一种面向焊接机床结构设计研究及其在机器人辅助设计中的应用

武大伟刘迎春苏长青

摘要：焊接机床及焊接机器人技术是计算机和机械制造行业发展到一定程度的产物，对焊接技术和焊接质量的提高具有重要的意义。本文从焊接机床的基本情况入手，对焊接机器人的辅助设计进行了研究。从机床结构设计和生产线调试等两个方面阐述了机器人在焊接机床生产过程中的重要作用。

关键词：焊接机床；机器人；设计

引言

机器人是现代机械技术和自动化控制技术发展到一定程度的产物，机器人可以根据其程序的不同来自动执行不同的操作过程，机器人的程序可以重复刷写，根据不同的移动作业任务对机器人进行不同的程序写入。自动焊接生产线和自动焊接机床都依赖于成熟的焊接机器人技术，要求焊接机器人提供0.03毫米以内的重复焊接定位精确度，要求焊接机器人可以承受10公斤的负载，具有1.2米的运动行程范围方可以满足焊接机床的基本生产需求。一些工业机器人具有6轴的控制功能，这类机器人由于在轴向上有多个自由度，因此可以实现较为复杂的焊接操作过程。例如可以完成金属零部件的焊接操作，完成待焊工件的搬运工作，完成零部件之间的装配工作以及对工件进行商标打印等。焊接机床的结构设计要符合高精度原则以实现对焊接过程的准确定位，符合高速度原则以提高机床的生产效率，符合轻量化设计原则以做到节能降耗，节能减排。焊接机床的实际生产条件还要求焊接机器人在其焊接手臂和手腕处可移动的角度大范围广。而且，短距离的高速运动是现在焊接机床的基本应用场景，短距离的高速运动最难攻克的问题就是定位问题，通常焊接机器人在进行长距离低速运动时常常可以保证其焊接精度，但短距离高速运动对机器人的程序控制和机械结构匹配性有较高的要求。

PLC是一种可编程逻辑控制器，该逻辑控制器可以在不更换焊接机床及焊接设备的前提下对焊接工艺进行更改，只需要对焊接工艺的程序编写进行更改即可。因此在进行焊接机床的结构设计过程中应该对机器人辅助设计方案进行充分考虑，才能实现高精度的自动化焊接。

1焊接机床结构设计

1.1焊接机床机器人控制流程

焊接机床机器人控制流程分为上料过程、焊接过程以及下料等三个过程，机器人在执行上料程序前需要操作人员将焊接材料放置于上料区域内，当上料区域的上料传感器发出已上料信号后，机器人自动移动到上料台进行取料。机器人在进行取料后将焊接材料移动到焊接区域等待焊接，此时其与第二台焊接机器人之间实现信号通信，以完成两台机器人之间的互锁工作，焊接参数是预先通过可编程的逻辑控制器编写入机器人主板中的，根据不同的焊接工艺参数，焊接机器人会以不同的焊接功率、不同的焊接距离和焊接位置进行材料的焊接，直到焊接完成。焊接完成后，依然与第二台焊接机器人之间实现信号通信，以完成两台机器人之间的互锁工作，而后将焊接完成的焊接材料放置于下料台，整个焊接过程结束。实际的焊接机床工业生产过程即为上述焊接机床机器人控制流程进行重复操作。

1.2机床配置和布局

自动化焊接机床的焊接技术配置是激光焊接技术，各种焊接技术的核心区别在于焊接技术所采用的加热源不同，激光焊接法通过激光的集中特点和高密度特点在局部范围内产生较高的能量集中以实现对材料的快速加热，激光脉冲的传播介质是光纤，光纤可以最大程度的降低激光在传播过程中产生的能量损耗，对焊接材料进行局部加热可以使局部快去升温以形成微型的熔池，其具有焊接速度快、焊接精度高以及焊缝宽度小、焊缝美观等突出优势。机器人配置采用A1200型焊接机器人，其可以实现焊接材料的上料下料和焊接过程，移动位置精确，运动速度快。电磁铁也是机床配置中一个关键的环节，在电磁铁不通电时，其具有电磁铁原有的磁性，当电磁铁通电时，磁性消失。电磁铁的磁性变化情况可以实现对待焊接材料上料和下料的控制。

2生产线调试

2.1焊接机器人电磁制动

机器人的运动和停止功能实现是通过舵机控制和刹车控制来完成的，现在的机器人通常都装配有自动刹车，在机器人控制正常的情况下电磁刹车可以通过自动控制而开启或者关闭，但如果自动刹车出现问题时则需要对自动刹车进行手动控制以完成刹车校准。校准过程中需要注意的是，松开刹车后的机器人手臂或者机器人结构件很可能因为自身的重力作用下向下运动，如果机器人的活动关节处没有连接到位，还可能出现机器人结构件脱落的危险。因此在手动松开刹车的操作过程中一定要仔细检查机器人环节处的连接情况，以避免意外事件的发生。手动松开刹车的操作过程中一定落实双人双岗制度，一个工作人员专门负责机器人轴向机构的固定工作，另一个人专门进行刹车界面的操作工作。以最大程度的保证机器人的安全。

2.2原位校准

原点位置校正是将机器人位置与绝对编码器位置进行对照的操作进行原点校正时，系统会记录编码器于零点位置时的马达转数(multiturn)以及单转数值(singleturn)经过校正后，通过读取绝对编码器数值就可以计算出当前马达的旋转角度，从而得到各轴手臂的旋转角。

3结语

工业机器人自动焊接生产线的设计合理与否关系到焊接工艺的满足程度从机器人自动焊接生产线的设计要求出发，详细分析了生产线的控制流程配置及布局编程与调试等并论述了A1200工业机器人进行上下料作业，由激光焊接自动完成焊接，组成自动生产线的一种设计方法，通过分析控制流程，定义输入输出信号地址，编写PLC控制程序，对程序加以仿真验证，实现自动焊接生产线的焊接作业，提高了生产效率，保证了焊接质量，对于目前的产业升级智造具有现实意义。

参考文献：

[1]邓坤,苑明海,俞红焱,董蓉.螺旋叶片自动焊接机床的设计与分析[J].机械设计与制造工程,2016,45(07):62-64.

[2]袁国锋,王效岗,刘建龙,李艳威.双枪纵缝数控焊接机床控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2016(04):121-123+131.

[3]袁国锋.复合管直缝焊接机床的设计与研究[D].太原科技大学,2016.

作者简介：姓名：武大伟（1979.09--）；性别：男，籍贯：辽宁朝阳人，学历：硕士研究生，毕业于沈阳航空航天大学；现有职称：高级工程师；研究方向：航空制造工艺及其数字化；

本论文受科技部重大专项项目资金资助，项目编号2013ZX04001041-09