“打殼錘頭”自動焊接系統(tǒng)研究與應(yīng)用

姜聯(lián)玉，單志超，宋文強，孫長好，王健，王剛

（1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)概述

打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)主要由下料系統(tǒng)和組焊系統(tǒng)組成，包括焊接機器人、搬運機器人、切割機器人、系統(tǒng)控制柜、全數(shù)字脈沖MAG焊接電源、變位機、剪絲清槍站、搬運機器人定制抓手、焊槍防碰撞裝置、焊縫跟蹤功能、評審焊接軟件包、等離子切割機、鋼管上料架、切管機輸送料架、焊接工件儲料框、焊接工件轉(zhuǎn)運輸料系統(tǒng)、焊接旋轉(zhuǎn)平臺夾具、主電源控制柜、控制電纜、供電電纜、煙氣集塵回收裝置、安全圍欄、安全門鎖、安全光柵、安全報警器等配套設(shè)施組成，組建全工序流程自動化機器人焊接工作站，可以改造目前打殼錘頭維修焊接采用人工進(jìn)行切割、下料、搬運、組對焊接等煩瑣的維修流程，實現(xiàn)自動化流程生產(chǎn)工作，解決了維修打殼錘頭煩瑣的焊接工序，替代人工手弧焊接作業(yè)，從而提高自動化水平，減少人員作業(yè)強度，降低安全風(fēng)險，提高生產(chǎn)效率。

2 打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）切割下料區(qū)與組對焊接區(qū)完美結(jié)合，切割機器人、搬運機器人與切割定位旋轉(zhuǎn)料架配合切割下料，搬運機器人與物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)配合下料與上料，焊接機器人焊接。（2）尾管下料開坡口一次完成，提高下料效率，同時避免舊管尺寸不穩(wěn)定造成坡口不一致，導(dǎo)致組對及焊接缺陷。（3）分部組對，可有效保證焊縫相對位置及組對質(zhì)量，省去機器人尋位過程，簡化流程，節(jié)約節(jié)拍。

3 主要設(shè)備說明及技術(shù)參數(shù)

打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)包括三大區(qū)域：機器人切割下料區(qū)、機器人組焊區(qū)以及總控區(qū)，如圖1所示。

圖1 打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)區(qū)域劃分

3.1 機器人切割下料區(qū)

機器人切割下料區(qū)包括：切割機器人、搬運機器人、切割定位旋轉(zhuǎn)輸料架、廢料回收箱、廢料回收轉(zhuǎn)運裝置、物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)、等離子切割機。

3.1.1 切割機器人

（1）切割機器人本體。機器人選用6關(guān)節(jié)機器人，根據(jù)示教的運動軌跡（作業(yè)），能夠自動完成工件的焊接作業(yè)。（2）機器人控制器。機器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。其開放、安全、更具靈巧性。SRC M5為新一代控制系統(tǒng)提供了堅實的平臺，同時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和靈活性得到了提高。SRC M5提供了必要的開放接口來達(dá)到系統(tǒng)集成的需求。

3.1.2 搬運機器人

（1）機器人本體。機器人選用6關(guān)節(jié)機器人，該機器人采用修長的延長臂設(shè)計，大幅度擴展工作空間，工作范圍高達(dá)3007毫米。六軸機器人中的長臂王，專為長距離作業(yè)設(shè)計。尤其適合高負(fù)載高效的長距離搬運、上下料等制造領(lǐng)域。（2）機器人控制器。機器人控制器采用新松自主品牌SRC G5新一代控制器。其開放、安全、更具靈巧性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和靈活性得到了提高。結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計，節(jié)約空間。配備智能冷卻系統(tǒng)，采用智能溫控，實時監(jiān)控柜內(nèi)溫度，環(huán)保降噪。SRC G5提供了豐富的外部接口，支持應(yīng)用的擴展與定制。

3.1.3 搬運端拾器

（1）搬運端拾器采用單氣抓形式，由法蘭、連接板、氣抓、手指組成，工作原理為法蘭連接機器人6軸，連接板連接固定氣抓與手指，氣抓由氣源為主動力，實現(xiàn)手指的開與合完成抓取動作。（2）搬運端拾器分別抓取舊管、連接管、尾管。（3）搬運端拾器氣爪，單爪行程20mm、夾緊力12500N、最小夾緊力2200N、重量17.2kg、最大抓取重量51.5kg。

