焊接機器人在叉車車架焊接上的應用
焊接機器人由于具有生產過程自動化、勞動強度小、生產效率高、產品焊接質量穩(wěn)定、可持續(xù)作業(yè)等優(yōu)點，在工程機械系統(tǒng)中得到了廣泛應用。我國焊接機器人最先主要應用于汽車行業(yè)，工程機械行業(yè)應用焊接機器人較晚，目前處于引進消化階段。本文以ABB機器人焊接內燃叉車車架的焊接系統(tǒng)為例，具體介紹焊接機器人在叉車車架焊接上的應用，主要包括：如何選型搭建工作站，以及在調試過程中出現(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)場參觀以及與客戶溝通，了解焊接工件—叉車車架的焊接特點。根據(jù)叉車車架的結構及焊接工藝，采用機器人專用的三維模擬軟件初步搭建了一個焊接工作站。
1、機器人設備的選型
首先，根據(jù)叉車車架的焊接工藝以及客戶的預算標準，選擇ABB公司一款專用的弧焊機器人IRB 1520，它有6個操縱器軸，上臂結構緊湊，專為弧焊的集成而設計�？刂葡到y(tǒng)配備IRC5控制器，該控制器包含控制機械臂、附加軸和外圍設備所需的電子裝置。標配控制軟件支持機器人系統(tǒng)的方方面面，如動作控制、應用程序的開發(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，還必須與機器人系統(tǒng)相匹配。
因為客戶現(xiàn)場手工焊用的是松下的焊接電源，所以他們希望機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和焊槍的接線圖，發(fā)現(xiàn)其和ABB的機器人系統(tǒng)無法連接，所以建議客戶選用和ABB機器人控制系統(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用于機器人控制器IRC5與電源之間的通信。
3、變位機和外圍設備的選型
由于叉車車架是由多個工件拼裝而成，體積和重量相對較大，筆者放棄了選用小工件所用的尾架式變位機，改用頭、尾架式變位機，其驅動部分選用了ABB伺服電機、減速機以及回轉支撐。這樣整個變位機的結構就很緊湊，承受的力矩很大，精度很高。在前期模擬時，選用的是單工位，在工件的上料和下料過程中，機器人處于停止工作的狀態(tài)，達不到客戶所要求的生產節(jié)拍。為使機器人一直處于工作狀態(tài)，提高生產節(jié)拍，后經項目組討論決定選用雙工位，這樣在一個工件焊接完成后，機器人可以立即焊接下一個工件（圖1）。
圖1 叉車車架雙工位機器人焊接工作站
二、現(xiàn)場調試中出現(xiàn)的主要問題及解決方案
前期工作站搭建完成后，在正式進入生產前調試工作是必須的。因為在現(xiàn)場調試過程中會出現(xiàn)一些實際性的問題，只有這些問題得到解決，在正式投入生產時才能保證焊接工作的順利進行。這個項目在調試過程中也遇到了一些問題，機器人焊接叉車車架在調試中出現(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板圓弧處，經常會出現(xiàn)看似焊接好，但經質檢檢查達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，將會導致?lián)跄喟迮c其相連接的工件直接連接強度不夠。在項目調試階段，筆者在檢測油箱試漏時，有時會發(fā)現(xiàn)油箱側板圓弧處出現(xiàn)側漏，經檢測發(fā)現(xiàn)油箱側板圓弧處焊縫質量達不到要求。通過現(xiàn)場實際反復調試實驗并對焊接工件進行分析得知，有些油箱側板圓弧處折彎公差大，使得拼裝時圓弧度不一，導致機器人尋找焊縫時會出現(xiàn)偏移，發(fā)生假焊。
針對以上情況采取兩個措施方案：
（1）編程時在圓弧處增加程序點，并降低速度，保證圓弧處焊縫的焊接達到焊接工藝要求。
（2）更改運動指令，在原指令MoveC的基礎上采用MoveCDO運動指令，因為這個指令機器人是通過中間點以圓弧運動方式運動至目標點，并且在目標點將相應輸出信號設置為相應值，在原來指令的基礎上增加信號輸出功能。改進程序后，對多個焊接工件進行檢測，發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)假焊。
2、在工件折彎處出現(xiàn)漏焊
叉車車架組裝時有些是折彎件，這些件的折彎弧度或折彎角度會有所偏差。所以在拼裝時，對應這些焊縫的位置會發(fā)生偏移。因為機器人是事先擬定焊接位置的，所以當焊接位置發(fā)生偏移時，機器人無法識別，將導致此處焊縫出現(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焊，降低了工作效率。
