龍門機器人激光焊接系統研制

楊永波，白德濱，秦偉濤，李洪濤

（機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 前言

隨著我國軌道運輸與交通建設的快速發展，車輛需求規模以及運行速度不斷提高。車體作為軌道車輛的主要組成部分，需求大量增加同時對焊接質量與生產效率提出了更高的要求，在車體部件實際生產中手工焊已經越來越難以滿足生產需要，如何提高效率和焊接質量成為首先需要解決的問題，新的焊接技術和高效能的自動化設備成為了必然的選擇，自動化程度越高越能保證焊接質量的穩定性[1]。

焊接機器人具有一系列明顯的優勢：穩定和提高焊接質量,保證焊縫均一性；改善工人的勞動條件；提高單位勞動生產率等。焊接機器人近幾年在我國焊接行業中獲得了長足的發展。激光加工技術是一種集光、機、電于一體的綜合性高新技術，屬于無接觸加工。其主要特點也就是無惰性，因此其加工速度快、無噪聲。由于光束的能量和光的移動速度都可以調節，因此可實現各種加工的目的。由于光束照射到物體的表面是局部的，雖然加工部位的熱量很大、溫度很高，但移動速度快，對非照射的部位沒有什么影響，因此其熱影響區很小。尤其適合于薄板的高速焊接。目前激光加工正以自己獨特的優勢，逐步取代傳統加工工藝，越來越受到工業界的青睞。

哈爾濱焊接研究所利用30多年研發、制造焊接專用設備的經驗，結合在機器人應用、激光焊接技術以及在焊接材料研究等領域的成果，針對軌道車輛大型薄壁構件的焊接，研制了龍門機器人激光焊接系統，可以焊接接頭形式為1mm+1mm、2mm+2mm、4mm+4mm的對接焊縫，也可以用于其他類似工件的對接、搭接及角焊縫焊接。該系統可以實現激光自熔與激光填絲兩種不同的焊接方式，可以有效地提高薄壁構件的焊接質量與工作效率，并有擴展能力，以便于適應其它的方式方法，具有很好的應用前景。

1 系統結構與基本技術數據

“龍門機器人激光焊接系統”主要由機械系統、電控系統、機器人、激光器、水冷器等組成，設備見圖1。

圖1 龍門機器人激光焊接系統

該系統采用龍門架結構，配備大功率光纖激光焊接系統，焊接工藝采用激光自熔、填絲焊。龍門架沿地面軌道行走，在龍門橫梁上裝有移動裝置，焊接機器人倒掛在移動龍門橫梁的懸臂上，移動龍門采用交流伺服雙側同步驅動，機器人沿龍門架橫梁的移動為機器人的外部擴展軸。在龍門移動雙側導軌中間以及龍門導軌端頭可以擺放多套工裝夾具，實現交替裝夾與焊接，以提高生產效率及激光器的利用率。焊接生產時龍門系統保持靜止，焊接過程靠機器人和外部軸的協調移動完成。激光發生器、激光器水冷機、機器人控制柜、送絲機等均安放在龍門后方的平臺上,保護氣瓶安放在龍門側面，便于更換。

龍門機器人激光焊接系統基本技術數據見表1。

表1 龍門機器人激光焊接系統基本技術數據

2 系統主要部分組成

2.1 龍門架及行走系統

龍門架及行走系統：包括龍門架行走導軌、2套龍門架行走小車（含2套交流伺服驅動機構）、1套龍門架（含2個立柱、平臺）、1套移動滑臺和電纜拖鏈等。

龍門架行走導軌固定在工件組裝夾具的兩側，是由鋼軌經精密加工而成，兩側導軌的內側鑲有傳動齒條。龍門架行走小車固定在其上，由交流伺服系統通過齒輪齒條驅動，在導軌上做沿工件組裝胎具的縱向運動，以實現多工位的焊接。

龍門架行走小車是由堅固穩定的鋼結構所組成，左右各1個，其上裝有雙側交流伺服驅動機構，兩側可橫向調節的導向輪，保證龍門行走方向的精確引導，在小車的前后行走方向設置有安全緩沖器。龍門架行走小車下面固定在行走導軌上，上面安裝主龍門架，并攜帶安放在主龍門架上的控制柜、激光電源、空氣壓縮機、保護氣體氣瓶等一同運行。

主龍門架包括2個立柱、橫梁、載物平臺和橫向導軌。龍門導軌寬為6m。龍門架的行走，由兩側立柱下面的小車通過雙側交流伺服電機驅動夾緊在龍門架行走導軌上的齒輪轉動而行走（稱為1，2軸）。通過二軸定位模塊可以保證兩側的交流伺服電機同步驅動，保證行走平穩、無爬行。

