0 前 言

激振室是壓路機鋼輪震動系統(tǒng)的關鍵部件，其焊縫質量水平直接決定了壓路機的整機性能

，且激振室焊接質量的穩(wěn)定性及焊接成本是決定壓路機生產企業(yè)產品綜合競爭力的關鍵因素。 激振室是一種受高強度動載沖擊的大型焊接密封件，該工件對焊接強度及焊接封閉性均有較高要求，所以該工件在焊接完成后需要進行打壓試驗。 在現有生產方式下， 焊接、 打壓需在兩個不同工位人工完成， 工件吊裝、 焊接、 轉運、 打壓均由車間工人操作專用設備逐一完成， 勞動強度大、 勞動密集度高、 生產效率低、 產品質量不穩(wěn)定。 在制造業(yè)轉型升級的大背景下， 勞動密集型的生產方式很難繼續(xù)維持

， 解放勞動力， 實現激振室焊接打壓向自動化、 連續(xù)化、 高質化發(fā)展是壓路機制造企業(yè)提高產品質量、 降低生產成本的優(yōu)選出路， 也是實現企業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展的必由之路。 基于此， 本研究針對激振室焊接生產過程中存在的問題， 開展激振室焊接、 打壓機器人工作站的設計研發(fā)及自主集成工作。

1 激振室焊接打壓工藝優(yōu)化

機器人焊接工作站研制的基礎是生產工藝，工藝技術的先進性與研發(fā)設備的先進性密切關聯(lián)， 基于落后生產工藝研制的設備無法保證其生產效率、 生產成本及生產質量的優(yōu)越性

， 所以設備研發(fā)需工藝先行， 摒棄落后工藝， 優(yōu)先實現工藝升級至關重要。

1.1 現有焊接打壓工藝

激振室結構如圖1 所示， 主要由腹板、 內筒、 筋板組焊而成， 根據引導輪型號的不同， 腹板內孔、 外圓直徑及上下腹板的距離大小不一。激振室的常規(guī)焊接、 打壓生產工序為：

首先，提供以主體性自由為根基的制度安排，如通過提高二級單位的自主權為師生發(fā)揮主觀能動性預留足夠的制度空間。其次，創(chuàng)客空間等的空間結構布局等方面也要體現創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的文化特征，使高校和社區(qū)的豐富文化資源厚植于具體物理形態(tài)中。最后，鼓勵嘗試，允許失敗，充分激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)所需的冒險精神，建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)容錯機制，給予學生精神鼓勵和人文關懷，做好創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)軟文化建設。

（1） 焊接。 將組對好的激振室按照圖紙焊縫尺寸進行焊接。 現有焊接方式下， 工件變位與焊接無法同步協(xié)調進行， 焊接翻轉及上下料均需人工參與， 焊接生產過程對人員的依賴程度較高，對焊接工藝設置約束較大。

激振室焊接變位機的結構形式如圖4 所示，變位機底座為支撐固定部件， 該部件上側連接支撐立柱， 下側可固定到地面， 同時具有地面調平功能。 支撐立柱除具有支撐功能外， 還是變位機水平軸向翻轉的驅動機構， 該機構的主要驅動部件為機器人外部軸 （2.1 特殊伺服電機）、 RV 減速機（2.2）、 減速機輸出齒輪（2.3） 和外齒型回轉支撐 （2.4）， 其中RV 減速機又稱擺線行星減速器， 該減速機具有體積小、 傳動比大、 傳動精度高等優(yōu)點， 是工業(yè)機器人本體及外部軸不可或缺的核心部件

