焊接機(jī)器人在叉車車架焊接上的應(yīng)用

       焊接機(jī)器人由于具有生產(chǎn)過程自動(dòng)化、勞動(dòng)強(qiáng)度小、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可持續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在工程機(jī)械系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)焊接機(jī)器人最先主要應(yīng)用于汽車行業(yè)，工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用焊接機(jī)器人較晚，目前處于引進(jìn)消化階段。本文以ABB機(jī)器人焊接內(nèi)燃叉車車架的焊接系統(tǒng)為例，具體介紹焊接機(jī)器人在叉車車架焊接上的應(yīng)用，主要包括：如何選型搭建工作站，以及在調(diào)試過程中出現(xiàn)的常見問題及如何解決。
       一、前期焊接工作站的搭建
       前期，通過到客戶現(xiàn)場(chǎng)參觀以及與客戶溝通，了解焊接工件—叉車車架的焊接特點(diǎn)。根據(jù)叉車車架的結(jié)構(gòu)及焊接工藝，采用機(jī)器人專用的三維模擬軟件初步搭建了一個(gè)焊接工作站。
       1、機(jī)器人設(shè)備的選型
       首先，根據(jù)叉車車架的焊接工藝以及客戶的預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，選擇ABB公司一款專用的弧焊機(jī)器人IRB 1520，它有6個(gè)操縱器軸，上臂結(jié)構(gòu)緊湊，專為弧焊的集成而設(shè)計(jì)�？刂葡到y(tǒng)配備IRC5控制器，該控制器包含控制機(jī)械臂、附加軸和外圍設(shè)備所需的電子裝置。標(biāo)配控制軟件支持機(jī)器人系統(tǒng)的方方面面，如動(dòng)作控制、應(yīng)用程序的開發(fā)和執(zhí)行以及通信等。
       2、焊接系統(tǒng)的配置
       在焊接工作中，焊接系統(tǒng)的配置十分重要，在機(jī)器人焊接工作站中，所選的焊接系統(tǒng)除滿足焊接工件的一般焊接工藝要求外，還必須與機(jī)器人系統(tǒng)相匹配。
       因?yàn)榭蛻衄F(xiàn)場(chǎng)手工焊用的是松下的焊接電源，所以他們希望機(jī)器人焊接工作站仍選用松下焊接電源。但筆者查閱松下送絲機(jī)和焊槍的接線圖，發(fā)現(xiàn)其和ABB的機(jī)器人系統(tǒng)無法連接，所以建議客戶選用和ABB機(jī)器人控制系統(tǒng)相匹配的肯比的焊接系統(tǒng)。安裝在肯比焊接電源上的DeviceNet用于機(jī)器人控制器IRC5與電源之間的通信。
       3、變位機(jī)和外圍設(shè)備的選型
       由于叉車車架是由多個(gè)工件拼裝而成，體積和重量相對(duì)較大，筆者放棄了選用小工件所用的尾架式變位機(jī)，改用頭、尾架式變位機(jī)，其驅(qū)動(dòng)部分選用了ABB伺服電機(jī)、減速機(jī)以及回轉(zhuǎn)支撐。這樣整個(gè)變位機(jī)的結(jié)構(gòu)就很緊湊，承受的力矩很大，精度很高。在前期模擬時(shí)，選用的是單工位，在工件的上料和下料過程中，機(jī)器人處于停止工作的狀態(tài)，達(dá)不到客戶所要求的生產(chǎn)節(jié)拍。為使機(jī)器人一直處于工作狀態(tài)，提高生產(chǎn)節(jié)拍，后經(jīng)項(xiàng)目組討論決定選用雙工位，這樣在一個(gè)工件焊接完成后，機(jī)器人可以立即焊接下一個(gè)工件（圖1）。
       圖1 叉車車架雙工位機(jī)器人焊接工作站
      
       二、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中出現(xiàn)的主要問題及解決方案
       前期工作站搭建完成后，在正式進(jìn)入生產(chǎn)前調(diào)試工作是必須的。因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中會(huì)出現(xiàn)一些實(shí)際性的問題，只有這些問題得到解決，在正式投入生產(chǎn)時(shí)才能保證焊接工作的順利進(jìn)行。這個(gè)項(xiàng)目在調(diào)試過程中也遇到了一些問題，機(jī)器人焊接叉車車架在調(diào)試中出現(xiàn)的主要問題及解決方案具體如下：
       1、在圓弧處出現(xiàn)假焊
