焊接機器人模塊化工裝組夾及復現工藝研究*

胡戰明 宋博宇 張學海 李學強

(1.內蒙古第一機械集團股份有限公司；2.包頭職業技術學院，內蒙古 包頭 014035)

隨著焊接機器人在現代工業中的應用越來越普遍，對于精準的裝配要求也越來越高，裝配質量的好壞將直接影響到焊接質量和產品質量，并且焊接工藝的自動化程度越高，對裝配的質量要求也越高。公司現有焊接機器人為德國KUKA KR5 R1400懸臂焊接機器人，與焊接機器人配合的變位機裝夾平臺為德國戴美樂800mm×800mm三維柔性夾緊平臺。由于公司產品品種多，數量少，定做焊接工裝成本太高。針對以上原因，公司決定利用三維柔性夾緊平臺組合焊接工裝，實現與機器人聯動焊接的需求。三維柔性平臺組合工裝、裝夾零件是一項比較繁瑣的工作，約占整個焊接結構制造過程總工時的30%～40%，這批次產品焊接完成后，換產后再次組合其它產品工裝成為難點，為了實現焊接機器人生產效率高，復現性好的特點，需要根據產品特點，尋求到一種適合該焊接機器人正確的裝配方法和工藝，從而保證產品質量，縮短工期，降低成本。本文主要研究三維柔性夾緊平臺工裝的組夾方法及產品復現生產的要求，以及焊接機器人與工裝之間配合關系。

1 影響焊機機器人焊接產品質量的因素

1.1 零件下料對焊接機器人裝配質量的影響

焊接部件由很多各種零件組成，零件狀態一致性和加工方法不同(火焰切割、激光切割、機械加工、沖壓成型、水切割)都會影響裝配精度。零部件裝配時劃線裝配、工裝裝配、無基準裝配都會影響裝配精度。

1.2 三維柔性平臺組夾方式對焊接機器人裝配質量的影響

按照零件狀態隨意組夾工裝，不考慮變位機零點基準和零件基準，導致過定位或欠定位。零件組夾完成后，沒有明顯特征和組夾位置不合理造成下次調用程序時不能恢復原有組夾位置，無法重復焊接。

1.3 示教編程對焊接質量的影響

焊接機器人是否和變位機都處于原始點，機器人各軸關節的位置和形態是否理想，MOVJ和MOVL及MOVC轉換使用是否合理。焊絲干伸長度、焊槍角度、焊接順序、焊接電流、焊接電壓、氣體流量、焊接速度都會影響焊縫質量。

2 焊接機器人工裝組夾試驗

在焊接機器人工裝組夾試驗過程中，需要從實用性原則和經濟性原則，可靠性原則方面進行考慮。

2.1 試驗前的準備

為了實現裝配精度，從零件的下料環節就需要控制，盡可能采用激光切割或者沖壓成型，提高零件的精度。在零部件模塊化焊接工裝組夾時，為了提高工作效率，保證經濟性，采用一臺變位機組合兩套焊接工裝，如圖1所示。

圖1 模塊化組夾焊接工裝

為了保證焊接機器人在示教時位置的準確性，需要提前對焊接機器人和變位機進行零點位置標定，同時將焊槍角度和干伸長度預先調節到標準尺寸，如圖2所示。

2.2 工裝組夾設計

按照零件結構組合工裝，首先利用三維柔性夾緊平臺輔助直角尺定位零件基準面，零件基準面應該與工件的接觸面最大，能夠消除一定的自由度。因此以變位機三維平臺零點方向為基準，也就是變位機平臺正南方(Demmeler字體方向)為定位基準，棋盤方格定位法輔助其他定位元件進行裝配，如圖3所示。采取以下組夾步驟：

圖2 焊槍角度和焊絲干伸長度

在E3-E4工作臺表面組合工裝，以正南方為基準，工作臺端面寫正南字的。

選出零件的定位基準孔，采用三維柔性平臺附具帶孔直尺，從東數出第3孔第3條刻度線為基準，從正南數出第4刻度線，按圖片所示固定帶局部壓緊片的直尺。

將零件推上平臺靠住直尺后用C型夾按圖上位置固定零件。

E5-E6工作臺從東數出第3孔第3條刻度線為基準，從正南數出第4刻度線，按圖3所示固定帶局部壓緊片的直尺，將零件推上平臺靠住直尺后用C型夾按圖3上位置固定零件。

圖3 棋盤式工裝組夾(南4格東2格定位)

2.3 焊接機器人示教編程

零件工裝組合完成后，進行機器人示教編程，首先調整機器人焊槍角度，創建程序文件名稱，打開程序并記錄該空走點位置，移動焊槍到達零件上方區域設立空間點，例如(直線焊縫的編輯，如圖4所示)。

示教編程中，先將坐標系轉換為直角坐標系，空間點插補為MOVJ，焊接中間點和結束點均為MOVL。

2#為空間安全點MOVJ非線性速度20%。3#為焊接開始點MOVJ非線性(添加焊接開始ARC ON )指令在命令一覽按鍵里，通過按開該鍵就會出現焊接，再點擊焊接就會出現焊接指令。4#為焊接結束點MOVL、BL=0、VBL=0(添加焊接收弧指令ARC Off)指令在命令一覽按鍵里，通過按開該鍵就會出現焊接，再點擊焊接就會出現焊接指令。5#為空間安全點MOVJ非線性速度為20%。每段焊縫都根據工藝要求設定焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、氣體流量等焊接參數(例如第15道工序，焊接電流230A，焊接電壓25V，焊接速度0.8m/min，氣體流量15L/min,干伸長度15mm，送絲速度6.7m/min)。示教編程完成后，采用手工示教運行機器人，發現焊接軌跡完全正常時，將機器人打到自動運行模式，并將焊接開始打開，檢測氣體是否正常，全部驗證合格后點擊開始鍵進行焊接。

圖4 直線焊縫的示教編輯

所有工作完成后拍攝組夾工裝形態、位置及零件代號，制作裝配焊接工藝指導書，方便換產后再次生產按圖組合工裝調用焊接程序即可焊接生產。

3 結論

在傳統的柔性平臺定位過程中，容易出現定位件位置測量不準導致定位偏差的問題，為了解決這個問題，采用棋盤方格定位法實現工裝的定位和組合，按下棋推進比較容易實現精準定位和重復再現功能，三維柔性平臺每個網格線都是標準100mmx100mm的格線，利用南幾格+東幾格或南幾格+西幾格可以實現快速裝夾定位。

根據六點定位原理，將夾具定位元件轉化為相應的定位支承點，并以此來分析具體定位元件所限制的工件自由度。通過分析得出，按照平臺表面網格線推出南3刻度線或東3刻度線為零件定位基準線進行工裝組合，可以完全限制工件的6個自由度。網格線也可以是南2、南3南4等，配合東1、東2、東3等作為零件的基準定位，配合各種直角輔具組合焊接工裝，利用壓緊裝置固定零件，也可以達到精確定位的目的。

本文通過使用棋盤方格定位法，使零件裝夾一致，實現了產品快速換產和零件復現的工藝要求，為焊接機器人自動化焊接生產提供了可靠的技術支撐，同時經過與傳統工裝方法對比，其工作效率提高3倍以上。工作時，只需調出原編輯的焊接程序就可實現快速焊接，不需要重復裝配和示教檢查，且能保證產品復現和機器人重復定位精度要求，并且柔性工裝可以適應多種產品的裝焊要求，目前已經在公司8種車型64種產品中推廣使用。