機器人焊接站在人防設備生產中的應用

朱奮飛 常甲興 胡鵬飛

（上海地空防護設備有限公司，上海 200441）

0 引言

人防工程防護設備簡稱“防護設備”，是指設置在人防工程的各種孔口部位，用以阻擋或削弱武器的殺傷破壞效應進入到工程內部，保障工程內部安全的各種設備，最基本的防護功能是防沖擊波和化學毒劑，主要分為鋼筋混凝土門和鋼結構門，隨著我國人防事業的發展，鋼結構門已經成為防護設備的主流產品。防護設備的生產步序主要包括門框拼裝焊接、門扇拼裝焊接、鉸頁閉鎖等組件的生產裝配，其中雙扇清潔通風防護密閉門包括門框、門扇、鉸頁、閉鎖、密閉小門、懸板活門等部件。

焊接機器人的基本原理是示教再現，由用戶引導機器人，一步步按實際焊接軌跡操作一遍，在引導過程中機器人會自動存儲示教的每個動作的位置、姿態、運動參數、工藝參數等，并自動生成可連續執行全部操作的程序。焊接機器人完成一項焊接任務，只需一次示教，即可精確的再現示教的每一步操作。以日本川崎BA006N垂直多關節6軸焊接機器人為核心，根據零件規格尺寸，設計伺服旋轉平臺，進行工位切換，根據零件結構，設計柔性工裝夾具，操作人員示教編程后，只需把物料裝載到夾具上，機器人將在對應的工位上自動焊接，降低對工人操作的難度，改善勞動條件，保證焊接質量，提高生產率。

1 焊接站組成與布局

機器人焊接工作站以弧焊機器人為核心，周邊配備必要的設備，使之構成一個系統，互相協調的進行工作，成為弧焊柔性制造單元。本站采用封閉空間，長7000mm，寬6000mm，高2000mm，主要由焊接機器人，焊機（包括焊槍、防撞器、弧焊電源、送絲機和氣瓶等），伺服轉臺，工裝夾具，安全護欄組成，另設備附近要求提供：壓縮空氣6BAR，電源380V。采用人工上件的方式，手動夾緊工件的形式，焊接完成后，人工下料。

為滿足工作效率最大化，可單次裝入4件同樣規格的產品，采用伺服電機驅動，分四個工位進行旋轉切換，采用柔性工裝夾具，定位精度≤±1mm，選配工將夾具安裝到旋轉臺上，確認上件完成之后，啟動轉臺至待焊工位，機器人自動焊接，焊接期間人工繼續上件，確認焊接完成，啟動轉臺，機器人自動焊接，焊接期間人工卸件，卸件后繼續上件，保證整個工序連續。本自動焊接站焊接工件材質以Q235/Q345為主，45#為副，工件最大尺寸范圍：B450×350×H360。機器人焊接站的整體布局如圖1所示。

圖1 焊接工作站布局圖Fig.1 The layout plane of welding station

2 工裝夾具設計

為降低焊接過程中焊接熱變形的影響，保證焊接物料正確的相對位置，給焊槍提供足夠的焊接空間，降低物料定位的復雜程度，提高焊接速度，使工件處于最佳的施焊部位，形成良好的焊縫，便于裝卸焊接，根據鉸頁座、閉鎖支座、承重臂等零件結構，設計柔性工裝夾具。

工裝夾具的底板在不同的位置上加工螺紋孔，當工件大小不同時，調節定位器到不同的位置，選擇合理的夾緊力作用點，為降低成本，采用手動杠桿鉸鏈加緊機構，搖柄和連桿在一條直線上時，壓緊桿與工件垂直，形成自鎖，操作方便，夾頭開度大，便于裝卸工件，加緊元件壓塊材料采用橡膠，防止在加緊過程中損壞加緊機構，加緊機構如圖2所示；根據鉸頁座零件結構，設計鉸頁座工裝夾具如圖3所示；根據支座零件結構，設計支座工裝夾具如圖4所示；根據承重臂零件結構，設計工裝夾具如圖5所示。使用SolidWorks建立零件及工裝夾具模型，進行干涉檢查、碰撞實驗、運動仿真，效果良好。出圖加工后，工裝夾具的剛度，機械結構均滿足機器人焊接要求。在實際生產過程中，工裝夾具工作良好，將進一步完善其他零配件的工裝設計，形成配套標準化生產。

