引言：近幾年，弧焊機(jī)器人在工業(yè)焊接領(lǐng)域應(yīng)用范圍的逐漸增大，促進(jìn)了自動(dòng)化焊接技術(shù)的不斷發(fā)展。本文介紹了FANUC弧焊機(jī)器人系統(tǒng)在奇瑞車架焊接上的成功應(yīng)用。
從FANUC弧焊機(jī)器人焊接控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成、程序框圖、焊接指令、焊接參數(shù)般置以及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)等方面進(jìn)行了闡述。使用弧焊機(jī)器人對車架進(jìn)行焊接，為提高焊接質(zhì)童、穩(wěn)定性、工作效率，預(yù)防弧焊對人體的傷害創(chuàng)造了條件?；『笝C(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，大大推動(dòng)了自動(dòng)化悍接技術(shù)的發(fā)展。
1 概述
弧焊技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產(chǎn)領(lǐng)域。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)車架的焊接一般采用人工CO2保護(hù)焊，存在焊縫不穩(wěn)定、焊接質(zhì)量差、工作效率低、對人體傷害大等缺點(diǎn)。近年來，隨著市場競爭的日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)率、保證焊接質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的日益重視。其中弧焊機(jī)器人系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的主要手段，弧焊機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
奇瑞公司P11焊裝車間車架生產(chǎn)線共有兩個(gè)機(jī)器人弧焊工位，每個(gè)工位有四臺弧焊機(jī)器人，左右對稱布置。每臺機(jī)器人焊縫大約有15條，總長度約2.5m,焊接時(shí)問400 s，現(xiàn)場概況如圖1所示。八臺FANUC焊機(jī)器人擔(dān)負(fù)著P11車架縱梁總成的焊接任務(wù)。焊接夾具油缸驅(qū)動(dòng)采用液壓控制，油缸的動(dòng)作順序控制采用PLC控制。
圖1 FANUC弧焊機(jī)器人現(xiàn)場布置圖
2 弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)硬件構(gòu)成
弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)硬件主要由弧焊機(jī)器人、PLC、焊機(jī)系統(tǒng)、清槍器和安全控制系統(tǒng)組成。PLC與機(jī)器人之問采用PROFIBUS-DP通信方式進(jìn)行信號交換，實(shí)現(xiàn)PLC對機(jī)器人的控制。機(jī)器人與弧焊機(jī)控制器之間采用DEVICENET通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對弧焊機(jī)的控制機(jī)及弧焊機(jī)參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件框圖
為了更好地了解弧焊系統(tǒng)，現(xiàn)把框圖的各個(gè)部分作如下介紹。
(1)PLC。采用西門子S7400系列CPU414-2DPPLC，該P(yáng)LC為西門子高端PLC,CPU處理速度快，通信能力強(qiáng)，適用于大型控制系統(tǒng)。PLC采用PROEIBUS-DP網(wǎng)路通訊(見圖3)實(shí)現(xiàn)分布式控制。PLC通過讀取外部信號狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，控制液壓站的起停、控制弧焊機(jī)器人的自動(dòng)運(yùn)行。PLC就像聯(lián)絡(luò)員，把夾具、機(jī)器人、液壓站、清槍器等設(shè)備一協(xié)調(diào)起來，實(shí)現(xiàn)有序的自動(dòng)化工作。
圖3網(wǎng)絡(luò)通信布置
(2)機(jī)器人。采用FANUC公司ARC Mate 100iB型弧焊機(jī)器人，控制系統(tǒng)選用高性能的焊接機(jī)器人FANUC SYSTEM R-30iA控制系統(tǒng)。該機(jī)器人工作半徑1687mm,腕部負(fù)載6kg，重復(fù)精度 士0.08，確保了焊縫位置的精確空制。
(3)傳感器外圍輸人信一號如夾具油缸位置檢測信號、按鈕信號等，輸人給PLC。
(4)液壓站。采用油泵為動(dòng)力輸出，液壓油為媒介，驅(qū)動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)。
(5)電磁閥。由PLC輸出點(diǎn)控制其線圈通斷，達(dá)到閥體換向，從而控制油缸動(dòng)作方向的控制元件。
(6)焊機(jī)系統(tǒng)。焊機(jī)系統(tǒng)主要由焊接電源、送絲機(jī)、焊槍組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
機(jī)器人控制柜
機(jī)器人本體
送絲機(jī)
焊接電源
焊槍
圖4 焊機(jī)系統(tǒng)實(shí)物
