熱水器內膽機器人焊接方案設計

王立鋼， 何 鑫

（廣東職業技術學院智能制造學院， 廣東 佛山 528500）

0 引言

熱水器內膽的組成部分主要為筒身、 左右封蓋三部分，其焊接包括筒體縱縫的焊接、左右封蓋的焊接，傳統人工焊接工藝流程為首先點焊縱縫并將兩封蓋初步點焊固定在筒身上，再分別對縱縫和環縫進行焊接。人工焊接速度慢、質量不穩定，生產效率受工人的操作熟練程度影響大。

針對人工焊接的諸多弊端， 目前很多企業采用自動化焊接設備替代人工焊接。 自動化焊接設備一般分為焊接專機和焊接機器人兩大類，焊接專機安全性高、穩定性好[1]；但是設備結構往往較為復雜，研發難度較高；并且柔性較差，對于小批量多規格的產品生產適應性較差。因此本文采用焊接機器人，方案設計簡單且生產柔性高。

1 機器人焊接整體方案設計

熱水器內膽的筒身以及左右封蓋見圖1， 內膽板材為低碳鋼，所用板材的厚度為1～3mm，內膽板材的長度為200～600mm，筒身直徑為330～390mm，要求焊接一次性完成，焊縫成形平滑，均勻，無缺陷。 在焊接工藝選擇上，為保證焊縫焊接效果，應減少焊接熱輸入，提高焊接速度，可以有效減少熱輸入量[2]。 因此本文采用高速熔化極氣體保護焊接，可將焊接速度提高到1.5～3m/min，在大大提高生產效率的同時減小焊接變形，達到高質高效的焊接要求[3]。

圖1 熱水器內膽筒身、左右封蓋

機器人焊接整體硬件方案主要包含熱水器內膽的裝夾機構、電控系統和機器人焊接系統三部分。 通過以可編程控制器為核心的電控系統控制熱水器內膽的裝夾機構對內膽各部分進行裝夾，形成穩定的焊縫，繼而由機器人焊接系統進行自動化的焊接。

2 熱水器內膽裝夾機構設計

熱水器內膽屬于壓力容器，對焊接工藝要求很高，工裝夾具必須能夠使工件形成穩定均勻的焊縫， 這樣焊接機器人才能夠穩定焊接，從而保證產品的合格率。內膽筒身以及左右兩端的封蓋為焊接的工件，整體焊接夾具布局以焊接工件為中心，裝夾機構布置于其四周。前后夾具閉合時，能夠夾緊筒身以形成縱縫，兩側夾具閉合時，可以推動封蓋與筒身對接，形成環縫，縱縫及環縫形成后，機器人對其進行焊接即可。 裝夾機構的整體機構設計見圖2。

圖2 內膽裝夾機構整體設計

筒身部分，因為需要使筒身形成縱縫，這部分夾具主要解決的就是筒身的對縫問題，根據筒身直徑設計了一個夾抱機構，以步進電缸作為動力， 導軌作為導向，電缸同步相向運動夾抱筒身，同時利用筒身上的進水口、出水口，在夾抱機構上設置定位銷做定位，定位銷剛好插入筒身上的進出水口， 使焊縫能夠始終保持于同一位置，焊縫形成后，機器人對焊縫進行焊接。 筒身縱縫的夾抱機構見圖3。

圖3 筒身縱縫的夾抱機構

左右封蓋環縫對接方式與筒身方案類似，根據封蓋尺寸，設計了封蓋的固定裝置，安裝于筒身兩側，同樣是利用步進電機作為動力，以導軌做導向，推動夾具相向同步運動與筒身對接形成環形焊縫。封蓋環縫的對接機構見圖4。

圖4 封蓋環縫的對接機構

由于焊縫為環形， 機器人手部能夠到達位置有限，焊接環縫的下方時，機器人無法到達。 為了方便焊接，此部分還設計了用于內膽變位的機構，利用右封蓋上安裝電熱管處的法蘭位， 變位機構的末端設計相應的卡扣卡住法蘭位，便可以帶動右封蓋旋轉。當左右封蓋對接好形成環縫后，機器人首先對環縫進行點焊使端蓋與筒身固定，點焊完成后，筒身與左右封蓋便焊接為一整體，之后變位機構便可以帶動整個熱水器內膽旋轉， 機器人繼而實現對環縫的焊接。 變位機構見圖5。

