王洋 陳少波 王強(qiáng) 曲杰 李敏

（浙江錢江機(jī)器人有限公司，浙江溫嶺，317500）

0 引言

智能制造是未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]?！?中國(guó)制造2025>重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》提出了完善的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系，使機(jī)器人在多方面實(shí)現(xiàn)規(guī)?；蓱?yīng)用。作為自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)備的工業(yè)機(jī)器人在智能制造中發(fā)揮著重要作用，近年來(lái)焊接機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用到終端工廠中，但是單純的焊接機(jī)器人并不能完全滿足市場(chǎng)應(yīng)用，機(jī)器人自動(dòng)化焊接工作站將成為發(fā)展趨勢(shì)。

摩托車車架是機(jī)車的主要部件之一，其對(duì)焊接技術(shù)要求很高，因焊接附件較多，各接頭不能有虛焊、漏焊、氣孔的存在。采用人工焊接對(duì)人員有一定的技術(shù)要求，且人工焊接效率低，品質(zhì)不夠穩(wěn)定，有人為因素影響。為提高生產(chǎn)效率，降低對(duì)人員能力的要求，確保焊縫的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，本文基于安川AR1440 弧焊機(jī)器人、凱爾達(dá)RD350S 焊機(jī)、三軸變位機(jī)等設(shè)計(jì)了一套車架自動(dòng)化焊接工作站。該工作站具有高生產(chǎn)效率、高自動(dòng)化程度和能全天連續(xù)性工作的優(yōu)點(diǎn)。

摩托車車架主要由沖壓件和成形管件焊接組成，摩托車在行駛過(guò)程中車架一方面要承受乘員和發(fā)動(dòng)機(jī)等總成的重量，另一方面還要承受地面、發(fā)動(dòng)機(jī)等傳回來(lái)的力和力矩[2]，所以車架對(duì)整體強(qiáng)度要求很高，對(duì)焊縫的質(zhì)量要求也高。車架各部件的焊接一般采用CO2焊或MAG焊接，由于焊接熱輸入對(duì)接頭和焊接變形影響較大，焊接后需要矯正才能實(shí)現(xiàn)裝車應(yīng)用，難以滿足高效、優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)需求[3]；而采用機(jī)器人焊接工作站，由于工作站采用高精度定位工裝及雙機(jī)協(xié)同焊接，焊接時(shí)可以大大減小焊接誤差及形變，既能大大提高生產(chǎn)效率，又能保證焊接質(zhì)量。摩托車車架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1 自動(dòng)化工作站主要構(gòu)成

1.1 焊接電源

焊接電源選用凱爾達(dá)RD350S 焊機(jī)，其特點(diǎn)包括：擁有超低飛濺、全數(shù)字高速逆變控制，可快速調(diào)整電弧電壓實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程在較寬的弧壓范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；內(nèi)置豐富的焊接專家數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)碳鋼、不銹鋼、鍍鋅板、鋁合金等多種材料的脈沖和短路焊接，特別適合于薄板領(lǐng)域；焊接電源通過(guò)與機(jī)器人控制系統(tǒng)數(shù)字通信連接，可以實(shí)時(shí)修改焊接的電流電壓、焊接特性。

1.2 焊接機(jī)器人

機(jī)器人選用日本安川AR1440 弧焊機(jī)器人，機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn)主要包括：機(jī)器人本體所有軸均采用精密減速機(jī)，具有很好的剛性，高精度重復(fù)定位（0.06mm），可24h 不間斷工作；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡平滑，手臂靈活，可以在狹小的空間內(nèi)行動(dòng)自如；控制系統(tǒng)通過(guò)雙CPU 構(gòu)成的“安全功能模塊”，可對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行監(jiān)視，提高安全性；開(kāi)放通信和數(shù)字I/O 接口，可在機(jī)器人控制器同上位機(jī)通信中使用，便于監(jiān)控、診斷和管理機(jī)器人生產(chǎn)線；示教器支持異地可視化，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，還能提供3D 圖形顯示功能，方便對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行確認(rèn)。

1.3 變位機(jī)

變位機(jī)選用三軸伺服變位機(jī)，采用安川伺服驅(qū)動(dòng)，其由底座、回轉(zhuǎn)平臺(tái)變位機(jī)、頭尾架變位機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、擋光板等組成。其中，回轉(zhuǎn)平臺(tái)變位機(jī)，電機(jī)功率3kW，平臺(tái)載重1.5t，可旋轉(zhuǎn)360°，能夠根據(jù)需求切換焊接工位，當(dāng)焊接機(jī)器人與其中一個(gè)工位配合焊接時(shí)，另外一面的工位就能進(jìn)行上下料操作；頭尾架變位機(jī)，電機(jī)功率1.5kW，載重500kg，可360°旋轉(zhuǎn)，可以確保車架在焊接時(shí)擁有一個(gè)合適的焊接角度。變位機(jī)作為機(jī)器人重要的輔助設(shè)備，能夠在焊接的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使焊接效果更加完美。