3.1.4 切割定位旋轉(zhuǎn)輸料架

切割定位旋轉(zhuǎn)輸料架系統(tǒng)包括原材料料架、原材料料架頂端旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、原材料料架頂端頂升機構(gòu)、進(jìn)給機構(gòu)、切割定位平臺機構(gòu)設(shè)備。

（1）原材料料架主要用于存放6m長管料，略有傾斜，管料可依次向下滾動，通過料架頂端旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)、料架頂端頂升機構(gòu)等，自動把物料送至進(jìn)給機構(gòu)上，無須人工干預(yù)。此處機構(gòu)主要由原材料料架、頂端頂升機構(gòu)、頂端旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成。（2）進(jìn)給機構(gòu)配有V型支架、伺服電機、電氣控制系統(tǒng)，通過伺服控制，可精確控制管料徑向及軸向位置，保證切割質(zhì)量。（3）切割定位平臺由移動定位機構(gòu)、滑臺機構(gòu)、氣缸、除塵罩和限位傳感器組成，工作原理為進(jìn)給機構(gòu)夾持原材料與舊管到達(dá)切割定位平臺位置，移動定位機構(gòu)移動在切割位置，氣缸帶動檔板伸出，原材料或舊管觸碰氣缸擋板，完成動作，機器人切割，廢料由機器人抓取落入廢料回收箱。

3.1.5 廢料回收箱轉(zhuǎn)運裝置

廢料回轉(zhuǎn)箱轉(zhuǎn)運裝置，主要由地軌、廢料回收箱、電氣元件組成。工作原理為：在機器人切割后，廢料由機器人放入廢料回收箱中，待廢料回收箱裝滿，人工在站外點擊操作臺，廢料會滑動到站外，在由人工將滿載廢料回收箱取走，放上空廢料回收箱，觸碰按鈕，空廢料回收箱回到站內(nèi)預(yù)定位置。

3.1.6 物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)

物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由鋼機構(gòu)、料倉、氣動元件組成，尾管與連接管切割后豎直擺放，一次存放尾管12根、連接管12根，同時便于機器人定位抓取，下部由氣缸帶動可實現(xiàn)直線運動，方便運輸。

3.1.7 等離子切割機

采用Cutmaster A120等離子切割機，額定輸出120Amps。

3.2 機器人組焊區(qū)

機器人組焊區(qū)包括：焊接機器人、搬運機器人、托輥變位機、焊槍、焊機、尾管對中臺、合金打錘頭上料框、成品下料框。

3.2.1 焊接機器人

（1）焊接機器人本體。機器人選用6關(guān)節(jié)機器人，根據(jù)示教的運動軌跡，能夠自動完成工件的焊接作業(yè)。（2）機器人控制器。機器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。其開放、安全，更具靈巧性。SRC M5為新一代控制系統(tǒng)提供了堅實的平臺，同時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和靈活性得到了提高。SRC M5提供了必要的開放接口來達(dá)到系統(tǒng)集成的需求。

3.2.2 搬運機器人

搬運機器人本體及機器人控制器與焊接機器人相同。配備智能冷卻系統(tǒng)，采用智能溫控，實時監(jiān)控柜內(nèi)溫度，環(huán)保降噪。SRC G5提供了豐富的外部接口，支持應(yīng)用的擴展與定制。

3.2.3 機器人外部軸

機器人焊接時，需要外部設(shè)備如桁架、變位機等協(xié)同動作，使機器人以最佳焊接姿態(tài)焊接，保證焊縫質(zhì)量。相關(guān)外部設(shè)備需要采用機器人外部軸系統(tǒng)，和機器人六個本體軸一起，由機器人控制器統(tǒng)一控制，以實現(xiàn)聯(lián)動功能。

