播種機機架焊接機器人柔性工作站設計*

李西洋，成　斌，李成松，宋海草，張　惠

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832003)

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播種機機架焊接機器人柔性工作站設計*

李西洋，成斌，李成松，宋海草，張惠

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832003)

摘要：為使多種型號播種機機架在同一工作站完成自動焊接，提出一種以IRB1520ID弧焊機器人為執行器、以ABB IRC5為控制核心的焊接自動化工作站。針對不同型號的播種機邊梁在結構上的差異性，采用模塊化理念，設計了快速換裝的定位加緊平臺。將單軸變位機頭座和尾座設計成可沿軌道自由滑動的結構，解決不同型號播種機機架總裝焊接膜寬不同的問題。創新性的設計了集播種機邊梁焊接和總裝焊接于一體的機器人柔性工作站，文章重點介紹了柔性工作站的組成、柔性裝夾平臺、控制系統。

關鍵詞：播種機機架；機器人工作站；柔性工裝；控制系統

0引言

播種機機架是播種機的主要構件，具有結構尺寸大，受力強度高，裝配和焊接精度高等特點，播種機機架焊接精度是保證播種機質量的基礎，對播種機整體性能有重要影響。目前播種機機架焊接多采用人工焊接操作，存在焊接強度不夠、焊接質量差等問題[1-2]。為了保證定位精度和剛度，傳統播種機機架裝配工裝主要采用剛性結構，即采用專用工裝，播種機機架焊接生產未考慮不同型號間的相似性，焊接生產作業轉換頻繁，生產總流程時間長、設備利用率低。

焊接機器人柔性工作站立足于可重構的模塊化調節，適應各種生產條件變化的作業系統，適用于多品種小批量生產[3]。在已有文獻中，主要研究集中在汽車、航空、電子和工程機械制造領域，王浩等[4]針對鋁合金腳手架結構弧焊任務以焊接機器人為操作中心，創新性的設計了孔槽結合的柔性化裝夾平臺；趙文[5]采用焊接機器人和龍門專機為核心的焊接單元，實現端墻的自動定位和傳輸的自動化焊接的柔性端墻生產線；張驥豐等[6]設計了錐形定位夾緊裝置，可以適應不同寬度挖掘機斗桿的裝夾，滿足多種大小不同型號的挖掘機斗桿的自動焊接；李文強等[7]針對飛機蒙皮的裝配研制了一套吸盤式柔性工裝系統，替代了多個固定工裝。

當前，我國農業機械存在品種系列多，生產規模小，加工工藝落后等問題[8-9]。本文對農業機械柔性焊接生產進行研究，結合播種機機架尺寸大小，形狀復雜等特點，對播種機機架柔性工作站進行分析，設計了一種適合2MBJ系列4種不同型號播種機機架邊梁焊接及機架裝焊于一體的焊接機器人柔性工作站。

1焊接工作站布局

1.1播種機機架結構

2MBJ系列播種機機架主要有左邊梁總成、右邊梁總成、前梁和后梁等部分組成，如圖1所示。不同型號播種機由于適宜地膜寬度不同，其前梁、后梁和擋膜桿對應長度分為四種，左、右邊梁總成間距分別為750mm、800mm、1300mm、2100mm。左、右邊梁總成中的四連桿豎桿總成結構有兩種，如圖2所示。因此要求工作站滿足四種不同型號播種機機架，以及兩種四連桿豎桿總成的焊接。

待焊結構件材質為Q235、Q345，焊縫形式主要為直角焊縫，要求焊接飛濺量小，焊縫成形好，結合生產實際和成本分析，本工作站采用非脈沖MIG焊。播種機機架的焊接過程主要有以下步驟：①左、右邊梁總成(共22個組件)焊接；②前梁、后梁和擋膜桿與左、右邊梁總成連接裝焊。

