“打殼錘頭”自動焊接系統研究與應用

姜聯玉，單志超，宋文強，孫長好，王健，王剛

（1.內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 通遼 029200；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 打殼錘頭自動焊接系統概述

打殼錘頭自動焊接系統主要由下料系統和組焊系統組成，包括焊接機器人、搬運機器人、切割機器人、系統控制柜、全數字脈沖MAG焊接電源、變位機、剪絲清槍站、搬運機器人定制抓手、焊槍防碰撞裝置、焊縫跟蹤功能、評審焊接軟件包、等離子切割機、鋼管上料架、切管機輸送料架、焊接工件儲料框、焊接工件轉運輸料系統、焊接旋轉平臺夾具、主電源控制柜、控制電纜、供電電纜、煙氣集塵回收裝置、安全圍欄、安全門鎖、安全光柵、安全報警器等配套設施組成，組建全工序流程自動化機器人焊接工作站，可以改造目前打殼錘頭維修焊接采用人工進行切割、下料、搬運、組對焊接等煩瑣的維修流程，實現自動化流程生產工作，解決了維修打殼錘頭煩瑣的焊接工序，替代人工手弧焊接作業，從而提高自動化水平，減少人員作業強度，降低安全風險，提高生產效率。

2 打殼錘頭自動焊接系統優勢

（1）切割下料區與組對焊接區完美結合，切割機器人、搬運機器人與切割定位旋轉料架配合切割下料，搬運機器人與物料框移動周轉系統配合下料與上料，焊接機器人焊接。（2）尾管下料開坡口一次完成，提高下料效率，同時避免舊管尺寸不穩定造成坡口不一致，導致組對及焊接缺陷。（3）分部組對，可有效保證焊縫相對位置及組對質量，省去機器人尋位過程，簡化流程，節約節拍。

3 主要設備說明及技術參數

打殼錘頭自動焊接系統包括三大區域：機器人切割下料區、機器人組焊區以及總控區，如圖1所示。

圖1 打殼錘頭自動焊接系統區域劃分

3.1 機器人切割下料區

機器人切割下料區包括：切割機器人、搬運機器人、切割定位旋轉輸料架、廢料回收箱、廢料回收轉運裝置、物料框移動周轉系統、等離子切割機。

3.1.1 切割機器人

（1）切割機器人本體。機器人選用6關節機器人，根據示教的運動軌跡（作業），能夠自動完成工件的焊接作業。（2）機器人控制器。機器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。其開放、安全、更具靈巧性。SRC M5為新一代控制系統提供了堅實的平臺，同時，系統的穩定性、效率和靈活性得到了提高。SRC M5提供了必要的開放接口來達到系統集成的需求。

3.1.2 搬運機器人

（1）機器人本體。機器人選用6關節機器人，該機器人采用修長的延長臂設計，大幅度擴展工作空間，工作范圍高達3007毫米。六軸機器人中的長臂王，專為長距離作業設計。尤其適合高負載高效的長距離搬運、上下料等制造領域。（2）機器人控制器。機器人控制器采用新松自主品牌SRC G5新一代控制器。其開放、安全、更具靈巧性。系統的穩定性、效率和靈活性得到了提高。結構緊湊，模塊化設計，節約空間。配備智能冷卻系統，采用智能溫控，實時監控柜內溫度，環保降噪。SRC G5提供了豐富的外部接口，支持應用的擴展與定制。

3.1.3 搬運端拾器

（1）搬運端拾器采用單氣抓形式，由法蘭、連接板、氣抓、手指組成，工作原理為法蘭連接機器人6軸，連接板連接固定氣抓與手指，氣抓由氣源為主動力，實現手指的開與合完成抓取動作。（2）搬運端拾器分別抓取舊管、連接管、尾管。（3）搬運端拾器氣爪，單爪行程20mm、夾緊力12500N、最小夾緊力2200N、重量17.2kg、最大抓取重量51.5kg。

3.1.4 切割定位旋轉輸料架

切割定位旋轉輸料架系統包括原材料料架、原材料料架頂端旋轉機構、原材料料架頂端頂升機構、進給機構、切割定位平臺機構設備。

（1）原材料料架主要用于存放6m長管料，略有傾斜，管料可依次向下滾動，通過料架頂端旋轉定位機構、料架頂端頂升機構等，自動把物料送至進給機構上，無須人工干預。此處機構主要由原材料料架、頂端頂升機構、頂端旋轉機構組成。（2）進給機構配有V型支架、伺服電機、電氣控制系統，通過伺服控制，可精確控制管料徑向及軸向位置，保證切割質量。（3）切割定位平臺由移動定位機構、滑臺機構、氣缸、除塵罩和限位傳感器組成，工作原理為進給機構夾持原材料與舊管到達切割定位平臺位置，移動定位機構移動在切割位置，氣缸帶動檔板伸出，原材料或舊管觸碰氣缸擋板，完成動作，機器人切割，廢料由機器人抓取落入廢料回收箱。

