李洪松 李波
目前國內(nèi)部分自卸車生產(chǎn)廠家已經(jīng)配備機(jī)器人焊接,但在使用機(jī)器人時絕大多數(shù)通過在線編程,焊接效率與人工相差無幾。然而部分離線編程對工件組對精度、工件焊道位置定位精度都有很高的工藝要求,在一定程度上束縛了焊接生產(chǎn)效率。
基于此,與焊接自動化設(shè)備廠家在KUKA機(jī)器人焊接系統(tǒng)上共同開發(fā)加裝激光視覺掃描系統(tǒng),通過試驗(yàn)改進(jìn)機(jī)器人離線編程各種工藝參數(shù),來提升焊接質(zhì)量,提高焊接速度,對整個自卸車行業(yè)的焊接工藝是一場技術(shù)與效率的變革。
KUKA—KR1型機(jī)器人采用C 型支撐倒掛方式,通過離線編程軟件包控制機(jī)器人來對工件進(jìn)行柔性自動化焊接。
(1)導(dǎo)軌總成 采用導(dǎo)軌式滑道的焊接機(jī)器人工作站,焊接機(jī)器人滑動相對穩(wěn)定,導(dǎo)軌長度按工件長度配置,本文涉及到的后板焊接機(jī)器人的導(dǎo)軌長度4m,能滿足兩個后板工作平臺布置;六軸機(jī)器人和直線導(dǎo)軌配合使用,增加了該機(jī)器人工作系統(tǒng)的工作范圍和柔性,能夠滿足不同工件規(guī)格的焊接要求,如圖1所示。
(2)機(jī)械手臂 機(jī)器人手臂為KUKA—KR型機(jī)器人(見圖2),采用鋁合金鑄造結(jié)構(gòu),所有軸都采用免維護(hù)交流伺服電動機(jī)驅(qū)動,使用無間隙的傳動組件和絕對編碼器。優(yōu)化的驅(qū)動能力,高精度位置監(jiān)測系統(tǒng),大功率伺服系統(tǒng),保證了機(jī)器人具有高度的動態(tài)特性和良好的精度。第二軸采用前置設(shè)計,在同樣保證機(jī)器人靈活性的同時,最大地增加了機(jī)器人的有效工作范圍。械手臂軸運(yùn)動參數(shù)如表1所示。
圖1
圖2
表1 庫卡KR16機(jī)械手臂軸運(yùn)動參數(shù)
激光掃描系統(tǒng)是此款焊接機(jī)器人工作站的核心部件,四束激光眼通過掃描角焊縫的兩平面的公共交線反饋給到機(jī)器人,機(jī)器人系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)收集后,將路徑記憶儲存到控制中心,由控制中心通過離線編程軟件控制包來控制機(jī)器人焊接(見圖3)。
激光眼直線最快掃描速度為7.2m/min,掃描精度為±0.5mm,對工件分區(qū)域掃描后平均速度為2~3m/min。激光掃描系統(tǒng)支持系統(tǒng)的暫停,中間斷電恢復(fù)起弧功能。
支持三維建模,直接按照焊接工藝要求布置焊道,包括焊道長度、焊道間距;通過輸入界面參數(shù),來控制機(jī)器人焊系統(tǒng)的焊接電流、電弧電壓、焊槍起收弧時間、焊接手臂姿態(tài)等各種參數(shù),讓人機(jī)對話更簡單實(shí)用。
配置德國EWM多功能逆變電源,實(shí)現(xiàn)大功率脈沖焊接,保障了焊接電弧的亞射流狀態(tài),焊接飛濺較少(見圖4)。
該電源特別配置了線控器RC1,可以同機(jī)器人控制盒放置在一起,或者懸掛在龍門架立柱上,焊接過程中的參數(shù)一目了然,同時方便操作人員操作。
自卸車后板由后板上下框、左右框、橫梁、豎梁及外框加強(qiáng)筋組成。自卸車后板規(guī)格板厚不一,常規(guī)車型寬度為2 300mm,高度根據(jù)車型配置尺寸不一,尺寸在1000~2100mm之間。
為了驗(yàn)證上述激光眼機(jī)器人工作站的使用價值和效果,以通用1.1m箱高后板作為試焊工件。后板規(guī)格如表2所示。
KUKA機(jī)器人焊接系統(tǒng)要求工件組對間隙≤2mm,現(xiàn)公司剪板、折彎設(shè)備在數(shù)控?fù)醢寰缺WC的前提下,下料公差控制在1.5mm以內(nèi),后板組對過程中,將組對誤差向外框積累,保證方格內(nèi)側(cè)的組對間隙。
為了避免后板鉚接點(diǎn)與焊接起收弧點(diǎn)重合,組對鉚接焊點(diǎn)嚴(yán)禁焊在三線重合處,方格內(nèi)焊點(diǎn)間距≥300mm、外框及加強(qiáng)貼板焊點(diǎn)間距≥500mm,鉚焊點(diǎn)高度≤4~5mm。