。 旋轉梁的一側通過外齒型回轉支撐與支撐立柱連接， 是變位機翻轉軸的驅動對象， 另一側為旋轉從動支座與旋轉驅動支座的安裝面， 該機構主要由旋轉梁結構件 （3.1）、 線束法蘭 （3.2） 構成。 旋轉從動支座是自動夾緊及激振室封閉的功能機構， 該機構由驅動電機（4.1）、 蝸輪蝸桿升降機 （4.2）、 導向機構（4.3）、浮動接頭（4.4）、 無齒型回轉支撐（4.5）、 激振室定位密封工裝 （4.6） 構成， 其中渦輪蝸桿升降機為夾緊功能的執(zhí)行機構， 該機構具有自鎖功能， 在工件夾裝過程中發(fā)生線纜斷電、 電機損壞等意外情況時， 可確保工件夾緊的可靠性。旋轉驅動支座是工件旋轉、 焊接導電、 打壓保壓的功能執(zhí)行機構， 該機構的旋轉驅動部分與支撐立柱的旋轉驅動原理一樣， 由機器人外部軸 （5.1）、 RV 減速機 （5.2）、 減速機輸出齒輪（5.3）、 外齒型回轉支承 （5.4） 構成， 該機構的導電功能由浮動導電銅盤裝置 （5.5） 實現。 與常規(guī)的碳刷導電不同， 浮動導電銅盤裝置的核心部件銅盤的一側與旋轉法蘭中心重合， 另一側安裝在浮動彈簧上， 外圍與回轉支承內圓間隙配合， 如此可確保銅盤與旋轉驅動支座法蘭盤緊密接觸， 該裝置的導電穩(wěn)定性好、 中心對稱， 可有效避免焊接過程中磁偏吹等問題。 驅動側定位封閉工裝 （5.6） 與從動側定位密封工裝的不同之處是該公裝設有進出氣孔， 進出氣孔連接供氣保壓及壓力檢測裝置， 焊接完成后可自動充氣、 自動保壓和測壓， 進而判定焊縫氣密性是否合格。

（2） 打壓。 將焊接好的激振室做打壓測試前，需在焊縫處刷氣密性檢測液用于檢測焊縫是否漏氣， 如果焊縫有氣孔， 則需要人工補焊， 該工序無專用的變位設備， 需工人環(huán)繞工件檢查是否漏氣。 在激振室焊接生產過程中， 焊接、 打壓工作量大、 勞動強度高， 是制約激振室生產效率提升及生產成本降低的瓶頸環(huán)節(jié)。

礦體受構造控制作用明顯。區(qū)域性的大型構造控制著巖體的分布，次級構造控制著礦體的分布。本區(qū)位于朱陽關—夏館—大河區(qū)域性斷裂的南側，該構造給巖漿和成礦物質提供了上升通道；郭莊組及劉山巖組地層內的次級構造為鉬礦體提供的成礦空間，發(fā)育有脈狀的鉬多金屬礦床。

1.2 工藝優(yōu)化

針對現有工藝的不足， 基于激振室焊接、打壓生產自動化、 連續(xù)化、 智能化的設計理念，對現有工藝進行優(yōu)化升級

， 主要解決以下問題： ①減少激振室轉運、 上下料頻次， 降低工人勞動強度； ②避免人工手動夾裝工件， 減少焊接輔助時間， 提升焊接效率， 實現工件自動夾裝同時提升夾裝的安全可靠性； ③實現激振室全部焊縫實時船位焊接（實現激振室變位與焊接的協(xié)調聯(lián)動）， 提高焊接質量， 盡量減少焊接過程中的人為不可控因素； ④減少打壓工序的人工參與度， 減少氣密性檢測液使用頻次， 由原來100%使用降到非必要不使用； ⑤提升焊接質量， 保證交付及時率。

