经济型弧焊机器人电子集成系统的应用

国际金属加工网 2016年07月28日

 所谓弧焊机器人,一般指6轴机器人本体,夹持重量为6KG;另外,还应包括一套控制系统和焊接系统(焊接电源、焊枪及水冷系统、焊接软件系统等)。其它:起始点寻找、焊缝跟踪等,需要特殊订货。为完成一项弧焊机器人工程,除需要弧焊机器人以外,还需要实用的周边设备。弧焊机器人与周边设备组成的系统,称弧焊机器人集成系统。

 周边设备的设计依据是上机焊接的工件,由于焊件的差异很大,需要的周边设备的差异也就很大,繁简不一。从焊件的焊接要求分析,周边设备的用途大致可分为三种类型。

 其一,简易型,周边设备仅用来支持机器人本体和装夹焊件,如:C型架、平台以及夹具等。

 其二, 工位变换型, 该型除具有上述功能外,还具有工位变换功能。其周边设备除具有上述装置外,还可能包括单、双回转和倾翻%回转式变位机等;

 其三, 协调焊接型,  该型除具有上述功能外,还具有协调焊接功能。其周边设备除具有上述设备外,还可能包括一个或多个做成外部轴的变位机、龙门架及滑板、地轨及滑板等。弧焊机器人是成熟、标准、批量生产的高科技产品,价格不贵。但设计一项弧焊机器人集成系统,  其上述周边设备是非标准的。这些设备需要专业设计和非标产品制造,其价格是比较昂贵的。在结构件生产上,企业的竞争一方面要装备弧焊机器人,进步产品质量;另一方面要减少设备投资,降低产品本钱。这是企业家考虑的事。

 另外,从技术方面考虑,购置机器人不能脱离企业技术现状。采用机器人焊接的前道工序,下料精度,组对精度都有严格要求。假如达不到要求,就会导致机器人应用失败。尤其是复杂焊件,题目更比较突出。

 从现实技术和优化投资的角度综合考虑,提出了发展、装备经济型弧焊机器人集成系统的思路。这种思路于九十年代在某合资企业已经成功应用。

 工程机械行业电子集成系统中弧焊机器人的应用

 工程机械行业是国民经济支柱产业之一,始建于1961年。在六、七十年代,工程机械分为八大类。自“七五”以后,随着国民经济、国防建设的发展, 给工程机械提供了较大的发展空间,产品品种、产量均有大幅度增长。中国工程机械产业协会把工程机械扩展到18类122组产品,形成了18个协会分支,会员单位约1000个生产厂家。本文所讨论的题目仅涉及到工程机械行业的主要企业,即:挖掘机械、装载机、推土机和工程起重机等生产厂家。在“八五”期间,由部委专项经费支持,一些装载机、推土机厂家装备了焊接机器人集成系统和柔性生产线。

 1、机器人电子集成系统装备和应用的基本情况

 拥有弧焊机器人集成系统的厂家约20余家。其中,装载机行业大约9家,推土机行业5家,工程起重机行业大约3家,挖掘机行业大约5家。其中,包括多条弧焊机器人柔性生产线。这些弧焊机器人电子集成系统,全部是进口的。包括:igm、cloos、ABB及3K(安川)等厂家的产品。设备购置系统用度很高,一个焊接单400-500万元;一条柔性生产线1500-3000万元。昂贵的设备投资,应用情况基本为不理想。相比之下,一些外资企业,要么没有装备焊接机器人;要么装备的焊接机器人,应用效果很好。

应用的具体情况如下:

(1)几条焊接机器人柔性生产线,全部不能实现设计功能。较好的生产线,做单机使用;应用比较差的生产线,差到千余万元的设备,一次没有应用;

(2)弧焊机器人单机也没有达到设计要求。使用较好的, 可焊率达到设计要求的40-50%,或20-30%应用差的,差到几百万元的设备没有应用;

(3)挖掘机动臂中段、斗杆、履带架、中间架环缝;装载机桥壳、动臂;推土机台车架(履带架)等。在焊缝分布复杂的中厚板焊件焊接上,采用机器人焊接,尚未看到应用较好的例子。如装载机的前车架,大约可焊率仅能达不到20%-50%,需要二次上变位机焊接

  2、焊接机器人应用效果不良的原因

 首先,在工艺设计中,对设备选型没有深进研究,以为机器人是“万能”的。选择的焊件,焊缝分布复杂,机器人难以适应。一个焊件,几十道甚至百道焊道,即使机器人具有起始点寻找和跟踪功能,由于待焊焊道的偏差,机器人在完成焊接20%-30%,多者40%-50%焊接以后,夹持的焊枪就可能偏离焊道了。有这样的一个设计,要求用一条机器人柔性焊接生产线,完成推土机几个大焊件的焊接,这几乎是不可能的。