1.右邊梁總成 2.左邊梁總成 3.后梁 4.擋膜桿 5.前梁

圖2　兩種四連桿豎桿總成結構

1.2工作站整體布局

本文所涉及的播種機機架柔性工作站采用雙機器人同步工作，設備主要由機器人、導軌、單軸變位機、焊接工作臺、前后梁支撐架、清槍剪絲機構、控制柜、焊接電源、安全護欄、機器人安裝底座等組成，整體布局如圖3所示。該部件的總體結構是在CATIA環境下進行建模的，其中，機器人安裝在導軌Ⅰ上，根據結構件焊接作業要求，機器人工作最大半徑為1520mm，可沿X方向最大移動1695mm；為了實現對不同型號尺寸的播種機機架進行焊接，在方案設計中，將單軸變位機Ⅰ兩端座分別安裝在導軌Ⅱ、導軌Ⅲ上，可做X方向整體自由運動1589mm；考慮到工人站立作業的高效舒適性，焊接工作臺裝夾工作面距地高度設計為950mm[10]；前后梁支撐架安裝在滾珠導軌上，沿X方向移動適應不同膜寬前梁、后梁和擋膜桿的支撐及定位。

焊接時首先通過交互式觸摸屏選擇對應型號待焊播種機機架，確定工作站系統相應的運行模式。單軸變位機工作使左、右邊梁焊接工作臺旋轉到水平位置，工人將左、右邊梁待焊結構件定位并加緊在相應位置，工人退出安全護欄區域，焊接機器人執行焊接工作，焊接完成后變位機翻轉180°，機器人繼續執行左、右邊梁焊接任務，完成后，裝夾右左邊梁的變位機及相應的焊接機器人沿X軸方向移動到相應型號播種機膜寬位置，焊接工作平臺翻轉相應角度使左、右邊梁相對，工人將前梁、后梁和擋膜桿裝夾在前后梁支撐架上，機器人執行機架總焊裝任務，焊接工作執行時，安全護欄工作區域內禁止工人入內，如有進入則執行急停命令。

1.安全護欄 2.機器人 3.焊槍 4.單軸變位機Ⅰ 5.前后梁支撐架 6.焊接工作臺 7.單軸變位機Ⅱ 8.清槍剪絲機構 9.導軌Ⅰ 10.導軌Ⅱ 11.導軌Ⅲ 12.焊接電源 13.控制柜 14.機器人安裝底座

圖3播種機機架柔性工作站示意圖

2柔性工作站主要機械結構

2.1柔性焊接工裝平臺設計

(1)邊梁焊接夾具

本套焊接夾具主要有支撐底板、垂直式鉸鏈—杠桿夾緊器、推拉式快速水平夾緊器等構成，如圖4所示。應用六點定位原理將工件的六個自由度全部限制在夾具中確定的位置，定位主要以支撐底板和擋鐵限制。夾緊由夾緊器完成，夾緊裝置采用手動快速夾緊，快速方便且維護方便。側向夾緊采用推拉式快速水平夾緊器，垂直方向夾緊采用垂直式鉸鏈—杠桿夾緊器，夾緊器壓緊頭部為平底橡膠壓頭，設置它的目的在于當壓緊裝置使工件向預變形裝置推動并變形時，防止工件上翹。

1.推拉式快速水平夾緊器 2.垂直式鉸鏈—杠桿夾緊器 3.支撐底板 4.擋鐵

圖4邊梁焊接夾具

針對左、右邊梁總成中兩種四連桿豎桿總成的焊接需滿足在同一平臺快速轉產換裝的要求，采用模塊化的設計理念，在四連桿豎桿總成結構一轉換為結構二生產時，將夾緊器螺栓擰開，在夾緊器下安置可拆卸定位塊，并把螺栓擰緊，最后重新調整夾緊器壓頭至相應高度，如圖5所示。

(2)總裝焊接夾具

播種機機架總裝焊接夾具以安裝在滾珠導軌上的兩個支撐架上端面為作業平臺，兩個支撐架間的距離依據播種機機架型號的不同可自由調整，如圖6所示。前梁和后梁采用垂直式鉸鏈—杠桿夾緊器夾緊。擋膜桿采用搭配鋼梢的彈簧側向定位柱夾緊，側向定位柱由壓入方式安裝，如圖7所示。彈簧側向定位柱利用自動復位功能在夾緊及取放擋膜桿時無需外力幫助。

圖5　四連桿豎桿總成裝夾示意圖

1.垂直式鉸鏈—杠桿夾緊器 2.彈簧側向定位柱 3.支撐架 4.后梁 5.擋膜桿 6.前梁

圖6總裝焊接夾具

1.支撐架 2.彈簧側向定位柱 3.擋膜桿

2.2變位機及導軌設計

本套焊接系統配置的變位機由變位機頭座、變位機尾座、專用工裝夾具等部分組成。配置雙工位單軸變位機，變位機的回轉采用了與機器人聯動的交流伺服電機，配合機器人在任意轉動角度完成焊接動作，驅動精度可靠，速度可調。變位機各結構件均采用優質鋼材焊接而成，并進行退火等工藝處理，以保證結構件的強度。變位機變位角度范圍為±180°，設計平均旋轉速度為90°/s。

