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厚板多层多道产品焊接--MOTOMAN机器人
摘要：
厚板开坡口多层多道焊接工艺是机器人使用中经常遇到的问题，为提高生产效率，保证焊缝质量，需要采取特殊的工艺方法，才能满足生产要求。本文利用MOTOMAN机器人，配合电弧跟踪传感器，对厚板双丝焊机器人焊接工艺进行系统研究，达到设计指标，制造的成套设备达到客户使用要求。
一、主要设备构成：
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序号 |
项目 |
内容 |
数量 |
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1 |
机器人系统 MOTOMAN_HP20
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机器人本体（6轴关节型） |
1套 |
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机器人控制柜NX100 |
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示教盒（中、英文显示，中文介面） |
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供电电缆及信号电缆，15米柔性电缆 |
1套 |
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COMARC电弧自动跟踪传感器 |
1套 |
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焊枪防碰撞传感器KS1 |
1套 |
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2 |
进口双丝焊系统 |
500A焊接电源2台 |
1套 |
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进口双丝水冷焊枪 |
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信号电缆（含中继线、与机器人通讯等） |
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机器人接口 |
1台 |
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双丝焊接主从焊机适配器及双电源协调控制模块 |
2个 |
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万能焊枪支架 |
1个 |
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四轮驱动送丝机构2台 |
2台 |
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特制双丝焊枪电缆 |
2条 |
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3 |
变位机交流伺服系统 |
交流伺服电机+RV减速机，伺服放大器和伺服控制器，专用连接电缆 |
3套 |
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4 |
头尾座形式单轴翻转变位机 |
在±180°范围内任意定位，无级调速，从动座可调节 |
2套 |
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5 |
机器人行走机构 |
速度无级可调，具备始末端自动控制及检测 |
1套 |
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6 |
定位夹紧机构 |
快速可靠，适应多品种工件 |
2套 |
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7 |
工作站程控系统 |
三菱FX3uc系列专用数控多轴控制器，遥控操作盒、机器人操作盘、管线电缆等 |
1套 |
二、设备的规格与标准，使用要点
1.机器人系统：
工作站使用弧焊机器人MOTOMAN-HP20，在原有标准配置的基础上增加始端检出功能和焊缝跟踪功能。
始端检出就是借助加在焊丝与工件之间的直流高压脉冲，机器人自动按照检出程序规定的移动轨迹移动，对工件的实际位置进行测定，并计算出工件的实际位置与示教位置的偏差，然后在机器人的轨迹移动文件中将焊缝的轨迹按照偏差进行修正，机器人按照修正后的轨迹进行焊接，从而保证正确焊接轨迹的一种功能。
机器人电弧跟踪，利用摆焊时焊丝干伸长变化引起的焊接电流变化，探测实际焊接轨迹；电流周期采样曲线的积分差值，乘以修正系数，大小决定轨迹修正的大小，符号决定轨迹修正的方向。