3.2.4 智能焊接軟件

新松智能焊接軟件功能包括接觸式傳感檢測、焊縫電弧跟蹤、斷續(xù)焊、多層多道焊、電弧重啟、斷點恢復(fù)、焊縫程序參數(shù)化模板、熄弧優(yōu)化調(diào)整、擺弧功能模塊、故障及報警顯示、粘絲自動解除、氣體壓力監(jiān)控等功能。

（1）接觸式傳感檢測。接觸傳感檢測功能主要包含三方向傳感、起始點檢測、終點檢測、圓弧傳感、接觸探測傳感等功能。保證焊接過程不受工件的來料加工、組對拼焊和焊接裝夾定位帶來的焊縫位置有偏差的影響，自動尋找焊縫位置并識別焊接情況，保證能夠順利準(zhǔn)確地焊接。（2）焊縫電弧跟蹤功能。焊縫的電弧跟蹤功能用于：當(dāng)實際的焊縫軌跡偏離示教程序軌跡或工件在焊接過程中工件發(fā)生熱形變時，機器人通過焊接過程的數(shù)據(jù)搜集、處理，實時修正補償運行軌跡，確保焊槍末端運行軌跡始終在焊縫上。同時，電弧跟蹤功能可以實現(xiàn)復(fù)雜曲線的跟蹤，確保了電弧跟蹤的實用性。在焊接過程中，通過電弧跟蹤功能，實時調(diào)整焊槍位置，保證焊絲的干伸長度不變，保證了焊接過程的穩(wěn)定性，確保整條焊縫成型的一致性。（3）多層多道焊接。在焊接生產(chǎn)中某些工業(yè)焊板較厚，焊接一道焊縫無法滿足工藝要求，需要焊接多道，甚至多層多道。傳統(tǒng)的機器人焊接方式無法滿足生產(chǎn)效率的要求，為了使用簡便快捷，新松機器人開發(fā)了多道焊模塊。（4）電弧重啟。通過電弧重啟功能，可以實現(xiàn)在焊接起始點起弧困難時，機器人進(jìn)行小范圍移動，在不同地點起弧成功后，機器人回到焊接起始點繼續(xù)焊接。增加起弧成功率，保證系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)。（5）粘絲自動解除。通過粘絲自動解除功能，新松機器人可以在焊接結(jié)束后，判斷焊絲是否粘在焊縫處。之后進(jìn)行自動解除。同時，配有焊槍清槍站，能夠?qū)崿F(xiàn)自動清槍、剪絲、噴油。可以保持系統(tǒng)連續(xù)。（6）斷點恢復(fù)。如果機器人在焊接過程中出現(xiàn)了問題，導(dǎo)致焊接中斷。排查問題后，機器人可以通過斷點恢復(fù)功能，在焊接中斷點繼續(xù)焊接。（7）參數(shù)設(shè)置。可以對電流、電壓、焊接速度、擺弧等焊接參數(shù)進(jìn)行設(shè)置存儲、調(diào)用等。（8）氣體壓力監(jiān)控。在焊接過程中，氣體壓力監(jiān)控實時監(jiān)測氣體壓力，如果壓力低于設(shè)定值，將發(fā)出警報。（9）生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。具有專家系統(tǒng)的新松機器人弧焊監(jiān)控系統(tǒng)，通過對機器人信息的采集，不僅能夠監(jiān)控電流電壓等與焊機相關(guān)的參數(shù)，而且能夠監(jiān)控機器人工作狀態(tài)、作業(yè)運行情況等信息，使得管理更加現(xiàn)代化、全面化，大大提升機器人焊接過程的管理效率。

3.2.5 托輥變位機

采用托輥變位機進(jìn)行焊接、組對時，搬運機器人先將合金錘頭和連接管上料至托輥上，定位機構(gòu)升起，推緊機構(gòu)推緊，保證合金錘頭插入連接管，然后，焊接機器人對焊縫進(jìn)行點固。托輥變位機采用機器人外部軸控制，可精確控制轉(zhuǎn)速及啟停位置，有效保證焊接質(zhì)量。

3.2.6 焊機系統(tǒng)