為滿足播種機機架總裝焊接不同型號膜寬的特點，單軸變位機Ⅰ頭座和尾座設計成沿軌道自由滑動的結構；焊接機器人為適應不同型號膜寬變化的焊接任務，將其基座安裝在導軌上，如圖8所示。焊接機器人、單軸變位機頭座和尾座所在導軌均采用交流伺服電機控制，與機器人聯動，設計運動平均速度為1.2m/s；前后梁支撐架在人力作用下可沿滾珠導軌自由滑動。

圖8　變位機及導軌結構

3控制系統設計

控制系統對象是由18臺交流伺服電機，用于限位、檢測及防撞保護的開關以及其它配套保護及控制元件組成。本工作站控制系統以ABB IRC5為控制核心，該控制器適用于復雜生產環境中的應用。工業控制計算機通過系統總線對現場數據進行采集、處理。數字量輸入輸出模塊通過二進制控制信號和電隔離信號的轉換完成控制層與執行層的通信；通過伺服、驅動控制接口對交流伺服電機速度、位置等進行控制，作業動作主要包括機器人本體執行焊接動作、變位機翻轉切換焊接工裝平臺作業面、導軌帶動焊接機器人及變位機Ⅰ頭座和尾座移動工作位置；通過傳感器對焊縫、輪廓進行追蹤，對壓力、聲光信號進行采集反饋，從而實現工作站自動有序的進行焊接生產工作。控制系統結構如圖9所示。

圖9　控制系統結構圖

4結束語

焊接工藝裝備是農業機械制造中的重要環節，設計機器人柔性焊接工作站對提高播種機制造質量、提高焊接效率及降低工人勞動強度有重要意義。本文重點對柔性焊接工作站布局、柔性焊接工裝平臺、裝夾定位方式和控制系統進行設計，通過系統總線使得焊接機器人、變位機和導軌運動協調聯動。解決的關鍵技術如下：

(1)設計出滿足不同型號邊梁、不同膜寬總裝焊接的裝夾平臺，解決一套工裝只能裝夾一種型號播種機待焊件的問題；

(2)解決播種機機架邊梁焊接和總裝焊接一體化焊接工作站設計；

(3)解決工件的快速裝夾定位，柔性工裝減少傳統焊接方式中工裝的數量，縮短生產準備時間。

[參考文獻]

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[4] 王浩,任漢能,薛建彬,等. 鋁合金型材自動化焊接工作站設計[J]. 組合機床與自動化加工技術,2013(3):5-8,11.

[5] 趙文. 柔性敞車端墻自動化焊接生產線技術改造[J]. 焊接,2014(6):59-62,72.

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[10] 郭伏,錢省三. 人因工程學[M]. 北京:機械工業出版社, 2006.

(編輯李秀敏)

Design of Welding Robot Flexible Workstation of planter Frame

LI Xi-yang, CHENG Bin, LI Cheng-song, SONG Hai-cao, ZHANG Hui

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi Xinjiang 832003, China)

Abstract：In order to make the various types of planter rack complete automatic welding in the same workstation, proposed to a kind of to IRB1520ID arc welding robot as the actuator, ABB IRC5 as the control core of welding automation workstation. according to different types of planter edge beam have different structures, used the modularization concept and designed and Designed the positioning clamping platform can achieve quickly change the fixture. The uniaxial displacement's head stock and tailstock designed to can along to the track be freely slidable structures to resolve different types of planter frame assembly bonding film width different problems. the article focuses on the composition of flexible workstations, flexible clamping platform control system.

Key words：planter frame; robot workstation; flexible tooling; control system

中圖分類號：TH165；TG409

文獻標識碼：A

作者簡介：李西洋(1991—)，男，烏魯木齊人，石河子大學碩士研究生，研究方向為生產系統與集成技術，(E-mail)ielixiyang@163.com；通訊作者：成斌(1961—)，男，新疆石河子人，石河子大學教授，研究方向為工業工程、農業機械化工程，(E-mail)634992417@qq.com。

*基金項目：石河子大學科學技術研究發展計劃項目(2014ZRKXQ06)

收稿日期：2015-03-04；修回日期：2015-04-02