在主龍門的橫梁上安裝有1個移動滑臺，滑臺采用交流伺服驅動（稱為機器人外部軸），滑臺上帶有機器人安裝底座，機器人倒掛安裝在底座上，滑臺可沿龍門橫梁作橫向移動，可實現0.3～10 m/m i n之間無級調速。電纜拖鏈安裝在橫梁的上方。各種電纜、氣管、冷卻水管等均安裝在電纜拖鏈的內部。

2.2 光纖激光焊接系統

光纖激光焊接系統主要由光纖激光發生器、光路耦合系統、激光器水冷機、操作光纖、激光焊接頭及激光防護裝置構成。

激光發生器采用德國IPG公司生產的4kW光纖激光發生器，型號YLS-4000-CT，最大額定輸出功率4kW。該激光發生器的激光輸出模式為連續（CW）輸出模式，隨機偏振，也可以變脈沖輸出模式，脈沖頻率最高可為5kHz。激光器配備Laser Net控制軟件,可自行控制激光器各種動作,并可對輸出激光進行波形控制(例如：脈沖調制，方型光波，正弦波形，能量的緩升緩降等波形）,Laser Net軟件最多可以存貯50組激光程序，如與機械手或機床集成，則可由外部設備存儲更多激光程序；激光器配備以太網接口、Device Net或PRORIBUS接口。

2.3 焊接機器人及其配套設備

機器人選配庫卡公司KR30HA系統。機器人由肘節式本體，KRC4控制柜、示教控制器KCP組成。焊接機器人本體鋁合金，最大范圍2033mm，有效負載30k g，更適合激光焊接及激光切割。KRC4控制器是庫卡開發了一個全新的、結構清晰且注重使用開放高效數據標準的控制系統，具有更高效、更安全、更靈活、更智能化，采用熟悉的個人電腦WINDOWS操作界面，中英文多種語言菜單，標準的工業計算機。示教器具有示教、編程、安全保護功能；控制系統具有絕對位置記憶、軟PLC（選項）功能。支持多種標準工業控制總線。

與機器人相配套的設備主要包括激光填絲焊槍和填絲機。如圖2和圖3所示。作為激光填絲工藝的核心部件激光填絲焊槍是哈爾濱焊接研究所自主開發的最新一代焊槍，具有結構簡單、維護容易、填絲效果穩定等特點。填絲系統采用FRONIUS的KD7000送絲機。該送絲機采用推拉絲送絲機構，送絲精度高，指向精準，可靠性高，特別適合激光填絲焊工藝。

圖2 激光填絲焊槍

圖3 FRONIUSKD 7000填絲機

3 系統控制單元及管理界面

控制單元包括硬件及軟件部分。如圖4 a所示，硬件部分上位機采用研華工業級觸屏計算機，下位機采用西門子PLC（可編程序控制器）控制，PLC與機器人和激光器采用Profibus總線數字通訊控制，與工控機采用MPI總線方式通訊，送絲機采用開關量+模擬量控制方式，龍門行走機構采用西門子伺服定位模塊及三菱伺服控制器實現2臺伺服電機的同步以及準確定位。

軟件部分主控軟件采用C++語言定制開發，建立工藝庫，實現激光焊接工藝數字可控，與機器人及激光器數字通訊，實現狀態顯示，報警錯誤識別。

工控機主界面顯示了設備各個部分，包括機器人、激光器、送絲機、龍門的運行狀態和報警信息，工作站的工位信息，工藝數據信息以及激光器、龍門和機器人的管理信息，如圖4b所示，界面與PLC聯機，除了可以監視運行狀態、設置和修改工藝參數之外，還可提供調整維修用手動面板。整套控制系統實現龍門、激光器、機器人三部分通訊，可以協調進行工作。

系統運行管理界面是用于檢查焊接及運動過程中，各個檢測開關所處的位置都在該界面中有所顯示，通過該界面可以使操作者處理一些簡單的問題并給出判斷，主要為激光管理、龍門管理、機器人管理三個界面為主。

圖4 控制柜及管理界面

4 實際應用

龍門機器人激光焊接系統目前安裝完成后，整個系統運行平穩，各項功能指標達到設計要求。進行了工藝評定的試件焊接，檢驗結果符合工藝設計要求，經過工藝評定以及實際焊接工作的檢驗，基本上達到設計的要求，如圖5所示。該系統可以配套多種不同類型的工裝夾具，可以完成不同類型的任務，并能存儲不同的工藝參數，為以后車間的技術提升，奠定了基礎。

圖5 龍門機器人激光焊接系統現場應用

［1］ 張善保，軌道車輛車體鋁合金部件自動化設備研制.焊接，2011（5）：10.