基于焊接機器人的生產線實踐

浦建峰

（嘉興技師學院，浙江嘉興 314036）

0 引言

工業機器人在生產線中的應用愈加廣泛，尤其在工業自動化生產中，應用各類工業機器人，提升了產品的統一質量，提高了生產效率，并有效節約了人力成本。在工業機器人從事搬運工作時，可以有效降低人工搬運帶來的各類危險隱患；在工業機器人從事焊接工作時，可以有效減少焊接過程對人體帶來的健康影響，并且焊接機器人一旦調試完成，可在一定時間內保持統一的焊接工藝標準，大大提升了焊接產品的成品率與合格率[1-3]。本文闡述了生產線優化與改造的方案設計和過程，重點描述了焊接工業機器人對工件的焊接程序設計方法，以達到預期的焊接質量。

1 原焊接生產線的生產過程

通過進行改造的原焊接生產線，主要生產一種用于某中型機械設備中的零件，如圖1 所示為該零部件的示意圖，左圖為焊接完成的工件整體部分，右圖為焊接完成工件的俯視圖。該零件由兩部分組成，上部分的圓柱體鋼料，該部分鋼料是在前一級生產線中完成組裝后的產物；下半部分是一個矩形鋼板。焊接操作要求將二者的接觸處進行完全焊接，由圖可見，焊縫是一個正圓的形狀。

圖1 應用于某中型機械設備的零件

原生產線的生產流程是：通過傳送帶，將前一級生產線組裝完成的圓柱形鋼料運送至焊接準備工位區域，然后由2 名搬運工人將該圓柱體鋼料取出，運送至焊接操作區，將圓柱體鋼料放置在預先準備好的矩形鋼板之上，并校對位置后，再由1 名焊接工人完成工件與鋼板的焊接。當焊接完成并冷卻后，再由2 名搬運工人將焊接完成的零件整體，搬運回傳送帶之上，運送至下一生產單元進行噴漆處理、驗收和包裝等后續操作。

原生產線在使用過程中，需要至少3 人進行輔助生產，即便是采用了傳送帶運輸這樣的自動化手段，但是在生產和運輸過程中使用的時長較長，且工件重量較大，需要2 人同時搬運。在以往的搬運過程中，也出現過物料摔在地上，對搬運人員造成傷害的案例。而在焊接過程中，由于生產線各工位較為集中，焊接操作的空間較小，導致焊接過程中焊接工位溫度較高，焊接時始終對焊接師傅的人體造成一定危害。因此，針對原生產線的改造勢在必行。

2 生產線整體優化方案

2.1 機器換人

根據生產線優化的目標，確定本設計中，將2 個人工搬運的工位采用ABB 品牌的IRB-1200-7 型號工業機器人替代，工業機器人的搬運工具選用氣動式手爪，以滿足本生產線的物料抓取搬運的要求；將1 個人工焊接的工位采用ABB 品牌的IRB-1410 型號焊接機器人替代，工業機器人的焊接工具選用相應的焊槍和焊機，配以焊料自動化投放系統。

如圖2 所示為生產線整體優化方案的示意圖。圖中傳送帶的作用是在圖片方向自左向右運送零件物料和焊接成品物料。圖中的“搬運機器人”處于傳送帶附近位置，經過調試后，確認可以跟蹤并抓取相應的圓柱體待焊接物料。圖中的“焊接工位”是完成圓柱體料與矩形鋼料焊接的平臺，該平臺首先通過搬運機器人將圓柱體物料運送至此，然后接受焊接機器人的作業。圖中“焊接機器人”是擺放IRB-1410型號焊接機器人和焊機、控制器的位置，在焊接工位物料擺放符合要求后，對物料進行焊接操作。

圖2 生產線整體優化方案示意圖

2.2 動作過程

傳送帶的運行、物料移動的限位、搬運機器人和焊接機器人的運行，均采用西門子品牌的PLC-1200作為總控，物料移動的各個點位位置、物料待焊接位置等均采用位置傳感器、光電傳感器或金屬傳感器進行檢測。搬運機器人和焊機機器人均有各自的機器人控制器，在整條生產線運行過程中，機器人2 個控制器和PLC 控制器是從-主控制關系，通過相互之間的通信協議完成通信，以滿足生產工藝和順序的要求，從而達到協調運作的生產目的。

