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点焊机器人工作空间及抓重的选取与应用

【摘要】:在我国点焊机器人约占焊接机器人总数的46%,主要应用在汽车、农机、摩托车等行业。图2-2-72为点焊机器人实物照片。2)必须使点焊机器人可达到的工作空间大于焊接所需的工作空间,该空间由焊点位置及焊点数量确定。某些先进的点焊机器人,可自动更换焊钳种类和型号。4)根据选用的焊钳结构,焊件材质与厚度及焊接电流波形来选取适当抓重的点焊机器人,通常抓重为50~120kg。点焊机器人的组成如图2-2-73所示。

在我国点焊机器人约占焊接机器人总数的46%,主要应用在汽车农机摩托车等行业。通常,装配一台轿车的白车身要焊接4000~6000个焊点,只有以机器人为核心组成柔性焊装生产线,才能完成大批量的生产纲领和适应未来新产品开发与多品种生产的发展要求,增强企业应变能力。图2-2-72为点焊机器人实物照片。

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图2-2-71 对焊电极

a)V形钳口 b)半圆形钳口 c)斜面形钳口 d)平板形钳口

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图2-2-72 SRV—130型点焊机器人

1.点焊工艺对机器人的基本要求

选用或引进点焊机器人时点焊工艺对机器人的基本要求如下:

1)点焊作业一般可采用点位控制(PTP),其定位精度应≤±0.5mm。

2)必须使点焊机器人可达到的工作空间大于焊接所需的工作空间,该空间由焊点位置及焊点数量确定。一般来说,该工作空间应大于5m3

3)按工件形状、种类、焊缝位置选用机器人末端执行器,即垂直及近于垂直的焊缝选C型焊钳;水平及水平倾斜的焊缝选用X型焊钳。某些先进的点焊机器人,可自动更换焊钳种类和型号。

4)根据选用的焊钳结构(分离式、一体式、内藏式),焊件材质与厚度及焊接电流波形(工频交流、逆变式直流等)来选取适当抓重(腕部最大负荷)的点焊机器人,通常抓重为50~120kg。

5)机器人应具有较高的抗干扰能力和可靠性(平均无故障工作时间应超过2000h,平均修复时间不大于30min);具有较强的故障自诊断功能,例如可发现电极与工件发生“粘结”而无法脱开的危险情况,并能做出电极沿工件表面反复扭转的动作直至故障消除;点焊机器人因负载大,应比弧焊机器人具有更可靠的防碰撞措施。

6)点焊机器人示教记忆容量(控制器计算机可存储的位置、姿态、顺序、速度等信息的容量——编程容量,通常用时间或位置点数来表示)应大于1000点。

7)机器人应具有较高的点焊焊接速度(如60点/min以上),它可保证单点焊接时间(含加压、焊接、维持、休息、移位等点焊循环)与生产线物流速度匹配,且其中50mm短距离(焊点间距)移动的定位时间应缩短到0.4s以内。

8)需采用多台机器人时,应研究是否选用多种型号,并与多点焊机及简易直角坐标机器人并用等问题;当机器人布置间隔较小时,应注意动作顺序的安排,可通过机器人群控或相互间联锁作用避免干涉。

2.点焊机器人焊接系统

对点焊机器人的要求一般基于两点考虑:一是机器人运动的点位精度,它由机器人操作机和控制器来保证;二是点焊质量的控制精度,它主要由机器人焊接系统来保证,该系统由阻焊变压器、焊钳、点焊控制器及水、电、气路及其他辅助设备等组成。点焊机器人的组成如图2-2-73所示。

(1)点焊钳 点焊机器人焊钳从用途上可分为C型和X型两种,通过机械接口安装在操作机手腕上。根据钳体、变压器和操作机的连接关系,可将焊钳分为分离式、内藏式、一体式三种形式。

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图2-2-73 点焊机器人组成框图

1)分离式焊钳:钳体安装在操作机手腕上,阻焊变压器安装在机器人上方悬梁上,且可沿着机器人焊接方向运动,二者以粗电缆连接。其优点是可明显减轻手腕负荷、运动速度高、价格便宜。主要缺点是机器人工作空间以及焊接位置受到限制,电能损耗大,并使手腕承受挠性电缆引起的较大附加载荷,通水焊接电缆需要定期更换,维护费用较高。

2)内藏式焊钳:阻焊变压器安装在操作机手臂内,显著缩短了二次电缆和变压器容量;但主要缺点是使操作机的机械设计变得复杂化。

3)一体式焊钳:钳体与阻焊变压器集成安装在操作机手腕上,不存在挠性二次电缆。其显著优点是节省电能(约为分离式的1/3),并避免了分离式焊钳的其他缺点;当然,它使操作机手腕必须承受较大的载荷,并影响焊接作业的可达性。无需定期更换焊接电缆,维护费用较低。

机器人点焊钳与通常所用的悬挂式点焊机不同之处主要有以下方面:

1)具备双行程:其中短行程为工作行程,长行程为预行程,用于安放较大焊件、修整及更换电极和机器人焊接时的跨越障碍。

2)具备扩力机构:为增加焊件厚度并减轻机器人抓重,有时在钳体的机械设计中采用扩力式气压—杠杆传动加压机构(用于X型焊钳)或串联式增压气缸(用于C型焊钳)。

3)具备浮动装置:浮动式焊钳可以降低对工件定位精度的要求,有利于用户使用。同时,也是防止点焊时工件产生波浪变形的重要措施。浮动机构主要有弹簧平衡系统(多用于C型焊钳)或气动平衡系统(多用于X型焊钳的浮动气缸)。