a.焊接電源:在車架焊接系統(tǒng)中選用林肯逆變電源Power Wave F355i。
?、?Power Wave焊接電源是模塊式、多過程焊接系統(tǒng)的一部分。依據(jù)不同的配置情況，它能支持恒電流、恒電壓和脈沖焊接模式。
?、?Power Wave電源專門設(shè)計(jì)與Power Feed送絲機(jī)配合使用。系統(tǒng)中的每一個(gè)元件具備與系統(tǒng)的其他元件“交流”的特殊電路，這樣每個(gè)元件(電源、送絲機(jī)和機(jī)器人控制器)就能“知道”其他元件在任何時(shí)候的“行動(dòng)”。
?、跴ower Wave F355i是一種具備高性能、數(shù)字控制的逆變焊接電源，它能從事一些復(fù)雜的和高速度的波形控制。在60%負(fù)載持續(xù)率下，額定輸出是350A和34V;在100%負(fù)載持續(xù)率下，輸出值為 300A和32V。
?、躊ower Wave T355i和FANUC ARC Mate 100iB機(jī)器人通過DEVICENET協(xié)議進(jìn)行通信，這是一種在工業(yè)應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位的系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)采用數(shù)字化通信協(xié)議，所有焊接參數(shù)、工藝控制等操作僅通過機(jī)器人的示教器即可完成，同時(shí)還能進(jìn)行設(shè)備的故障診斷等。
b. 焊槍為德國制造，型號BINZEL 350GC。該品牌為一世界知名品牌，質(zhì)量可靠。
c.送絲機(jī)為美國制造的數(shù)字控制自動(dòng)送絲機(jī)，型號LINCOLN PF10R如圖S所示，特點(diǎn)如下：
1)數(shù)字控制。與Power Wave焊接電源配合使用，能產(chǎn)生極佳的焊接性能。
2)轉(zhuǎn)速反饋裝置能進(jìn)行送絲速度的校對，從而實(shí)現(xiàn)送絲速度的精確控制。
3) 送絲機(jī)制動(dòng)裝置能在幾毫秒內(nèi)將送絲速度從最大值降低到0，從而降低焊絲粘連在焊接熔池中的幾率。
4) 單獨(dú)的送絲導(dǎo)向提供無故障的送絲以及簡便的焊絲安裝、轉(zhuǎn)換和維護(hù)。
5)可讀數(shù)的標(biāo)尺便于精確設(shè)置送絲輪壓緊力。
(7)清槍器。當(dāng)機(jī)器人焊接完成后，噴嘴上會遺留焊渣，如果不清除干凈就會影響焊接質(zhì)量。使用清槍器能夠有效清掉焊渣。如圖6所示，清槍時(shí)機(jī)器人把噴嘴首先放到位置l,1號裝置在氣壓的作用下會向上頂升，高速旋轉(zhuǎn)清除焊渣，然后放到位置2,2號裝置會噴出油霧到導(dǎo)電嘴上，這樣可以防止飛濺粘到導(dǎo)電嘴上，提高焊接質(zhì)量。
圖5 送絲機(jī)實(shí)物圖
圖6 清槍機(jī)實(shí)物圖
(8)安全系統(tǒng):主要由雙通道安全繼電器、光棚、雙手按鈕、卷簾門組成。
雙手按鈕是起動(dòng)夾具動(dòng)作、機(jī)器人運(yùn)行的觸發(fā)設(shè)備。為確保誤動(dòng)作，當(dāng)兩手同時(shí)壓下按鈕時(shí)，安全繼電器的雙通道回路才會導(dǎo)通，觸發(fā)機(jī)器人的動(dòng)作。
安全繼電器為雙通道、雙線圈、雙觸電冗余設(shè)計(jì)，具有觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開、自檢功能，安全等級達(dá)4級。
光柵的檢測距離為1000mm，可保護(hù)手指，安全等級為4級。當(dāng)光柵被觸發(fā)時(shí)，機(jī)器人立即停止，控制夾具驅(qū)動(dòng)油缸電磁閥斷電。
卷簾門關(guān)上時(shí)機(jī)器人才允許動(dòng)作，打開時(shí)機(jī)器人不允許動(dòng)作，確保人員進(jìn)人時(shí)的安全。
3 弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)PLC程序框圖
該生產(chǎn)線FANUC弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)PLC程序框圖如圖7所示。
圖7 弧焊機(jī)器人系統(tǒng)PLC程序框圖
4 FANUC弧焊機(jī)器人程序常用指令介紹
(1)運(yùn)動(dòng)指令。
指令1:JP[2] 100% fine
含義:機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡不能確定〔執(zhí)行運(yùn)動(dòng)語句時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)計(jì)算最佳路徑，使TCP點(diǎn)從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)。
指令2:LP[3] 100% fine
含義:機(jī)器人執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)，TCP點(diǎn)從當(dāng)前位置走直線到達(dá)該點(diǎn)。
指令3:LP[4]/ LP[5] 1OOmm/sec Fine
含義:機(jī)器人執(zhí)行圓弧運(yùn)動(dòng)，TCP點(diǎn)從當(dāng)前點(diǎn)經(jīng)過中間點(diǎn)P[4]到達(dá)P[5]點(diǎn)。