3 機器人焊接流程

在防護設備焊接中，以二氧化碳氣體保護電弧焊為主，本站焊接機器人末端執行器是弧焊焊槍時，可高度柔性化地進行弧焊焊接作業。機器人焊接參數的設定是通過程序來實現的，為提高機器人焊接工藝性能，必須熟練焊接機器人編程。

圖2 加緊機構Fig.2 Tightening mechanism

圖3 鉸頁座工裝Fig.3 Hinge seat fixture

圖4 支座工裝Fig.4 Support fixture

圖5 承重臂工裝Fig.5 Load-bearing arm fixture

AS語言是用于川崎機器人而研制的機器人控制語言，屬于面向機器人的語言。執行程序時，從上開始順序按各個步驟使機器人進行規定的動作。因程序和位置數據是分離的，所以可對位置數據命名，即機器人示教當前位置時，對示教的點命名，使其存儲2種位置信息，即機器人的位置和姿勢，可使用此語言完成復雜精確的編程任務。另外本站可使用示教器進行直接示教，快速地在基礎坐標系、關節坐標系、工具坐標系之間切換，快捷而準確地獲取信息，將每一步示教等空間位置、焊槍姿態及焊接參數等，順序精確的存儲，使機器人能將示教信息再現，在再現模式下，循環往復的對工件進行焊接。

本站焊接工藝及流程與傳統焊接工藝及流程主要區別：

（1）增加了工裝制作，工裝是為了方便將待焊接的材料（備料）固定在機器人的待焊接區域內，從而保證機器人快速、高效地焊接操作。

（2）在裝配上，傳統的焊接一般由鉚工裝配，再由電焊工進行焊接作業；而機器人焊接，需要操作工將備料固定在工裝上，然后固定好工裝，由機器人自動焊接。本站焊接流程：①吊裝選定產品的工裝夾具，安裝在選裝臺上；②確認上件完成之后，啟動轉臺，待焊工件轉至待位位置；③人工繼續上件，焊接機器人示教再現，進行焊接；④確認焊接完成，啟動轉臺，人工卸件，焊接機器人示教再現，進行焊接；⑤循環進入重復執行流程。

4 焊接效果及檢驗

從圖6可以看出，焊縫成形美觀一致，表面波紋細密，焊接質量好。根據GB/T19866-2005《焊接工藝評定及評定的一般規則》和GB/T19868.3-2005《基于標準焊接規程的工藝評定》，我廠根據焊接檢驗標準設計焊接試件如圖7所示，進行對接焊縫焊接工藝與角焊縫焊接工藝的評定，使用焊接機器人進行焊接后，送至第三方資質機構進行抗拉檢驗，實驗結果符合要求。

圖6 機器人焊接實際效果圖Fig.6 The actual renderings of Robot welding

圖7 實驗試件Fig.7 Test specimen

5 結束語

采用焊接機器人代替人工操作已成為焊接生產發展的一個方向，不僅僅能保證焊接質量，提高生產效率，還能改善工人的作業環境，降低人工成本。應用焊接機器人是焊接自動化革命性進步，突破了焊接剛性自動化傳統方式，開拓了一種柔性自動化方式。因此我公司積極引進焊接機器人，在防護設備制造行業進行設備升級的探索，也是本行業對機器人焊接技術的探索，目前只是部分工件的批量生產，將進一步完善焊接機器人在防護設備生產中的應用。

[1]趙唯.SolidWorks在人防工程防護設備生產中的應用[J].工程建設標準化，2016，8.

[2]川崎機器人操作手冊[Z].

[3]GB/T19866-2005《焊接工藝評定及評定的一般規則》[S].

[4]GB/T19868.3-2005《基于標準焊接規程的工藝評定》[S].