圖5 變位機構

3 機器人焊接系統設計

由于焊接對象熱水器內膽為金屬薄板， 因此在焊接的過程中容易發生熱變形造成焊縫偏移。 同時由于裝夾精度的問題，也容易造成焊縫位置一致性不好的問題。因此本文針對此種問題使用激光焊縫跟蹤系統，其具有高精度、抗干擾性強、識別率高、自適應性強等特點，能夠自動識別焊縫類型及焊縫特征，本身是一個非接觸式的實時焊縫跟蹤系統， 能實現焊縫曲線的實時跟蹤并糾正工件在焊接過程中由于熱變形造成的焊縫偏移。 整個機器人焊接系統硬件構成包含焊縫跟蹤系統、工業機器人、焊接設備等部分構成。 機器人焊接系統的硬件組成框圖見圖6。

圖6 機器人焊接系統硬件組成

焊縫跟蹤系統包括激光焊縫跟蹤器控制器、 激光探頭、上位機軟件以及相關的激光光纜、數據線等構成。 激光探頭安裝于焊槍上， 控制器通過串口控制探頭中的激光發射器發射一道線激光，線激光打在不同的焊縫上，會形成各種各樣的反射條紋，通過探頭中的相機拍照采集，將數據通過以太網總線傳送至控制器， 控制器對反射條紋的圖像數據進行計算， 得到視野范圍內的焊縫特征點的位置數據信息。 控制器通過以太網總線與工業機器人相連，將焊縫的位置數據發送至機器人，機器人使用預先編輯好的焊接程序， 將程序中的焊縫位置目標點數據替換為焊縫跟蹤系統控制器發送的位置數據， 便可對焊縫位置進行實時的跟蹤調整。

焊接設備包括焊機、送絲機、焊槍等基本的機器人焊接設備。 本文中工業機器人采用ABB 品牌，有專門的弧焊功能包，可以通過機器人直接控制焊機，達到機器人自動焊接的功能。 機器人通過官方的DSQC651IO 板卡與焊機相連，通過IO 板卡中的數字量輸出控制焊機的起弧、送保護氣及送焊絲， 通過IO 板卡中的數字量輸入信號獲取焊機是否起弧成功，成功后才可開始焊接。通過IO 板卡中的模擬量輸出控制焊機的電壓與電流。 機器人焊接系統整個控制流程為， 焊縫跟蹤系統將焊縫實時位置數據發送給機器人，機器人通過IO 板卡控制焊機進行自動焊接。

4 整套設備電控系統設計

整套設備的電控系統以可編程控制器（PLC）作為核心控制，PLC 控制內膽裝夾機構的運行，由于裝夾機構使用了4 個步進電機， 因此PLC 選型時需注意選擇支持4組或者更多高速脈沖輸出的， 以滿足多個步進電機的驅動需求。通過PLC 控制裝夾機構將熱水器內膽裝夾，形成穩定的焊縫后， 通過以太網通信將物料裝夾到位的信號反饋給機器人焊接系統， 機器人焊接系統便開始進行自動焊接。 電控系統整體組成框圖見圖7。

圖7 電控系統整體硬件組成

整套設備的控制流程見圖8， 程序開始首先進行夾具和機器人的初始化，夾具恢復至打開狀態，機器人回到安全位置等待，等待物料上料，內膽各零件上料到位后按下啟動按鈕，PLC 控制步進電機帶動筒身的夾抱機構先閉合，閉合到位后PLC 通知機器人進行縱縫的焊接，機器人焊接完成反饋縱縫焊接完成信號給PLC，PLC 繼續控制封蓋的對接機構進行封蓋對接形成環縫， 對接到位通知機器人先將封蓋進行點焊與筒身形成整體， 繼而PLC通過控制變位機構，與機器人聯動，將環縫焊接完成。完成后打開夾具下料，一個熱水器內膽的自動焊接過程結束。

圖8 電控系統控制流程圖

5 結論

本文設計了一種熱水器內膽機器人自動焊接的方案，通過內膽裝夾機構對內膽各零件進行裝夾，形成均勻穩定的焊縫，繼而通過機器人焊接系統對其進行自動化焊接。機器人焊接系統增加了激光焊縫跟蹤設備，以此來補償物料與裝夾機構定位精度導致的焊縫一致性不好的問題，有效提高了焊接的精度。 對于不同尺寸的內膽，只需要更換裝夾機構上的筒身與封蓋的固定板以及改寫PLC、機器人焊接程序便可很快速的適應新尺寸內膽，整套方案生產柔性強，適用于小批量多品種內膽的焊接。