針對上述問題， 制定以下工藝優(yōu)化方案：①人工將組對好的激振室吊裝到A 變位機， 按下夾裝按鈕， A 變位機自動夾裝激振室； ②人工按下啟動按鈕， 機器人倒掛旋轉臂， 從0 號位 （原點位置） 自動旋轉到A 號位， 然后跟A變位機協(xié)作， 對激振室實施尋位、 焊接工作；③人工將組對好的激振室吊裝到B 變位機， 按下夾裝按鈕， B 變位機自動夾裝激振室； ④A 變位機激振室焊接完成后機器人倒掛旋轉臂自動旋轉到0 號位， 機器人執(zhí)行清槍程序； ⑤機器人倒掛旋轉臂自動旋轉到B 號位， 跟B 變位機協(xié)作， 對激振室實施尋位、 焊接工作； ⑥B 號工位焊接的同時， A 號工位執(zhí)行打壓程序， 打壓完成保壓一段時間， 系統(tǒng)自動判斷是否有壓降， 如果沒有壓降表明工件合格， 如果有壓降說明工件不合格， 需要人工向焊縫刷一種專用液體用于判斷焊縫在何處漏氣， 然后進行人工補焊， 補焊完成， 重新執(zhí)行步驟⑥， 直到工件合格為止； ⑦合格工件從A 變位機卸下， 將工件轉入下一工序； ⑧執(zhí)行步驟①； ⑨機器人焊接完成B 變位機工件后執(zhí)行步驟④； ⑩從步驟②開始循環(huán)。 具體工作流程如圖2 所示。

2 方案設計

2.1 機器人工作站設備布局

根據優(yōu)化后的工藝要求， 對設備結構形式、設備布局做方案設計， 該方案設計是一個動態(tài)過程， 是一個不斷分析、 判斷、 決策、 完善及發(fā)現問題和解決問題的過程。 方案設計的主要目的是將設計構想清晰表達出來， 以便對設備方案的可行性及效益進行分析評估， 通過反復交流論證， 不斷修改完善方案， 最終得出圖3所示方案。 從經濟性角度考慮， 該方案需要人工吊裝工件上、 下料 （上、 下變位機）， 焊接、打壓基本實現全自動化。 基于統(tǒng)籌規(guī)劃， 分步實施項目推進思路， 為方案預留工件自動化上下料的機械及電控接口。

本研究中焊接機器人、 行走裝置及變位機需要實現協(xié)調運動， 方可滿足焊接過程中變位機與機器人相對位置姿態(tài)實時調整的工藝要求。 機器人為六軸設備， 機器人行走軸為單軸設備， 兩個焊接變位機均為兩軸設備， 所以本系統(tǒng)首先需要實現11 軸集成通信， 然后再做協(xié)調聯(lián)動。 對本系統(tǒng)的11 軸進行組分， 如圖9 所示， R-30iB 軸控制卡通過FSSB1 通道與各軸伺服放大器通信，同時考慮應用過程中操作、 控制的便捷性， 降低控制器的運算量， 將11 軸分成3 組， 即機器人六軸與機器人行走軸為1 組， 兩個變位機分別為1組， 這樣每個組對應的軸可實現內部協(xié)調動作，由于焊接過程中Group1 與Group2， Group1 與Group3 會有組合聯(lián)動的需求， 如在A 變位機焊接工件時， Group1 與Group2 需要協(xié)調聯(lián)動， 此時Group3 為獨立系統(tǒng)， 無需聯(lián)動， 根據這種需求，對Group1 與Group2， Group1 與Group3 做兩組協(xié)調調試。 調試完成后， 本系統(tǒng)共有三組軸， 每組軸可單獨聯(lián)動， Group1 可分別與Group2、 Group3組合協(xié)調聯(lián)動。 使用協(xié)調動作， 可以使兩個運動組的運動速度相對恒定， 可大幅提高持續(xù)型回轉焊縫的示教編程效率和工藝的適應性。

2.2 焊接變位機細化設計

（1） 采用優(yōu)化后的工藝， 一次工件上下料、一次工件周轉、 氣密性檢測液使用量減少90%以上， 焊接缺陷率降低明顯， 生產效率提升顯著，工人工作條件及工作強度得到根本性改善。

