機(jī)器人焊接在自卸車箱體后板上的應(yīng)用

李洪松 李波

一、概述

目前國內(nèi)部分自卸車生產(chǎn)廠家已經(jīng)配備機(jī)器人焊接，但在使用機(jī)器人時(shí)絕大多數(shù)通過在線編程，焊接效率與人工相差無幾。然而部分離線編程對(duì)工件組對(duì)精度、工件焊道位置定位精度都有很高的工藝要求，在一定程度上束縛了焊接生產(chǎn)效率。

基于此，與焊接自動(dòng)化設(shè)備廠家在KUKA機(jī)器人焊接系統(tǒng)上共同開發(fā)加裝激光視覺掃描系統(tǒng)，通過試驗(yàn)改進(jìn)機(jī)器人離線編程各種工藝參數(shù)，來提升焊接質(zhì)量，提高焊接速度，對(duì)整個(gè)自卸車行業(yè)的焊接工藝是一場技術(shù)與效率的變革。

1. 機(jī)器人工作站介紹

KUKA—KR1型機(jī)器人采用C 型支撐倒掛方式，通過離線編程軟件包控制機(jī)器人來對(duì)工件進(jìn)行柔性自動(dòng)化焊接。

（1）導(dǎo)軌總成 采用導(dǎo)軌式滑道的焊接機(jī)器人工作站，焊接機(jī)器人滑動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)軌長度按工件長度配置，本文涉及到的后板焊接機(jī)器人的導(dǎo)軌長度4m，能滿足兩個(gè)后板工作平臺(tái)布置；六軸機(jī)器人和直線導(dǎo)軌配合使用，增加了該機(jī)器人工作系統(tǒng)的工作范圍和柔性，能夠滿足不同工件規(guī)格的焊接要求，如圖1所示。

（2）機(jī)械手臂 機(jī)器人手臂為KUKA—KR型機(jī)器人（見圖2），采用鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)，所有軸都采用免維護(hù)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用無間隙的傳動(dòng)組件和絕對(duì)編碼器。優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)能力，高精度位置監(jiān)測系統(tǒng)，大功率伺服系統(tǒng)，保證了機(jī)器人具有高度的動(dòng)態(tài)特性和良好的精度。第二軸采用前置設(shè)計(jì)，在同樣保證機(jī)器人靈活性的同時(shí)，最大地增加了機(jī)器人的有效工作范圍。械手臂軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。

圖1

圖2

表1 庫卡KR16機(jī)械手臂軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)

2. 激光掃描系統(tǒng)

激光掃描系統(tǒng)是此款焊接機(jī)器人工作站的核心部件，四束激光眼通過掃描角焊縫的兩平面的公共交線反饋給到機(jī)器人，機(jī)器人系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)收集后，將路徑記憶儲(chǔ)存到控制中心，由控制中心通過離線編程軟件控制包來控制機(jī)器人焊接（見圖3）。

激光眼直線最快掃描速度為7.2m/min，掃描精度為±0.5mm，對(duì)工件分區(qū)域掃描后平均速度為2～3m/min。激光掃描系統(tǒng)支持系統(tǒng)的暫停，中間斷電恢復(fù)起弧功能。

3. 焊接參數(shù)輸入界面

支持三維建模，直接按照焊接工藝要求布置焊道，包括焊道長度、焊道間距；通過輸入界面參數(shù)，來控制機(jī)器人焊系統(tǒng)的焊接電流、電弧電壓、焊槍起收弧時(shí)間、焊接手臂姿態(tài)等各種參數(shù)，讓人機(jī)對(duì)話更簡單實(shí)用。

4.電源配置

配置德國EWM多功能逆變電源，實(shí)現(xiàn)大功率脈沖焊接，保障了焊接電弧的亞射流狀態(tài)，焊接飛濺較少（見圖4）。

該電源特別配置了線控器RC1，可以同機(jī)器人控制盒放置在一起，或者懸掛在龍門架立柱上，焊接過程中的參數(shù)一目了然，同時(shí)方便操作人員操作。

二、自卸車后板焊接應(yīng)用

1. 自卸車后板結(jié)構(gòu)

自卸車后板由后板上下框、左右框、橫梁、豎梁及外框加強(qiáng)筋組成。自卸車后板規(guī)格板厚不一，常規(guī)車型寬度為2 300mm，高度根據(jù)車型配置尺寸不一，尺寸在1000～2100mm之間。

為了驗(yàn)證上述激光眼機(jī)器人工作站的使用價(jià)值和效果，以通用1.1m箱高后板作為試焊工件。后板規(guī)格如表2所示。

2. 工件組對(duì)間隙控制

KUKA機(jī)器人焊接系統(tǒng)要求工件組對(duì)間隙≤2mm，現(xiàn)公司剪板、折彎設(shè)備在數(shù)控?fù)醢寰缺ＷC的前提下，下料公差控制在1.5mm以內(nèi)，后板組對(duì)過程中，將組對(duì)誤差向外框積累，保證方格內(nèi)側(cè)的組對(duì)間隙。

為了避免后板鉚接點(diǎn)與焊接起收弧點(diǎn)重合，組對(duì)鉚接焊點(diǎn)嚴(yán)禁焊在三線重合處，方格內(nèi)焊點(diǎn)間距≥300mm、外框及加強(qiáng)貼板焊點(diǎn)間距≥500mm，鉚焊點(diǎn)高度≤4～5mm。