       在車架左右擋泥板的圓弧處和油箱側(cè)板圓弧處，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)看似焊接好，但經(jīng)質(zhì)檢檢查達(dá)不到焊接工藝要求的焊縫。焊接不牢或有些地方出現(xiàn)假焊的情況，將會(huì)導(dǎo)致?lián)跄喟迮c其相連接的工件直接連接強(qiáng)度不夠。在項(xiàng)目調(diào)試階段，筆者在檢測(cè)油箱試漏時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)油箱側(cè)板圓弧處出現(xiàn)側(cè)漏，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)油箱側(cè)板圓弧處焊縫質(zhì)量達(dá)不到要求。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)并對(duì)焊接工件進(jìn)行分析得知，有些油箱側(cè)板圓弧處折彎公差大，使得拼裝時(shí)圓弧度不一，導(dǎo)致機(jī)器人尋找焊縫時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏移，發(fā)生假焊。
       針對(duì)以上情況采取兩個(gè)措施方案：
       （1）編程時(shí)在圓弧處增加程序點(diǎn)，并降低速度，保證圓弧處焊縫的焊接達(dá)到焊接工藝要求。
       （2）更改運(yùn)動(dòng)指令，在原指令MoveC的基礎(chǔ)上采用MoveCDO運(yùn)動(dòng)指令，因?yàn)檫@個(gè)指令機(jī)器人是通過中間點(diǎn)以圓弧運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)，并且在目標(biāo)點(diǎn)將相應(yīng)輸出信號(hào)設(shè)置為相應(yīng)值，在原來指令的基礎(chǔ)上增加信號(hào)輸出功能。改進(jìn)程序后，對(duì)多個(gè)焊接工件進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)假焊。
       2、在工件折彎處出現(xiàn)漏焊
       叉車車架組裝時(shí)有些是折彎件，這些件的折彎弧度或折彎角度會(huì)有所偏差。所以在拼裝時(shí)，對(duì)應(yīng)這些焊縫的位置會(huì)發(fā)生偏移。因?yàn)闄C(jī)器人是事先擬定焊接位置的，所以當(dāng)焊接位置發(fā)生偏移時(shí)，機(jī)器人無法識(shí)別，將導(dǎo)致此處焊縫出現(xiàn)漏焊或只焊接邊緣。這些漏焊的焊縫需要后期焊工手工補(bǔ)焊，降低了工作效率。
       我們從以下兩個(gè)方面著手，解決折彎件折彎處焊縫漏焊現(xiàn)象：
       （1）向客戶提議增設(shè)質(zhì)檢監(jiān)控點(diǎn)，在叉車車架拼裝前嚴(yán)格控制尺寸。對(duì)拼裝尺寸不在公差范圍內(nèi)、不合格的禁止轉(zhuǎn)入焊接工位。
       （2）在機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)增加激光跟蹤儀標(biāo)定功能（Laser Tracker Calibration），因?yàn)樵贚TC系統(tǒng)里每個(gè)傳感器最多有3個(gè)標(biāo)定功能，可以保證在同一空間中不同位置的精度要求（圖2）。
       圖2 角度說明
       
       3、在電弧干擾下焊接過程不穩(wěn)定
       在調(diào)試過程中時(shí)而會(huì)出現(xiàn)焊接過程不穩(wěn)定的現(xiàn)象，工作現(xiàn)場(chǎng)還有其他設(shè)備在運(yùn)行，它們會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而且焊接機(jī)器人工作站本身也會(huì)有電弧和電磁干擾。為保證焊接的穩(wěn)定性和提高焊接的控制精度，經(jīng)分析討論，決定重新對(duì)工作站做屏蔽措施。首先對(duì)與焊接電源連接的電源線、接地線、信號(hào)線做屏蔽，在其線纜外部套上屏蔽裝置，并用同樣的方法屏蔽機(jī)器人控制器IRC5上的電纜；然后在工位及工裝夾具上裝上絕緣套，做好與焊接工件和大地的屏蔽絕緣；對(duì)送絲機(jī)和焊槍也分別裝上絕緣墊，使其與機(jī)器人絕緣，防止產(chǎn)生靜電。
       4、機(jī)器人出現(xiàn)的故障報(bào)警
       在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中機(jī)器人經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障報(bào)警，導(dǎo)致焊接工作停滯。調(diào)試期間示教器上出現(xiàn)過如下故障報(bào)警：