我們從以下兩個方面著手，解決折彎件折彎處焊縫漏焊現(xiàn)象：
（1）向客戶提議增設質檢監(jiān)控點，在叉車車架拼裝前嚴格控制尺寸。對拼裝尺寸不在公差范圍內、不合格的禁止轉入焊接工位。
（2）在機器人系統(tǒng)內增加激光跟蹤儀標定功能（Laser Tracker Calibration），因為在LTC系統(tǒng)里每個傳感器最多有3個標定功能，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
在調試過程中時而會出現(xiàn)焊接過程不穩(wěn)定的現(xiàn)象，工作現(xiàn)場還有其他設備在運行，它們會產生電磁場，而且焊接機器人工作站本身也會有電弧和電磁干擾。為保證焊接的穩(wěn)定性和提高焊接的控制精度，經分析討論，決定重新對工作站做屏蔽措施。首先對與焊接電源連接的電源線、接地線、信號線做屏蔽，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；對送絲機和焊槍也分別裝上絕緣墊，使其與機器人絕緣，防止產生靜電。
4、機器人出現(xiàn)的故障報警
在現(xiàn)場調試過程中機器人經常會出現(xiàn)故障報警，導致焊接工作停滯。調試期間示教器上出現(xiàn)過如下故障報警：
（1）碰撞報警（故障代碼10024）。因為沒有任何外界因素進入和機械手發(fā)生碰撞，機械手也沒有和工件及外圍設備發(fā)生碰撞，故在機器人系統(tǒng)里增加一個碰撞檢測軟件選項，以減少機器人承受的碰撞力度，還有助于避免機器人和外部設備受到嚴重損傷。“碰撞檢測”檢測到一次碰撞時，相關機器人會立即停止，并沿其路徑反向移動一小段距離來釋放余力。當接收了一則碰撞錯誤消息后，系統(tǒng)便能繼續(xù)執(zhí)行相應的移動，而無需按下相關控制器上的“電機開啟”。
（2）外部設備溫度高報警（故障代碼20253）。出現(xiàn)此報警是由于焊接系統(tǒng)溫度過高，因為前期在現(xiàn)場，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）信號參考無效報警（故障代碼110302）。經檢查是工具中心點（TCP）錯誤。經查閱技術手冊，發(fā)現(xiàn)在前期的系統(tǒng)里沒有牛眼（Bulls Eye）軟件和相關硬件來校準工具中心點。通過這個項目，筆者了解到牛眼在機器人焊接系統(tǒng)里非常重要，如條件允許，此項要選購。牛眼提供了完全自動化的工具中心點（TCP），還配置了新的工具來支持MIG焊槍。當機器人圍繞TCP編程時，如果點被損壞、程序再次運行，機器人重復同樣的動作，會由于TCP錯位不再遵循相同的路徑。圍繞焊槍定義的TCP（圖3）是直接對準一個看不見的參考點，焊絲尖端會從氣嘴底部觸及工件，使用預先確定的距離。
圖3 圍繞焊槍定義的TCP
三、焊接機器人在工程機械上應用的經驗與分享
通過焊接機器人應用于內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，機器人設備的選型并不難，一般機器人公司都有對應的標準，但是焊接系統(tǒng)的選型卻是多樣化的。這個項目的以下經驗值得分享：
（1）選擇焊接系統(tǒng)時，除考慮焊接工件的焊接工藝外，焊接系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)的通訊連接也是十分重要的，有利于保證焊接質量。
（2）提高生產效率必須以安全為前提，所以在設計方案時要以人、機、料的安全為根本。
（3）正式投入生產前的調試工作是必須的，要解決調試過程中出現(xiàn)的問題，以保證焊接工件滿足相關工藝要求。
（4）在機器人系統(tǒng)軟件配置時要考慮是否需要碰撞檢測軟件，牛眼在機器人焊接系統(tǒng)中非常重要，建議選購此項。
四、結語
焊接機器人在實際生產過程中的運用是一個復雜的系統(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)場調試等有著重要聯(lián)系，在機器人焊接叉車車架這個項目中，通過前期三維模擬焊接工作站的搭建，實際現(xiàn)場安裝調試的實時監(jiān)控，以及有效處理調試過程中遇到的實際問題，才能確保每個程序的有效銜接，保證整個項目的順利運行。
作者：房林林 單位：上海ABB工程有限公司