3. 激光眼焊接掃描過程

激光眼對(duì)后板每個(gè)方格內(nèi)側(cè)進(jìn)行單個(gè)掃描，先橫向后縱向?qū)缚p進(jìn)行逐一掃描，機(jī)器人掃描速度約2m/min，整個(gè)后板方格內(nèi)側(cè)掃描時(shí)間約3mi n， 后板左右框需要二次獨(dú)立掃描，掃描時(shí)間約2mi n，整個(gè)工件掃描時(shí)間約5min。由于后板上框?yàn)檎圻吔Y(jié)構(gòu)，焊道位置不利于機(jī)器人手臂姿態(tài)調(diào)節(jié)，所以采用人工焊接，對(duì)此部位不進(jìn)行掃描。

圖3

圖4

表2 后板規(guī)格

圖5

4. 焊道布置及焊接順序

按照后板焊道工藝布置進(jìn)行三維建模，試件焊道布置如圖5所示。外框與內(nèi)梁、橫梁與豎梁接觸部位的槽型焊道滿焊，方格內(nèi)側(cè)焊道為段焊，焊道長度80mm，兩條均布，左右框與主板焊接3段，每段200mm均布；下框與主板焊接5段，每段200mm均布；加強(qiáng)板焊道滿焊，整個(gè)后板焊道長度約18m左右。

焊接順序?yàn)閮蛇厡?duì)稱焊接，先焊左側(cè)焊道，焊完之后行走到對(duì)角邊方格內(nèi)側(cè)焊接。

5. 焊接試驗(yàn)過程

（1）第一次試驗(yàn)過程 主板為10mm后板，人工焊接平均焊接速度為300～400mm/min，為了提高焊接速度，將焊接機(jī)器人的焊接速度按1 000mm/min；焊接參數(shù)如表3所示。

由于焊接速度過快，焊腳高度未能達(dá)到6mm，同時(shí)部分橫梁焊道由于焊接電流、電弧電壓過高被焊穿。

（2）第二次試驗(yàn)過程 在第一次試焊的基礎(chǔ)上，將橫梁的焊接電流調(diào)節(jié)到300A，電弧電壓調(diào)節(jié)到31V左右，按照同樣的焊接順序及參數(shù)焊接（見表4）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示梁立焊、平焊位置有被焊穿現(xiàn)象，角焊縫成形較好，因此應(yīng)適當(dāng)降低立焊、橫梁角焊的焊接熱輸入來控制焊接質(zhì)量。

（3）第三次試驗(yàn)過程 適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)梁的立焊、平焊的熱輸入，將主板的角焊、梁的立焊、平焊分別制定焊接參數(shù)，將焊接速度調(diào)制700mm/min左右，具體參數(shù)如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明橫梁平焊、角焊成形均較美觀

三、后板焊接人數(shù)的優(yōu)化方案

1.機(jī)器人焊接節(jié)拍

機(jī)器人焊接節(jié)拍包括激光尋位時(shí)間+焊接時(shí)間，不計(jì)組對(duì)時(shí)間，機(jī)器人焊接過程中，操作工人可對(duì)另一個(gè)工位的后板進(jìn)行補(bǔ)焊、吊裝工作。單臺(tái)機(jī)器人焊接 時(shí)間如表6所示。

2. 人工焊接節(jié)拍

現(xiàn)階段的后板班組有11人、生產(chǎn)節(jié)拍為25mi n/臺(tái)，其中組對(duì)3人、焊接人數(shù)為6人，清渣工2人；平均到單個(gè)人工焊接時(shí)間如表7所示。

3. 配置焊接機(jī)器人方案

通過以上各種數(shù)據(jù)分析，對(duì)后板配置兩臺(tái)焊接機(jī)器人，每臺(tái)焊接機(jī)器人配置雙工位，鉚接工人后板組對(duì)與焊接采用流水線生產(chǎn)方式，組對(duì)與焊接同時(shí)進(jìn)行，組對(duì)配置3人、操作機(jī)器人配置兩名焊工，焊工在機(jī)器人焊接過程中，可對(duì)另一工位的后板進(jìn)行補(bǔ)焊操作。具體優(yōu)化人員如表8所示。

兩臺(tái)焊接機(jī)器人優(yōu)化工人6名，公司在一定程度上降低了勞動(dòng)成本，特別在生產(chǎn)的淡旺季，機(jī)器人焊接優(yōu)勢更加明顯。

表3 焊接參數(shù)

表4 焊接參數(shù)

表5 焊接參數(shù)

表6 單臺(tái)機(jī)器人焊接時(shí)間（min）

表7 單個(gè)人工焊接時(shí)間 （min）

表8

四、結(jié)語

自卸車箱體后板通過開發(fā)引進(jìn)倒掛式KUKA—KR16型號(hào)焊接機(jī)器人，外帶激光掃描系統(tǒng)的焊接機(jī)器人工作站，從長遠(yuǎn)角度考慮降低了生產(chǎn)產(chǎn)本，提升了生產(chǎn)效率。 并且通過多次試驗(yàn)，對(duì)10mm主板后板工件的焊接，采用合適的焊接參數(shù)，即可保證獲得良好的焊道質(zhì)量。