       （1）碰撞報(bào)警（故障代碼10024）。因?yàn)闆]有任何外界因素進(jìn)入和機(jī)械手發(fā)生碰撞，機(jī)械手也沒有和工件及外圍設(shè)備發(fā)生碰撞，故在機(jī)器人系統(tǒng)里增加一個(gè)碰撞檢測(cè)軟件選項(xiàng)，以減少機(jī)器人承受的碰撞力度，還有助于避免機(jī)器人和外部設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p傷。“碰撞檢測(cè)”檢測(cè)到一次碰撞時(shí)，相關(guān)機(jī)器人會(huì)立即停止，并沿其路徑反向移動(dòng)一小段距離來釋放余力。當(dāng)接收了一則碰撞錯(cuò)誤消息后，系統(tǒng)便能繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)的移動(dòng)，而無需按下相關(guān)控制器上的“電機(jī)開啟”。
       （2）外部設(shè)備溫度高報(bào)警（故障代碼20253）。出現(xiàn)此報(bào)警是由于焊接系統(tǒng)溫度過高，因?yàn)榍捌谠诂F(xiàn)場(chǎng)，焊接系統(tǒng)里沒有冷卻裝置，后來增加冷卻水循環(huán)裝置來防止焊接溫度過高。
       （3）信號(hào)參考無效報(bào)警（故障代碼110302）。經(jīng)檢查是工具中心點(diǎn)（TCP）錯(cuò)誤。經(jīng)查閱技術(shù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)在前期的系統(tǒng)里沒有牛眼（Bulls Eye）軟件和相關(guān)硬件來校準(zhǔn)工具中心點(diǎn)。通過這個(gè)項(xiàng)目，筆者了解到牛眼在機(jī)器人焊接系統(tǒng)里非常重要，如條件允許，此項(xiàng)要選購。牛眼提供了完全自動(dòng)化的工具中心點(diǎn)（TCP），還配置了新的工具來支持MIG焊槍。當(dāng)機(jī)器人圍繞TCP編程時(shí)，如果點(diǎn)被損壞、程序再次運(yùn)行，機(jī)器人重復(fù)同樣的動(dòng)作，會(huì)由于TCP錯(cuò)位不再遵循相同的路徑。圍繞焊槍定義的TCP（圖3）是直接對(duì)準(zhǔn)一個(gè)看不見的參考點(diǎn)，焊絲尖端會(huì)從氣嘴底部觸及工件，使用預(yù)先確定的距離。
       圖3 圍繞焊槍定義的TCP
       
       三、焊接機(jī)器人在工程機(jī)械上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)與分享
       通過焊接機(jī)器人應(yīng)用于內(nèi)燃叉車車架焊接的案例分析可以看出，在前期搭建工作站時(shí)，機(jī)器人設(shè)備的選型并不難，一般機(jī)器人公司都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但是焊接系統(tǒng)的選型卻是多樣化的。這個(gè)項(xiàng)目的以下經(jīng)驗(yàn)值得分享：
       （1）選擇焊接系統(tǒng)時(shí)，除考慮焊接工件的焊接工藝外，焊接系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)的通訊連接也是十分重要的，有利于保證焊接質(zhì)量。
       （2）提高生產(chǎn)效率必須以安全為前提，所以在設(shè)計(jì)方案時(shí)要以人、機(jī)、料的安全為根本。
       （3）正式投入生產(chǎn)前的調(diào)試工作是必須的，要解決調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，以保證焊接工件滿足相關(guān)工藝要求。
       （4）在機(jī)器人系統(tǒng)軟件配置時(shí)要考慮是否需要碰撞檢測(cè)軟件，牛眼在機(jī)器人焊接系統(tǒng)中非常重要，建議選購此項(xiàng)。
       四、結(jié)語
       焊接機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)過程中的運(yùn)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅僅涉及前期焊接工作站的搭建，而且與后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等有著重要聯(lián)系，在機(jī)器人焊接叉車車架這個(gè)項(xiàng)目中，通過前期三維模擬焊接工作站的搭建，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及有效處理調(diào)試過程中遇到的實(shí)際問題，才能確保每個(gè)程序的有效銜接，保證整個(gè)項(xiàng)目的順利運(yùn)行。
       作者：房林林  單位：上海ABB工程有限公司