4)新型电极驱动机构:近年出现的电动及伺服驱动加压机构即伺服焊钳,可实现电极加压软接触,并可进行电极压力的实时调节。在与焊接电流实时最佳配合后,显著提高点焊质量和减少点焊喷溅,例如MOTOMAN点焊机器人上所配置的伺服焊钳。

(2)点焊控制器 用于点焊机器人焊接系统中的点焊控制器是一相对独立的多功能点焊微机控制装置,可实现以下功能:

1)点焊过程时序控制,顺序控制预压、加压、焊接、维持、休止,每一程序周波数设定范围为0~99(误差为0),如图2-2-74所示。

2)可实现焊接电流波形的调制,且其恒流控制精度在1%~2%。

3)可同时存储多套焊接参数。

4)可自动进行电极磨损后的阶梯电流补偿、记录焊点数并预报电极寿命。

5)具有故障自检功能,对晶闸管超温、晶闸管单管导通、变压器超温、计算机、水压、气压、电极粘结等故障进行显示和报警,直至自动停机。

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图2-2-74 点焊机器人焊接循环

T1—焊接控制器控制 T2—机器人主控计算机控制 T—焊接周期 FW—电极压力 I—焊接电流

6)可实现与机器人控制器及示教盒的通信联系,提供单加压和机器人示教功能。

7)断电保护功能,系统断电后内存数据不会丢失。

点焊控制器与机器人控制器相互关系主要有以下3种结构形式:

1)中央结构型:它将点焊控制器作为一个模块安装在机器人控制器内,由主计算机统一管理并为焊接模块提供数据,焊接过程控制由焊接模块完成。这种结构的优点是机器人控制器集成度高,便于统一管理。

2)分散结构型:点焊控制器与机器人控制器分开设置,二者采用应答式通信联系。主计算机给出焊接信号后,其焊接过程由焊接控制器自行控制,焊接结束后给主计算机发出结束信号,以便机器人移位,如图2-2-74所示。这种结构的优点是调试灵活,焊接系统可单独使用;但需要一定距离的通信,且用户要考虑点焊控制器与机器人控制器之间的接口问题,集成度不如中央结构型高。

(3)群控系统 将多台点焊机器人焊机与群控计算机相联,以便对同时通电的数台焊机进行控制。实现部分焊机的焊接电流分时交错,限制电网瞬时负载,稳定电网电压,保证点焊质量。为此,点焊机器人焊接系统都应增加“焊接请求”及“焊接允许”信号,并与群控计算机相连。

近年美国WTC/MEDAR公司推出的以太网编程器(数据输入板)EDEP有两种规格:第一种用于一对一在控制器局域以太网接口上编程和收集数据;第二种用于接在工厂以太网网络上进行操作。焊接控制器上的局域以太网接口和串行接口也可用手提计算机进行操作。焊接网关软件是一个网络资源工具,当安装在PC机上并连接到广域以太网后,操作者可以监视处于同一网络上的各组焊接控制器的状态并收集数据,接口界面的设计使操作者能快速浏览网络并看到哪台焊接控制器发生了故障、报警或已离线。焊接网关软件能监视和收集它能看到焊接控制器的数据,及时更新状态的变化和向操作者提示故障内容。

目前,机器人点焊控制器正向智能化方向迅速发展,主要表现在以下方面:

1)改进传统的人机操作模式,提供友好的人—机对话界面。

2)根据所焊接材料的材质、厚度、焊接电流波形(即焊机类型),研制集成专家系统(ES)、人工神经网络(ANN)、模糊技术(Fuzzy)等诸多人工智能方法相混合的点焊工艺设计与接头质量预测的智能混合系统,偏重于软件方面实现机器人点焊质量控制;基于多传感器信息融合技术(如基于多传感器信息融合的智能PID控制、Fuzzy—PID控制等),偏重于硬件方面实现机器人点焊多参数联合质量控制。

部分国内外生产的点焊机器人列于表2-2-68。

表2-2-68 点焊机器人

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3.点焊机器人的应用

由于汽车焊接结构比一般机械产品更为复杂、装焊过程难度高、生产批量大,特别是轿车车身制造一直是高新技术应用相对集中的行业,其核心主要是由大量焊接机器人和计算机控制的自动化焊装设备所组成的车身焊装生产线(Welding Assembly Lines)。近年来,国内的大型轿车制造厂几乎都采用了焊接机器人车身焊装线,其中几家已体现了世界先进技术水平,在这些机器人中,点焊机器人所占比重最大。例如,一汽大众汽车有限公司焊装车间捷达(Jetta A2)白车身装焊自动生产线上就有60余台点焊机器人在工作。图2-2-75是某轿车白车身焊装线。

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图2-2-75 某轿车白车身焊装线

目前,汽车车身制造技术的最高水平,整个车间全部由点焊机器人、弧焊机器人、专门负责上下物料的搬运机器人,以及各种传送链、自动焊装夹具组合成无人、全自动车身车间(又称无人化车间),实现了车身装焊的全线“柔性化”。生产方式则为多品种、大批量混流生产。完全适应了现代大规模、多品种、大批量的生产方式,降低了成本,可有力地支撑本公司生产的汽车参与市场竞争。国外年产30万辆以上的车身制造厂几乎都采用这种模式。