現在制約小型專項農具市場化的一個重要原因就是價格。對于農民購買者，他們收入較低，購買謹慎，農具的購買行為受價格影響很大。準確定位用戶能夠接受的合理成本是產品可以真正被應用的保證。針對使用人群，設計必須滿足其對成本的要求。

2.3 機器人行走裝置細化設計

為了擴大機器人作業(yè)半徑， 提升設備利用率， 滿足機器人雙工位焊接需求， 本研究設計了機器人倒掛旋轉臂， 如圖5 所示。 該設備是機器人系統(tǒng)的重要組成部分， 該設備的重復定位精度需要與機器人本體的重復定位精度匹配， 否則將會嚴重拉低機器人末端重復定位精度。 該設備與焊接變位機匹配滿足表1 中的8 種工件所有焊縫船位焊焊接需求。

2.4 標準設備選型

根據工藝要求和生產環(huán)境要求， 標準零部件選型首先需滿足功能需求， 然后再從可靠性、 實用性、 可拓展性、 經濟性、 可維護性等方面綜合考慮標準件的品牌、 型號， 綜合分析對比本研究中選擇的主要標準件的型號參數 （見表2）， 通過建立所有標準件的三維模型， 關聯(lián)部件裝配形成整體三維方案， 將方案中的相對尺寸調整優(yōu)化， 進一步細化方案， 最終方案確定后， 進行焊接姿態(tài)仿真驗證。

由于避讓站需設置越行線以供慢車停站待避快車，13號線5個避讓站均為地下車站，因此避讓站的配線設置應考慮采用工程量較省的單島車站方案，依據越行線布置形式(正線靠近/不靠近站臺)以及是否增加聯(lián)通上下行的渡線，本文共提出4種方案(見圖6)。為保證快車的通過速度，推薦采用正線不靠近站臺的方案一，同時考慮渡線的設置。

3 方案模擬仿真

方案模擬仿真是基于設計模型對整體三維布局進行模擬驗證的環(huán)節(jié)， 通過模擬仿真實時調整方案設備三維布局尺寸， 可最大限度提高機器人焊接可達率， 規(guī)避項目實施風險， 提高項目實施質量， 提前制定焊接工藝方案， 預判生產節(jié)拍，該環(huán)節(jié)對提升項目實施效率及質量有重要指導意義

。 本節(jié)將以3132-52-01000P020 工件為例，進行機器人焊接姿態(tài)仿真及焊接工藝節(jié)拍估算。

3.1 機器人焊接姿態(tài)仿真

機器人焊接姿態(tài)是指在給定焊縫形式及坐標的情況下， 執(zhí)行焊接動作時機器人各軸及焊槍的空間位置姿態(tài)

。 一般要求焊接姿態(tài)要有較好的動作冗余空間， 避開機器人奇異點， 焊接機器人與工件有足夠大的安全距離。 具體工藝要求見表3， 焊接方式為船位推焊， 焊接尺寸如圖6 所示。

基于上述工藝要求， 對本設計的工作站三維模型進行焊接姿態(tài)仿真， 根據焊接變位機、 機器人行走裝置及焊接工件的結構特征進行分析， 機器人只要五種動作姿態(tài)就可實現所有焊縫的焊接， 通過仿真對不合理的布局尺寸進行優(yōu)化， 最終達到圖7 所示的仿真結果， 該結果在保證動作冗余空間的前提下， 可合理避開機器人奇異點，實現工件所有焊縫安全穩(wěn)定焊接。

3.2 焊接生產節(jié)拍估算

在當今的自動化環(huán)境中， PLC、 工業(yè)機器人及各種功能執(zhí)行機構需要緊密集成。 根據設計功能要求， 需要把各種不同的組件集成到系統(tǒng)中，每種組件通過他們的專用語言才能呈現各自的特長。 生產應用中需要將工業(yè)機器人、 可編程控制器和功能執(zhí)行機構采用PLC 語言進行控制編程