3.1.5 廢料回收箱轉運裝置

廢料回轉箱轉運裝置，主要由地軌、廢料回收箱、電氣元件組成。工作原理為：在機器人切割后，廢料由機器人放入廢料回收箱中，待廢料回收箱裝滿，人工在站外點擊操作臺，廢料會滑動到站外，在由人工將滿載廢料回收箱取走，放上空廢料回收箱，觸碰按鈕，空廢料回收箱回到站內預定位置。

3.1.6 物料框移動周轉系統

物料框移動周轉系統主要由鋼機構、料倉、氣動元件組成，尾管與連接管切割后豎直擺放，一次存放尾管12根、連接管12根，同時便于機器人定位抓取，下部由氣缸帶動可實現直線運動，方便運輸。

3.1.7 等離子切割機

采用Cutmaster A120等離子切割機，額定輸出120Amps。

3.2 機器人組焊區

機器人組焊區包括：焊接機器人、搬運機器人、托輥變位機、焊槍、焊機、尾管對中臺、合金打錘頭上料框、成品下料框。

3.2.1 焊接機器人

（1）焊接機器人本體。機器人選用6關節機器人，根據示教的運動軌跡，能夠自動完成工件的焊接作業。（2）機器人控制器。機器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。其開放、安全，更具靈巧性。SRC M5為新一代控制系統提供了堅實的平臺，同時，系統的穩定性、效率和靈活性得到了提高。SRC M5提供了必要的開放接口來達到系統集成的需求。

3.2.2 搬運機器人

搬運機器人本體及機器人控制器與焊接機器人相同。配備智能冷卻系統，采用智能溫控，實時監控柜內溫度，環保降噪。SRC G5提供了豐富的外部接口，支持應用的擴展與定制。

3.2.3 機器人外部軸

機器人焊接時，需要外部設備如桁架、變位機等協同動作，使機器人以最佳焊接姿態焊接，保證焊縫質量。相關外部設備需要采用機器人外部軸系統，和機器人六個本體軸一起，由機器人控制器統一控制，以實現聯動功能。

3.2.4 智能焊接軟件

新松智能焊接軟件功能包括接觸式傳感檢測、焊縫電弧跟蹤、斷續焊、多層多道焊、電弧重啟、斷點恢復、焊縫程序參數化模板、熄弧優化調整、擺弧功能模塊、故障及報警顯示、粘絲自動解除、氣體壓力監控等功能。

（1）接觸式傳感檢測。接觸傳感檢測功能主要包含三方向傳感、起始點檢測、終點檢測、圓弧傳感、接觸探測傳感等功能。保證焊接過程不受工件的來料加工、組對拼焊和焊接裝夾定位帶來的焊縫位置有偏差的影響，自動尋找焊縫位置并識別焊接情況，保證能夠順利準確地焊接。（2）焊縫電弧跟蹤功能。焊縫的電弧跟蹤功能用于：當實際的焊縫軌跡偏離示教程序軌跡或工件在焊接過程中工件發生熱形變時，機器人通過焊接過程的數據搜集、處理，實時修正補償運行軌跡，確保焊槍末端運行軌跡始終在焊縫上。同時，電弧跟蹤功能可以實現復雜曲線的跟蹤，確保了電弧跟蹤的實用性。在焊接過程中，通過電弧跟蹤功能，實時調整焊槍位置，保證焊絲的干伸長度不變，保證了焊接過程的穩定性，確保整條焊縫成型的一致性。（3）多層多道焊接。在焊接生產中某些工業焊板較厚，焊接一道焊縫無法滿足工藝要求，需要焊接多道，甚至多層多道。傳統的機器人焊接方式無法滿足生產效率的要求，為了使用簡便快捷，新松機器人開發了多道焊模塊。（4）電弧重啟。通過電弧重啟功能，可以實現在焊接起始點起弧困難時，機器人進行小范圍移動，在不同地點起弧成功后，機器人回到焊接起始點繼續焊接。增加起弧成功率，保證系統連續運轉。（5）粘絲自動解除。通過粘絲自動解除功能，新松機器人可以在焊接結束后，判斷焊絲是否粘在焊縫處。之后進行自動解除。同時，配有焊槍清槍站，能夠實現自動清槍、剪絲、噴油?？梢员３窒到y連續。（6）斷點恢復。如果機器人在焊接過程中出現了問題，導致焊接中斷。排查問題后，機器人可以通過斷點恢復功能，在焊接中斷點繼續焊接。（7）參數設置?？梢詫﹄娏鳌㈦妷?、焊接速度、擺弧等焊接參數進行設置存儲、調用等。（8）氣體壓力監控。在焊接過程中，氣體壓力監控實時監測氣體壓力，如果壓力低于設定值，將發出警報。（9）生產監控系統。具有專家系統的新松機器人弧焊監控系統，通過對機器人信息的采集，不僅能夠監控電流電壓等與焊機相關的參數，而且能夠監控機器人工作狀態、作業運行情況等信息，使得管理更加現代化、全面化，大大提升機器人焊接過程的管理效率。