激光眼對后板每個方格內(nèi)側(cè)進(jìn)行單個掃描,先橫向后縱向?qū)缚p進(jìn)行逐一掃描,機(jī)器人掃描速度約2m/min,整個后板方格內(nèi)側(cè)掃描時間約3mi n, 后板左右框需要二次獨(dú)立掃描,掃描時間約2mi n,整個工件掃描時間約5min。由于后板上框?yàn)檎圻吔Y(jié)構(gòu),焊道位置不利于機(jī)器人手臂姿態(tài)調(diào)節(jié),所以采用人工焊接,對此部位不進(jìn)行掃描。
圖3
圖4
表2 后板規(guī)格
圖5
按照后板焊道工藝布置進(jìn)行三維建模,試件焊道布置如圖5所示。外框與內(nèi)梁、橫梁與豎梁接觸部位的槽型焊道滿焊,方格內(nèi)側(cè)焊道為段焊,焊道長度80mm,兩條均布,左右框與主板焊接3段,每段200mm均布;下框與主板焊接5段,每段200mm均布;加強(qiáng)板焊道滿焊,整個后板焊道長度約18m左右。
焊接順序?yàn)閮蛇厡ΨQ焊接,先焊左側(cè)焊道,焊完之后行走到對角邊方格內(nèi)側(cè)焊接。
(1)第一次試驗(yàn)過程 主板為10mm后板,人工焊接平均焊接速度為300~400mm/min,為了提高焊接速度,將焊接機(jī)器人的焊接速度按1 000mm/min;焊接參數(shù)如表3所示。
由于焊接速度過快,焊腳高度未能達(dá)到6mm,同時部分橫梁焊道由于焊接電流、電弧電壓過高被焊穿。
(2)第二次試驗(yàn)過程 在第一次試焊的基礎(chǔ)上,將橫梁的焊接電流調(diào)節(jié)到300A,電弧電壓調(diào)節(jié)到31V左右,按照同樣的焊接順序及參數(shù)焊接(見表4)。
試驗(yàn)結(jié)果顯示梁立焊、平焊位置有被焊穿現(xiàn)象,角焊縫成形較好,因此應(yīng)適當(dāng)降低立焊、橫梁角焊的焊接熱輸入來控制焊接質(zhì)量。
(3)第三次試驗(yàn)過程 適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)梁的立焊、平焊的熱輸入,將主板的角焊、梁的立焊、平焊分別制定焊接參數(shù),將焊接速度調(diào)制700mm/min左右,具體參數(shù)如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明橫梁平焊、角焊成形均較美觀
機(jī)器人焊接節(jié)拍包括激光尋位時間+焊接時間,不計組對時間,機(jī)器人焊接過程中,操作工人可對另一個工位的后板進(jìn)行補(bǔ)焊、吊裝工作。單臺機(jī)器人焊接 時間如表6所示。
現(xiàn)階段的后板班組有11人、生產(chǎn)節(jié)拍為25mi n/臺,其中組對3人、焊接人數(shù)為6人,清渣工2人;平均到單個人工焊接時間如表7所示。
通過以上各種數(shù)據(jù)分析,對后板配置兩臺焊接機(jī)器人,每臺焊接機(jī)器人配置雙工位,鉚接工人后板組對與焊接采用流水線生產(chǎn)方式,組對與焊接同時進(jìn)行,組對配置3人、操作機(jī)器人配置兩名焊工,焊工在機(jī)器人焊接過程中,可對另一工位的后板進(jìn)行補(bǔ)焊操作。具體優(yōu)化人員如表8所示。
兩臺焊接機(jī)器人優(yōu)化工人6名,公司在一定程度上降低了勞動成本,特別在生產(chǎn)的淡旺季,機(jī)器人焊接優(yōu)勢更加明顯。
表3 焊接參數(shù)
表4 焊接參數(shù)
表5 焊接參數(shù)
表6 單臺機(jī)器人焊接時間(min)
表7 單個人工焊接時間 (min)
表8
自卸車箱體后板通過開發(fā)引進(jìn)倒掛式KUKA—KR16型號焊接機(jī)器人,外帶激光掃描系統(tǒng)的焊接機(jī)器人工作站,從長遠(yuǎn)角度考慮降低了生產(chǎn)產(chǎn)本,提升了生產(chǎn)效率。 并且通過多次試驗(yàn),對10mm主板后板工件的焊接,采用合適的焊接參數(shù),即可保證獲得良好的焊道質(zhì)量。