。 一般PLC 語言更容易讓設備使用者及維護人員學習接受， 為了降低系統(tǒng)的復雜性， 綜合協(xié)調上述組件的通信功能及控制方式， 選擇一套標準化的通信、 編程、 操作模式是系統(tǒng)集成的前提條件。 西門子1200 系列PLC 編程界面友好， 系統(tǒng)語言易學易用， 通信方式主流，且具有較好的可拓展性可為后續(xù)系統(tǒng)升級提供有力支撐。 本研究中， R-30iB 系統(tǒng)與PLC 通過Profinet 通信， PLC 可控制機器人系統(tǒng)的外部啟停， 實現兩個焊接變位機的分別控制， 同時可接收機器人的報警反饋， 觸發(fā)系統(tǒng)安全模塊， 確保系統(tǒng)運行的安全性。 同時PLC 為測壓系統(tǒng)、 變位機夾緊系統(tǒng)的控制器， 通過觸摸屏可對上述系統(tǒng)進行精準控制。

通過估算， 焊接所用時間為124 min， 理論焊縫填充量（根據焊縫橫截面積計算） 為8 347 g，金屬熔融量（根據送絲速度、 焊接時間計算） 為9 045 g， 焊接熔敷率為92.3%。 模擬結果基本符合預期， 下一步可繼續(xù)推進項目實施。

4 系統(tǒng)集成調試

采用西門子S7-1200 控制系統(tǒng)為主控系統(tǒng)、FANUC R-30iB 機器人控制系統(tǒng)為從控系統(tǒng)，PLC 配合機器人焊接系統(tǒng)不僅可以提高系統(tǒng)的自動化程度， 還為后續(xù)系統(tǒng)數字化升級預留通信接口

。 本工作站的控制框架如圖8 所示。

機器人焊機集成是實現送氣、 起弧、 電流、電壓、 收弧、 尋位、 電弧跟蹤等焊接功能精確控制的基礎， 本研究涉及的機器人為發(fā)那科M-10iD/8L 機器人， 焊機為林肯PowerWave E500，機器人與焊機通信采用EtherCAT 通信， 該通信方式實時性好、 抗干擾性強， 可大幅提升焊接電弧跟蹤的穩(wěn)定性。 機器人焊接集成首先需要建立通訊， 獲取焊機通信地址， 建立通信連接后配置機器人數字輸入輸出信號， 與焊機端的輸入輸出信號關聯(lián)， 然后將快捷命令關聯(lián)到機器人示教器顯示面板上， 配置完成后通過氣檢、 送絲、 報警等信號逐一檢測驗證配置結果， 沒有問題再進行試焊， 驗證電流、 電壓輸出的誤差幅度， 一般要求輸出誤差在±5%以內， 同時檢測尋位、 電弧跟蹤功能的可靠性， 這一系列流程走完后， 機器人焊接系統(tǒng)方可投入使用。

4.1 PLC 系統(tǒng)與機器人的集成

焊接生產節(jié)拍估算是基于焊接機器人姿態(tài)仿真， 預測機器人完成工件焊接全過程動作軌跡，然后根據焊接機器人、 機器人移動裝置、 焊接變位機的運動參數及相關焊接工藝參數 （表4） 計算焊接生產節(jié)拍， 根據關鍵零部件性能參數計算得出焊接生產節(jié)拍估算表（見表5）。

4.2 機器人外部軸集成

如圖3 所示， 機器人倒掛旋轉臂為機器人的行走裝置， A 變位機、 B 變位機為兩個結構、尺寸完全一致的變位機， 上述兩種設備為非標定制設備， 需要自主設計開發(fā)。 這兩種設備是機器人工作站的核心設備， 設備結構的可靠性、重復定位精度的穩(wěn)定性、 保養(yǎng)維修的便捷性及對不同產品的適應性決定整個項目的成敗