(2) Arcstart?；『钙饎?dòng)指令，執(zhí)行該語句時(shí)，焊接開始。
(3)Arcend。弧焊結(jié)束指令，執(zhí)行該語句時(shí)，焊接結(jié)束。
(4)CALL。程序調(diào)用指令，調(diào)用子程序用。
(5)擺動(dòng)指令。
Weave Sine
Weave Circle
Weave Figure
Weave L
當(dāng)焊縫的間隙不太穩(wěn)定時(shí)，擺動(dòng)指令的應(yīng)用就會起到很好的效果。
參數(shù)設(shè)置屏如圖8所示FANUC弧焊機(jī)器人程序示例:
圖8 參數(shù)設(shè)置
Call Home
JP [1] 100% FINE
JP [2] 100% CNT100
JP [3] 100% CNT100
LP[4] weld_speed FINE
Arc Start[1]
LP[5] 20mm/sec FINE
Arc END[1]
JP[6] 50% CNT100
JP[7] 50% CNT100
JP[1] 50% CNT100
5 弧焊機(jī)器人焊接參數(shù)設(shè)置
在本弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)中，F(xiàn)anuc機(jī)器人與焊接控制器通過DEVICENET總線進(jìn)行連接，相互之間可進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通信，這為通過機(jī)器人設(shè)置焊機(jī)參數(shù)以及對一焊機(jī)系統(tǒng)故障診斷提供了必要條件既可以在機(jī)器人示教器上設(shè)置焊接參數(shù)，又可以通過機(jī)器人示教器診斷焊機(jī)故障。
6 Fanuc弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：
(1)提高了發(fā)現(xiàn)和處理故障的能力。
當(dāng)電源處于待機(jī)狀態(tài)和出現(xiàn)故障時(shí)可直接通過機(jī)器人示教器和其控制柜上的以太網(wǎng)接口來處理解決。
(2)緊湊集成的組裝。
通過簡單的內(nèi)部連接，使焊接電源和機(jī)器人的控制柜共用一根輸人電纜。
(3)焊接參數(shù)完全由Fanuc機(jī)器人示教器控制。
Power Wave F355i內(nèi)置的焊接程序數(shù)據(jù)庫，能很容易少也從機(jī)器人示教器中進(jìn)行存取。
(4)機(jī)器人控制器的以太網(wǎng)連接通信。
通過聯(lián)網(wǎng)的個(gè)人電腦能進(jìn)行遙控檢測、修改、排除故障和焊接電源軟件的升級。
(5)機(jī)器人焊接系統(tǒng)能進(jìn)行焊接模式的選擇。
如:預(yù)送氣、起弧前送絲速度、電弧控制、回?zé)?、滯后斷氣及收弧等。這使得操作人員能很好的控制焊接工藝及程序。
(6)焊接參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。
不需要單獨(dú)設(shè)置送絲速度和電壓，它能自動(dòng)根據(jù)所設(shè)定的送絲速度來設(shè)置電壓和脈沖等特性。
(7)Power wave電源具有一個(gè)很大的焊接程序或稱為焊接模式的數(shù)據(jù)庫。
每個(gè)焊接模式是一個(gè)特定軟件程序，用于確定焊接電源的輸出特性。這些焊接模式被開發(fā)應(yīng)用于很廣的范圍，它們可以通過具體的焊絲型號、焊絲直徑、保護(hù)氣體類型或?qū)嶋H應(yīng)用來確定。
7應(yīng)用效果
Fanuc弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)應(yīng)用于奇瑞車架焊接以后，工作效率提高，機(jī)器人軌跡運(yùn)行速度最大可達(dá)2000mm/S，焊接速度最大可達(dá)35mm/s。在車架焊接參數(shù)中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，充分考慮焊接效率和焊接質(zhì)量因素，采用6～15mm/s焊接速度。使用弧焊機(jī)器人焊接，焊縫質(zhì)量可靠，工作效率穩(wěn)定。與人工焊接相比，有效避免了因人工技能、心情等因素造成的焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率問題。機(jī)器人焊接和人工焊接效果對比如圖9所示。
圖9焊接效果圖
當(dāng)然，機(jī)器人弧焊應(yīng)用仍有一些不足的地方，例如弧焊變形控制仍然比較困難，需要在后續(xù)工位增加校正工位來機(jī)械校正焊接變形問題，目前正在做進(jìn)一步的研究來提高焊接尺寸精度。
8結(jié)論
由FANUC ARC Mate 100iB弧焊機(jī)器人、林肯Power Wave F355i焊接電源、西門子S7400 CPU4142DP PLC組成，采用PROFIBUS-DP、DEVICENET總線方式集成的弧焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、安全一可靠、焊接質(zhì)量好、工作效率高、操作簡單等特點(diǎn)，智能化故障診斷功能一也為維修提供了很大便利。該系統(tǒng)在奇瑞車架焊接上的首次使用便取得了良好效果，填補(bǔ)了奇瑞在車架自動(dòng)化焊接上的空白，為推動(dòng)弧焊自動(dòng)化生產(chǎn)線的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
（轉(zhuǎn)載）
