尋位功能：利用噴嘴或焊絲碰觸工件，可確定真實焊縫位置，尋位精度±0.25mm。（2）電弧跟蹤功能：系統(tǒng)實時對焊接中的電流、電壓信號采樣，根據(jù)因下料不規(guī)則及焊接過程中產(chǎn)生的變形分析得出的數(shù)據(jù)修改機器人路徑，能夠自行適應(yīng)焊接過程中的工件變形。（3）臨時停點自動恢復(fù)功能：焊接中發(fā)生電弧異常和暫時停止的時候，去除錯誤因素或者暫時停止原因后，在再啟動時調(diào)用命令，自動從任意位置向電弧切斷位置恢復(fù)，同時還可通過設(shè)定對于電弧切斷位置的偏置量（以電弧切斷位置為基準(zhǔn)的焊接線方向的平移量），指定焊縫的重疊和焊接剩余部分。

4結(jié)語

綜上所述，隨著我國工業(yè)改革步伐的快速推進(jìn)，我國社會工業(yè)發(fā)展也在不斷進(jìn)步，工業(yè)機器人焊接技術(shù)是時代發(fā)展的產(chǎn)物，也是現(xiàn)代化工業(yè)的必然趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]于衡波.機器人激光焊接系統(tǒng)集成技術(shù)在汽車渦輪增壓器生產(chǎn)項目的應(yīng)用[J].中國高新科技，2018，（12）：58-61.

[2]侯小潘.焊接機器人與周邊焊接設(shè)備的集成及遙控焊接技術(shù)[J].數(shù)碼世界，2018，（5）：319.

（作者單位：安川首鋼機器人有限公司）