3.2.5 托輥變位機

采用托輥變位機進行焊接、組對時，搬運機器人先將合金錘頭和連接管上料至托輥上，定位機構升起，推緊機構推緊，保證合金錘頭插入連接管，然后，焊接機器人對焊縫進行點固。托輥變位機采用機器人外部軸控制，可精確控制轉速及啟停位置，有效保證焊接質量。

3.2.6 焊機系統

焊接電源采用松下500GL焊機，適合碳鋼材料的焊接和不銹鋼的非脈沖焊接。

3.2.7 搬運端拾器

（1）搬運端拾器采用單氣抓形式，由法蘭、連接板、氣抓、手指組成，工作原理為法蘭連接機器人6軸，連接板連接固定氣抓與手指，氣抓由氣源為主動力，實現手指的開與合完成抓取動作。（2）搬運端拾器分別抓取舊管、連接管、尾管。

3.2.8 焊槍系統

（1）焊槍。采用德國TBi82W水冷夾絲機器人專用焊槍，RM 82W高剛性槍頸，超強水冷效果，水路直達噴嘴座，噴嘴進一步優化，采用夾緊設計強制散熱，特殊黃銅槍頸，不粘連飛濺的同時保證高剛性，無須使用校槍器。（2）機器人防撞裝置。采用德國TBi KS-2 MIG機器人焊槍防撞裝置，在發生碰撞的情況下，TBi的防撞傳感器可以有效地保護機器人和焊接系統。（3）自動清槍裝置。德國TBi BRG-2-ES-DAE新型清槍站配有封閉式噴油倉，防飛濺劑可以直接噴射至焊槍槍頭，機器人工作區不會受到污染，防飛濺劑用量也會減少。

3.2.9 尾管對中臺

尾管組對時，需要保證切割面和連接管有1mm間隙，搬運機器人從尾管料框抓件后，需要進行二次定位。使用重力對中形式對尾管切割面進行定位，重力對中臺支撐柱上有萬向滾珠，一側有限位，尾管可依靠重力自行滑到限位位置對中。

3.2.10 合金打錘頭上料框

打錘頭上料框由料倉、供料機構及定位機構組成。料倉寬度與工件長度一致，有一定坡度，管料可依靠重力自行向一側靠近；供料機構可自動頂升，每次向定位機構提供一個物料；定位機構依靠氣缸推緊物料定位，有效保證機器人抓取位置的一致型。

3.3 總控區

3.3.1 安全圍欄及遮光板

工作站四周設置安全圍欄，用于安全防護，防止機器人運動時人員進出自動化區域。生產線工作區采用圍欄分開，保證設備安全。

3.3.2 電氣控制系統

（1）控制系統綜述?？刂葡到y采用PLC控制，采用LAD語言編程并有詳盡準確的符號說明；系統配備獨立觸摸屏和豐富的可視化界面，方便產品配方生成、設備狀態監視和手動操作、系統報警信息顯示和處理；PLC與現場智能站之間采用Profinet現場總線通訊方式，保證通信的實時性和安全性，與本地外圍設備之間采用無源接點IO形式通信。（2）控制系統功能。觸摸屏畫面包括自動操作畫面、手動選擇畫面、報警畫面、系統畫面和I/O狀態監視畫面等豐富功能，詳盡顯示系統運行狀態及參數。

3.3.3 除塵系統

機器人采用罩式除塵系統。該系統由煙塵凈化器、集塵罩、照明系統、管道等組成，主要安裝在固定支架上，保證有效吸收機器人切割與焊接時產生的煙塵。

3.3.4 上位機控制系統

生產和管理人員可以利用上位機系統，監控整條自動焊接系統的工作情況，獲取機器人參數和焊接參數等多種信息。完成焊接數據信息化管理、機器人焊接設備管理、焊縫質量評估等方面，實現相關數據的分析處理、數據存儲、質量追蹤等功能。

4 結語

打殼錘頭自動焊接系統的使用能夠有效簡化流程，節約人力物力，對于提升焊接效率和質量有重要的現實意義，且精準度高，企業將其應用于作用中能夠提升企業競爭力，為企業帶來更大的經濟效益。