值得注意的是：打底的第一道焊缝使用COMARCON指令时，一定要正确配置跟踪条件参数文件CAF#(*)，由于双丝焊只能利用前丝电流进行跟踪采样，后丝的电弧对前丝电弧坡口侧壁熔深产生干扰，所以定标试验跟踪得到的增益系数，要根据实际焊接电流大小适当调整。焊接第二道以后的焊道时只须利用SHIFT ON指令进行水平和高度移动即可。
在进行电弧跟踪之前，对选定的稳定焊接规范，要进行多次堆道试验，计算出平均焊道宽度和高度，为以后使用SHIFT ON指令打下基础。
2.焊接设备系统：
2.1焊接电源使用进口500A双丝焊系统，配合进口水冷双丝焊枪。
2.2清理飞溅焊渣喷硅油由专用清枪设备完成。
2.3.焊接夹具：（参考三维立体夹具结构图1）
利用工件的外形定位，手动螺旋，通过垫铁压紧。夹具承重平台的移动通过丝杠驱动，快速省力。驱动丝杠外露部分有盖板保护，防止飞溅。为确定不同尺寸工件的夹具承重平台定位位置，设置有移动对位标尺。
夹具的结构件采用钢板和型钢焊接件，经去应力退火处理。定位件等重要零件采用45#钢调质。该夹具设有工件安装平台丝杠驱动移动机构，减轻人工移动的劳动强度，提高精确度；夹具底板结构件钢板厚度40mm，提高夹具刚度，减少加载后的变形；增加定位块的定位孔个数，适应多品种工件的装夹；将顶块的基座设计成可移动形式，适应多品种工件的顶定要求。夹具采用首尾分体式，镜面对称结构。
由于工件吨位大，在安装工件时要特别注意：
1、一定要将夹具平台上的螺栓拧紧，否则工件翻转时，垫块掉落造成支点失效非常危险。
2、更换工件种类时要重新调整夹具平台位置，完毕后一定要将夹具平台得六颗M18螺栓锁紧，否则工件翻转时的侧向压力会加在调节丝杠上，造成弯曲。
2.4变位机：（参考三维立体变位机结构图2）
采用头尾座单轴变位机，由4.4KW交流伺服电机，经过精密减速机驱动。
变位机最大承载能力为2.5T的 CDB工件重量，回转角度±180°，任意点定位，定位精度为在R300mm半径上小于±0.25mm。
变位机的尾箱安装在轨道上，可以手动前后移动，以适应不同工件长度，移动到位后手动锁紧。工件翻转之前，清理多余未点固杂物，轨道设有保护套，防止飞溅污染轨道或其它重物砸坏轨道。尾箱可以手动前后推拉移动，以适应不同工件长度。移动前松开定位夹块（前面2个，后面2个），到位后手动锁紧。
变位机的结构件采用钢板和型钢焊接件，经去应力退火处理，轴等重要零件采用45#调质处理。焊接电流导电系统采用焊接专用大电流低电压导电碳刷，每个尾箱主轴均匀分布三组，通过弹簧加力压紧。
2.5行走机构：（参考三维立体机器人X轴行走机构结构图3）
机器人行走机构采用单梁龙门架式行走机构，沿X轴方向左右自由行走，由程序控制任意定位。单梁后面设置维护平台和工作梯。
导轨采用优质直线导轨，驱动为交流伺服电机，通过精密减速机和齿轮齿条传动。通过弹性锁紧装置，使齿轮齿条之间始终保持固定的压紧力，一方面消除传动间隙，提高传动精度；另一方面保证传动安全，具有过载保护功能。
行走机构总长9000mm，两个端头设置二级保护：第一级是行程开关，机器人移动滑块碰到左或者右行程开关后，电机伺服电源立即掉电保护；第二级是物理限位挡铁，如果左右行程开关失效，机器人移动滑块碰到物理限位挡铁，电机伺服系统将产生过载现象，伺服电源同样立即掉电保护。有效行程8000mm，超过技术协议规定。
行走机构的最高行走速度为8m/min，任意点的重复定位精度±0.2mm。
行走机构的结构件采用钢板和型钢焊接件，经去应力退火处理，齿轮齿条等重要零件采用45#钢高频调质处理。
2.6操作、控制系统：
工作站控制系统主要用于控制机器人、变位机、行走机构之间的协调有序运动。
正对机器人工作站，靠近左面的变位机定义为θ1轴，靠近右面的变位机定义为θ2轴，机器人移动的高架行走横梁定义为X轴。在每一个分控制屏当中设置了所有必要的功能按钮、移动或转动大小任意设定，移动或转动的速度任意设定。
主控部分采用三菱（FX3uc系列）PLC可编程控制器作为主控单元，具有高速度、高性能的优点。人机界面采用彩色触屏，设置主控制屏，含有X轴操作界面，θ1轴操作界面，θ2轴操作界面和特别提示四个分控制屏。
2.7变压器：
机器人系统用降压变压器使用工厂原有的，5KVA。
三、结论
1、厚板双丝焊接工艺，对选定的稳定焊接规范，要进行多次堆道试验，计算出平均焊道宽度和高度，作为自动排列焊道的基础；
2、系统研究了双丝焊熔池，特别是后丝对前丝跟踪的影响，通过调节跟踪增益系数，减少干扰，提高跟踪精度；
3、制造出MOTOMAN机器人双丝焊接口控制器，在编程器上即可任意设定双丝焊主从焊机的焊接电流，焊接电压，焊接速度等重要参数；也可在焊机上定义JOB工作程序，包含相关焊接规范，有机器人灵活调用；
4、制造的大型重型变位机，机器人移动机构等外围设备和机器人，双丝焊系统组成厚板柔性焊接系统，配置灵活，使用方便可靠，使用众多工程领域。
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