。 其余設備需綜合考慮系統(tǒng)兼容性， 根據整體布局、結構、 功能、 參數、 細節(jié)布局等各項要素信息進行選型。

4.3 機器人焊機集成

不虛此行，金稻飄蕩，蟹肉肥香。如若當初不肯妥協(xié)，堅持計劃，怕是沒有此等際遇，豈不遺憾？行，無問東西，其實生活需要一份隨意！

5 設備應用驗證

經過工藝優(yōu)化、 方案設計、 方案細化、 方案仿真、 設備制作、 系統(tǒng)集成等一系列工作， 激振室焊接打壓機器人工作站投入應用。 圖10 為激振室焊接打壓工作站應用實景圖， 以3132-52-01000P020 工件進行驗證。

根據工藝需求， 在滿足設備結構可靠性、 重復定位精度穩(wěn)定性等重要技術性能要求的前提下， 本研究將焊接變位機設計為C 型自動夾緊雙軸變位機， 該變位機具有自動夾緊、 雙軸變位、 自動打壓保壓功能， 其主要設計依據為激振室的外形尺寸及質量， 具體參數見表1 （尺寸位置參見圖1 （a））。

（2） 變位機、 機器人行走裝置重復定位精度達到±0.1， 符合系統(tǒng)設計要求。

2016年8月，福建省立醫(yī)院整合相關部門職能，也增加了新的服務項目，正式成立醫(yī)院服務中心，面向患者提供非醫(yī)療服務。前述專責小組負責的工作，也都融入到醫(yī)院服務中心。

（3） 工件在變位機上的夾裝實現自動化， 夾緊機構穩(wěn)定可靠， 夾緊結構為C 型自動夾緊形式，為后續(xù)實現激振室自動上下料留出機械接口。

（4） 創(chuàng)新性的導電裝置設計， 大幅提升了激振室焊接過程中焊接回路電流、 電壓的穩(wěn)定性，有效避免了磁偏吹現象， 電弧特性平穩(wěn)， 電弧跟蹤性能穩(wěn)定。

我國標準制定的時間較長，特別是對于森林、草場、海域的測繪標準，需要對標準進行修訂，以滿足現在多樣化的測繪需求。建議由專業(yè)機構對測繪的基礎技術規(guī)程、不動產分類編號標準、測繪圖紙繪制標準重新修訂，建立完善的測繪體系及技術標準[1]。

（5） 機器人實際焊達率100%， 焊接耗時115 min， 焊絲用量約9.2 kg， 焊接熔敷率約為92%， 與仿真結果基本吻合。

（三）第三人干擾婚姻關系的行為使無過錯配偶的人格利益被侵害。臺灣民法學者王澤鑒認為“婚姻者，系男女雙方以終身共同生活為目的而組成特別結合關系，夫妻當事人一方對于婚姻關系之圓滿，寓有人格利益。因此，干擾他人婚姻關系者，不但侵害了被害人之身份或親屬權、而且也侵害了被害人之人格利益、實無疑問。”

6 結束語

自主設計研發(fā)的自動化焊接打壓機器人工作站， 在工藝優(yōu)化、 自動化方案設計、 關鍵設備自主研發(fā)、 系統(tǒng)開發(fā)集成等環(huán)節(jié)通過不斷論證和不斷優(yōu)化， 實現了激振室焊接打壓兩個主工序的自動化生產。 機器人工作站應用結果顯示， 大幅減少了生產輔助時間， 降低了工作人員的勞動強度， 提高了產品生產效率、 合格率、 交付及時率， 激振室的生產成本降低明顯。 同時激振室焊接打壓工序的自動化生產， 不僅大幅提高了下游工序產品的一致性， 對上游工序一致性提升也提出更高要求， 這為關聯(lián)工序自動化升級提供了基礎條件， 對壓路機激振室產品生產方式向智能化發(fā)展提供了有力支撐， 對企業(yè)的轉型升級實現高質量發(fā)展具有深遠意義。

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