圖2 所示的生產線運送工作流程如下：

（1）圓柱體物料從上一級生產工作站通過傳送帶運送至焊接操作區，到達指定位置；

（2）搬運機器人將到達位置的圓柱體物料進行跟蹤抓取，抓取后將圓柱體物料移動至焊接工位上，并向PLC 傳送指令，控制傳送臺暫停運轉，直至焊接完成。

（3）搬運機器人在運送至焊接工位的指定位置后，會對工件進行調整，以放置在矩形鋼板的預焊接位置，然后進行焊接準備，生氣焊接保護裝置版，進入等待焊接模式。

（4）在焊接工位準備完畢后，焊接工業機器人進行焊接作業，焊接方式采用二氧化碳氣體保護焊，焊接工藝的調整和焊機的設置一旦完成，一階段內保持不變，直至焊接焊點出現問題后，再進行調整。即在焊接程序中，不對焊機進行控制和操作，焊機參數設定后，焊接時不接受工業機器人控制器的變換參數控制。

（5）圓柱體料與矩形鋼板的接觸面焊接完畢后，焊接工業機器人的控制器向搬運機器人發出指令，隨后焊接機器人恢復待焊接狀態，為下次焊接做準備。搬運機器人將焊接完畢的物料重新抓取。

（6）搬運機器人將焊接完成的物料搬運至傳送帶，然后通過搬運機器人的控制器向PLC 發出通信指令，控制傳送帶運轉，隨后搬運機器人復位待命。

（7）控制傳送帶運轉的PLC 啟動傳送帶，將焊接完畢的物料運送至下一級噴涂、檢驗等工位，隨后將下一個未焊接的圓柱體物料運送至待搬運位置，重復第（1）步。

3 搬運機器人和焊接機器人的應用

3.1 搬運機器人應用程序

本應用選用的是ABB 品牌的工業機器人，ABB工業機器人的編程形式較為簡便，且可采用示教器現場編程。在搬運物料至焊接工位區的過程中，分為以下幾個步驟：（1）搬運機器人的工具進行預抓取動作的準備；（2）移動至被搬運物料上方；（3）下降一定距離并在開合手爪的基礎上，對物料進行抓??；（4）抓取后提起物料；（5）將物料運送至焊接工位區。

這5 步中，第（1）步采用關節運動，第（2）、（3）、（4）步采用直線運動，第5 步采用大關節移動配合直線運動。程序如下：

物料焊接完成后的抓取思路與上段程序思路一致，這里不再贅述。

搬運機器人主要應用ABB 工業機器人的關節運動和線性運動兩種情況，對于手爪開合的函數要根據實際現場情況進行設定，針對對應的I/O 口，完成編程，在每一個動作的過程中，進行一定的延時操作，以確保動作到位，避免抓取失誤、運送失誤、提前松爪。

3.2 焊接機器人應用

根據圖1 右側的俯視圖可以看出，本設計的焊接軌跡是曲線軌跡，因此必須進行相應的曲線軌跡編程。在調試過程中，首先將圓柱體物料擺放至待焊接位置，即矩形鋼板上方并緊密接觸，隨后在手動調試過程中，將焊接軌跡的正圓分為3 個弧線部分，此處不可以分為2 個圓弧，因為ABB 工業機器人中的曲線軌跡中，雖然曲線軌跡指令的弧度最多可以達到π 即180°，但無法保證在編程時的軌跡正好達到180°，一旦第一次調試為179°，那么第二段編程軌跡將會提示出錯；一旦第一次調試為181°，系統也會提示錯誤導致編程和運行失敗。因此，劃分為3 段軌跡后，便可以解決報錯的問題。

焊接工業機器人的工作過程是：（1）將工業機器人調整至焊接預備狀態，此處采用關節運動方式；（2）將焊機開機并調整至待焊接狀態；（3）采用直線運動方式將焊槍位置調整至焊接起點的上方位置；（4）下降至焊接起始點并與焊縫接觸；（5）分別焊接3段弧線；（6）在焊接終點處提起焊槍；（7）關閉焊機；（8）復位至待機狀態，為下次焊接做準備。具體程序如下：

此處焊接過程中，弧線焊接一定要確定關鍵的弧線點，尤其是起止點必須一致，因此程序中第三段弧線的最后一個點位與第一段弧線中的第一個點位一致，均為HQ40。此外，在焊接過程中，必須保持較慢且穩定的速度，以保證焊接工藝效果。

4 結束語

本文闡述了針對某物料焊接生產線的優化改造，將由2 個搬運工人和1 個焊接工人完成的物料搬運、焊接工作，以1 個配備搬運工具的IRB-1200-7 工業機器人和1 個配備焊槍和焊機的IRB-1410 工業機器人代替，提高生產效率，降低人工成本。未來，為了提高焊接和運送效率，可以考慮在生產線傳送帶另一側對稱設計1 個搬運工業機器人和1 個焊接機器人，兩組工業機器人相互配合，同時焊接，可進一步提升焊接生產效率。