焊接電源采用松下500GL焊機，適合碳鋼材料的焊接和不銹鋼的非脈沖焊接。

3.2.7 搬運端拾器

（1）搬運端拾器采用單氣抓形式，由法蘭、連接板、氣抓、手指組成，工作原理為法蘭連接機器人6軸，連接板連接固定氣抓與手指，氣抓由氣源為主動力，實現(xiàn)手指的開與合完成抓取動作。（2）搬運端拾器分別抓取舊管、連接管、尾管。

3.2.8 焊槍系統(tǒng)

（1）焊槍。采用德國TBi82W水冷夾絲機器人專用焊槍，RM 82W高剛性槍頸，超強水冷效果，水路直達(dá)噴嘴座，噴嘴進(jìn)一步優(yōu)化，采用夾緊設(shè)計強制散熱，特殊黃銅槍頸，不粘連飛濺的同時保證高剛性，無須使用校槍器。（2）機器人防撞裝置。采用德國TBi KS-2 MIG機器人焊槍防撞裝置，在發(fā)生碰撞的情況下，TBi的防撞傳感器可以有效地保護(hù)機器人和焊接系統(tǒng)。（3）自動清槍裝置。德國TBi BRG-2-ES-DAE新型清槍站配有封閉式噴油倉，防飛濺劑可以直接噴射至焊槍槍頭，機器人工作區(qū)不會受到污染，防飛濺劑用量也會減少。

3.2.9 尾管對中臺

尾管組對時，需要保證切割面和連接管有1mm間隙，搬運機器人從尾管料框抓件后，需要進(jìn)行二次定位。使用重力對中形式對尾管切割面進(jìn)行定位，重力對中臺支撐柱上有萬向滾珠，一側(cè)有限位，尾管可依靠重力自行滑到限位位置對中。

3.2.10 合金打錘頭上料框

打錘頭上料框由料倉、供料機構(gòu)及定位機構(gòu)組成。料倉寬度與工件長度一致，有一定坡度，管料可依靠重力自行向一側(cè)靠近；供料機構(gòu)可自動頂升，每次向定位機構(gòu)提供一個物料；定位機構(gòu)依靠氣缸推緊物料定位，有效保證機器人抓取位置的一致型。

3.3 總控區(qū)

3.3.1 安全圍欄及遮光板

工作站四周設(shè)置安全圍欄，用于安全防護(hù)，防止機器人運動時人員進(jìn)出自動化區(qū)域。生產(chǎn)線工作區(qū)采用圍欄分開，保證設(shè)備安全。

3.3.2 電氣控制系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)綜述。控制系統(tǒng)采用PLC控制，采用LAD語言編程并有詳盡準(zhǔn)確的符號說明；系統(tǒng)配備獨立觸摸屏和豐富的可視化界面，方便產(chǎn)品配方生成、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和手動操作、系統(tǒng)報警信息顯示和處理；PLC與現(xiàn)場智能站之間采用Profinet現(xiàn)場總線通訊方式，保證通信的實時性和安全性，與本地外圍設(shè)備之間采用無源接點IO形式通信。（2）控制系統(tǒng)功能。觸摸屏畫面包括自動操作畫面、手動選擇畫面、報警畫面、系統(tǒng)畫面和I/O狀態(tài)監(jiān)視畫面等豐富功能，詳盡顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)及參數(shù)。

3.3.3 除塵系統(tǒng)

機器人采用罩式除塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)由煙塵凈化器、集塵罩、照明系統(tǒng)、管道等組成，主要安裝在固定支架上，保證有效吸收機器人切割與焊接時產(chǎn)生的煙塵。

3.3.4 上位機控制系統(tǒng)

生產(chǎn)和管理人員可以利用上位機系統(tǒng)，監(jiān)控整條自動焊接系統(tǒng)的工作情況，獲取機器人參數(shù)和焊接參數(shù)等多種信息。完成焊接數(shù)據(jù)信息化管理、機器人焊接設(shè)備管理、焊縫質(zhì)量評估等方面，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)存儲、質(zhì)量追蹤等功能。

4 結(jié)語

打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)的使用能夠有效簡化流程，節(jié)約人力物力，對于提升焊接效率和質(zhì)量有重要的現(xiàn)實意義，且精準(zhǔn)度高，企業(yè)將其應(yīng)用于作用中能夠提升企業(yè)競爭力，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。