  其次,焊坯制造精度低。焊接的前序,存在两个题目:一是下料精度低,达不到要求;二是组对(焊坯的拼装、点焊)设备精度低。由于切割下料的热变形,焊件的板坯误差较大。下道工序又在低精度的搭焊模(拼点机或焊胎)上组对、制坯。这样, 生产的焊坯,其待焊焊缝的“互换”性很差,满足不了示教精度要求。笔者目睹,某主梁6条主要待焊焊道的间隙,大小相差约10mm之多。进口的机器人,就在车间里,没法使用。

经济型弧焊机器人及其应用

 1、经济型弧焊机器人集成系统

   所谓经济型弧焊机器人集成系统是价格便宜的系统。假如一个焊接工作单元,由一台焊接机器人和一台或两台焊接变位机组成,价格在百万之内,这个价格是非经济型机器人系统的1/3-1/5,可称经济型系统。主要用在焊缝分布简单,焊接工作量大,焊接劳动强度大、焊接环境恶劣的工件。

  一般焊接机器人要求周边设备的传动精度偏高,如要求变位机传动精度1米直径,容差±0.15(±1’)。而普通的回转支承,1米直径的径向跳动量, 超过0.3mm普通减速机的传动间隙也达不到要求。这些要求是可以放宽的,我们用普通电机、减速机和回转支承作成的变位机, 与机器人组成的集成系统已经在外资公司服役七年, 仍在正常工作。证实这种经济型的设备是实用的。 2、典型应用实例

 (1)倾翻回转式变位机-机器人自动焊接系统

    这个系统由倾翻回转调速式变位机、焊接机器人和plc 集中控制系统等组成。

  变位机的两套传动系统,工作台回转加编码器,倾翻工位变换,采用行程开关。这套系统的控制,由两套控制系统组成,除焊接机器人控制系统外,还另做一套变位机的PLC控制系统。在作业过程中,两控制系统信息交换,协调工作。

  变位机的功能有二,其一, 工位变换,工作台的工位为0°、45° 、90°;其二,回转传动为交流变频调速系统,满足环焊缝焊接速度要求, 焊接过程可无人操纵。

   这个系统也可以做成焊接专机系统(变位机1操纵机)。假如专机系统没有焊枪跟踪、摆动,焊接过程需要人工时实监控、跟踪。机器人系统解决了专机不能解决的全部题目(2)双坐单回转式变位机-机器人自动焊接系统

   这个系统由变位机、焊接机器人及落地滑板(外部轴)等组成。变位机为单回转式,回转传动加编码器。变位机的功能为回转定8个工位。变位机不参与协调焊接。这套变位机-焊接机器人系统,配焊接机器人的工位变换变位机,有立式和卧式两类产品,工位数可有2、4、8等。基本原理与上述产品大致相同。8工位的变位机,机器人发给变位机的转角指令为3bit信号,  由000、001、011、100、101、110、111构成八种工作状态。这个用普通电机、减速机、编码器做成的工位变换系统很多。根据配套的焊接机器人不同和工件不同,设计的细节也不同。对薄板焊接件,不能跟踪,其工位定位还可加气动销。对中厚板焊件的工位定位,不需要那么严格,传动到位即可。如, 挖掘机履带架、斗杆、动臂中段焊接等,均获得成功。

 关于装备焊接机器人电子集成系统的思考

 (1)支持发展经济型焊接机器人电子集成系统。在工程机械结构件生产中,总体工艺水平外资高于内资企业。外资企业的焊接机器人装备情况,不如内资企业(大、中型)装备率高。但某外资企业采用了经济型焊接机器人集成系统,比较经济、公道,这是值得鉴戒的经验。

 (2)公道选择应用对象。应当选择焊接工作量大,焊缝分布简单(如,长直、圆周环焊缝等)的工件,作为机器人焊接工件。就目前的产业水平而言,普通数控切割下料,普通的装焊工艺,装备焊接机器人柔性生产线是不实际的。在我国,迄今为止,弧焊机器人系统,购置不少。用在中厚板复杂焊件焊接上,尚无成功范例。复杂焊件或焊缝分布复杂的焊件,大量采用变位机焊接是公道的。

 (3)焊接机器人应用是一个系统工程。结构件焊接水平应与下料、组对等生产工艺水平同步进步。某外资企业,板材下料已经采用多台激光切割机;   组对采用高精度“搭焊模”-拼点机。也有不少企业,已经采用水等离子和精细等离子下料。

  (4)周边设备的高精度要求有待研究。标准机器人有着广泛的用途,不仅仅用在焊接上。而焊接机器人的周边设备就是用在焊接上。周边设备的精度要求应与焊件和焊缝的精度要求相匹配。按着这种思路,周边设备的制造精度可以适当降低要求,降低造价。而且,实践证实是可行的。

   焊接机器人的应用,与产品批量、劳动力本钱、劳动保护及工件质量要求有关。进进中国的外资企业,按中国劳动力本钱计算,一些企业并没有装备弧焊机器人。某些企业采用焊接机器人,也是用在简单、量大的焊件上,采用了“经济型焊接机器人集成系统”。这些经验,不仅值得工程机械行业的厂家鉴戒,其它行业的厂家也可以参考。

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