1.4 定位工裝

定位工裝主要作用于車架零部件安裝的重復(fù)定位，以及消除焊接時(shí)車架產(chǎn)生的熱變形，在夾緊工裝夾具時(shí)不破壞焊接的定位位置和幾何形狀，既不會(huì)使焊件在夾緊后出現(xiàn)松動(dòng)和滑動(dòng)，也不會(huì)使焊件因受力過(guò)大而產(chǎn)生拘束度過(guò)大的現(xiàn)象。定位工裝主要由工裝平臺(tái)、定位設(shè)備、加緊組織、丈量體系、輔助體系等組成。工裝夾具上裝有感應(yīng)器，可以產(chǎn)生感應(yīng)器信號(hào)，將檢測(cè)工件安裝是否到位的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給機(jī)器人，防止因工件未安裝到位機(jī)器人便焊接導(dǎo)致工件報(bào)廢。自動(dòng)化焊接工作站的主要組成如圖2 所示。

2 自動(dòng)化工作站總體布置

根據(jù)車架生產(chǎn)工藝要求，工裝站設(shè)計(jì)焊接工藝如下：車架總成焊接共分6 個(gè)工作站，總體布置如圖3 所示，每個(gè)工作站由2 臺(tái)焊接機(jī)器人，2 臺(tái)焊機(jī)電源，1 臺(tái)三軸變位機(jī)，2 套夾具工裝，清槍器，安全圍欄等組成。當(dāng)焊接時(shí)，2 臺(tái)機(jī)器人同時(shí)在A 面變位機(jī)上焊接，B 面則進(jìn)行工件裝卡定位。等A 面焊接完成后，變位機(jī)將旋轉(zhuǎn)到B面進(jìn)行焊接，如此交替工作，將保證固定的時(shí)間、節(jié)拍完成車架焊接。

3 自動(dòng)化工作站設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)線工藝原則

車架分部件按工序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)焊接，主要以簡(jiǎn)化工裝夾具，減少機(jī)器人干涉區(qū)，使得所有焊縫均能夠焊接，無(wú)工裝干涉。焊接分部件安裝定位時(shí)，工件均一次性裝卡到位，無(wú)需再次進(jìn)行點(diǎn)焊定位，這樣大大提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線按照流程順序分配布置，工裝夾具系統(tǒng)采用快速換模技術(shù)，可以滿足不同車型車架焊接，提高生產(chǎn)線柔性。自動(dòng)化系統(tǒng)電器控制采用人機(jī)界面，可隨意調(diào)配不同車型焊接程序。

3.2 工藝分配設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求和各種焊接工藝焊縫長(zhǎng)度，6 套焊接工作站步驟分配如圖4 所示。

3.3 自動(dòng)化工作站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

車架焊接生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)采用單元式模塊化全數(shù)字控制，采用RS-232 接口，Modbus 及C-CLink 通信協(xié)議將各種設(shè)備多層交叉連接成整體，具有模塊化全數(shù)字控制和較強(qiáng)的抗干擾能力。人機(jī)界面采用西門子彩色觸摸屏，各功能按鍵都可在顯示屏上操作，運(yùn)行參數(shù)也能顯示，完全實(shí)現(xiàn)智能化操作與檢測(cè)。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過(guò)RS-232 接口與PLC 進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備所有動(dòng)作的自動(dòng)控制、信號(hào)互交，系統(tǒng)具有自動(dòng)保存和斷電記憶功能，即使突然斷電也不會(huì)丟失，修改系統(tǒng)參數(shù)后會(huì)立即自動(dòng)保存。

本系統(tǒng)設(shè)置有一系列檢測(cè)裝置和反饋線路，如氣缸到位檢測(cè)、誤操作檢測(cè)、工件定位檢測(cè)、氣壓檢測(cè)、安全光幕等，保證系統(tǒng)動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)連接，具有很大的擴(kuò)展性，便于增加系統(tǒng)的功能，不同類型和規(guī)格的車架生產(chǎn)只需通過(guò)更換專用夾具和重新編程，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。

工作站的運(yùn)行方式有兩種:示教模式和遠(yuǎn)程模式。一般工作站在調(diào)試階段采用示教模式，待調(diào)試好后，再選擇遠(yuǎn)程模式。操作工將工件安裝到位后，按下運(yùn)行按鈕，工作站檢測(cè)到機(jī)器人就位信號(hào)、工件安裝到位信號(hào)，且安全信號(hào)正常后，機(jī)器人自動(dòng)工作完成焊接任務(wù)。

焊接完成后通過(guò)三軸變位機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)工位，工位轉(zhuǎn)到設(shè)定位置，工作站進(jìn)行自動(dòng)打開(kāi)夾具等設(shè)定動(dòng)作，每個(gè)工序焊接完成后流轉(zhuǎn)到下一工序，直到最后工序，整套車架從自動(dòng)化焊接流水線下線。

4 自動(dòng)化工作站生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用

本摩托車車架生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在確保符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求后，目前已順利交付客戶?？蛻羰褂迷撋a(chǎn)線3 個(gè)月，車架焊接每天8 小時(shí)工作，日產(chǎn)量可以達(dá)到260 件，月產(chǎn)量超過(guò)6000 件。該生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)數(shù)月的正常運(yùn)行，以優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量（見(jiàn)圖5）和高效的生產(chǎn)節(jié)拍，受到了用戶的滿意好評(píng)。

5 結(jié)論

隨著工業(yè)的發(fā)展，摩托車車架焊裝生產(chǎn)線也在逐漸向全自動(dòng)化方向發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化對(duì)零部件裝配制造精度要求很高，焊接變形要很小，焊接部位外觀要求清爽，進(jìn)而對(duì)焊接技術(shù)的要求越來(lái)越高。焊接自動(dòng)化工作站的推廣應(yīng)用對(duì)焊接車架的質(zhì)量、效率提升有著極其重要的作用。