焊接机器人在叉车车架焊接上的应用
焊接机器人由于具有生产过程自动化、劳动强度小、生产效率高、产品焊接质量稳定、可持续作业等优点，在工程机械系统中得到了广泛应用。我国焊接机器人最先主要应用于汽车行业，工程机械行业应用焊接机器人较晚，目前处于引进消化阶段。本文以ABB机器人焊接内燃叉车车架的焊接系统为例，具体介绍焊接机器人在叉车车架焊接上的应用，主要包括：如何选型搭建工作站，以及在调试过程中出现的常见问题及如何解决。
一、前期焊接工作站的搭建
前期，通过到客户现场参观以及与客户沟通，了解焊接工件—叉车车架的焊接特点。根据叉车车架的结构及焊接工艺，采用机器人专用的三维模拟软件初步搭建了一个焊接工作站。
1、机器人设备的选型
首先，根据叉车车架的焊接工艺以及客户的预算标准，选择ABB公司一款专用的弧焊机器人IRB 1520，它有6个操纵器轴，上臂结构紧凑，专为弧焊的集成而设计。控制系统配备IRC5控制器，该控制器包含控制机械臂、附加轴和外围设备所需的电子装置。标配控制软件支持机器人系统的方方面面，如动作控制、应用程序的开发和执行以及通信等。
2、焊接系统的配置
在焊接工作中，焊接系统的配置十分重要，在机器人焊接工作站中，所选的焊接系统除满足焊接工件的一般焊接工艺要求外，还必须与机器人系统相匹配。
因为客户现场手工焊用的是松下的焊接电源，所以他们希望机器人焊接工作站仍选用松下焊接电源。但笔者查阅松下送丝机和焊枪的接线图，发现其和ABB的机器人系统无法连接，所以建议客户选用和ABB机器人控制系统相匹配的肯比的焊接系统。安装在肯比焊接电源上的DeviceNet用于机器人控制器IRC5与电源之间的通信。
3、变位机和外围设备的选型
由于叉车车架是由多个工件拼装而成，体积和重量相对较大，笔者放弃了选用小工件所用的尾架式变位机，改用头、尾架式变位机，其驱动部分选用了ABB伺服电机、减速机以及回转支撑。这样整个变位机的结构就很紧凑，承受的力矩很大，精度很高。在前期模拟时，选用的是单工位，在工件的上料和下料过程中，机器人处于停止工作的状态，达不到客户所要求的生产节拍。为使机器人一直处于工作状态，提高生产节拍，后经项目组讨论决定选用双工位，这样在一个工件焊接完成后，机器人可以立即焊接下一个工件（图1）。
图1 叉车车架双工位机器人焊接工作站
二、现场调试中出现的主要问题及解决方案
前期工作站搭建完成后，在正式进入生产前调试工作是必须的。因为在现场调试过程中会出现一些实际性的问题，只有这些问题得到解决，在正式投入生产时才能保证焊接工作的顺利进行。这个项目在调试过程中也遇到了一些问题，机器人焊接叉车车架在调试中出现的主要问题及解决方案具体如下：
1、在圆弧处出现假焊
在车架左右挡泥板的圆弧处和油箱侧板圆弧处，经常会出现看似焊接好，但经质检检查达不到焊接工艺要求的焊缝。焊接不牢或有些地方出现假焊的情况，将会导致挡泥板与其相连接的工件直接连接强度不够。在项目调试阶段，笔者在检测油箱试漏时，有时会发现油箱侧板圆弧处出现侧漏，经检测发现油箱侧板圆弧处焊缝质量达不到要求。通过现场实际反复调试实验并对焊接工件进行分析得知，有些油箱侧板圆弧处折弯公差大，使得拼装时圆弧度不一，导致机器人寻找焊缝时会出现偏移，发生假焊。
针对以上情况采取两个措施方案：
（1）编程时在圆弧处增加程序点，并降低速度，保证圆弧处焊缝的焊接达到焊接工艺要求。
（2）更改运动指令，在原指令MoveC的基础上采用MoveCDO运动指令，因为这个指令机器人是通过中间点以圆弧运动方式运动至目标点，并且在目标点将相应输出信号设置为相应值，在原来指令的基础上增加信号输出功能。改进程序后，对多个焊接工件进行检测，发现不再出现假焊。
2、在工件折弯处出现漏焊
叉车车架组装时有些是折弯件，这些件的折弯弧度或折弯角度会有所偏差。所以在拼装时，对应这些焊缝的位置会发生偏移。因为机器人是事先拟定焊接位置的，所以当焊接位置发生偏移时，机器人无法识别，将导致此处焊缝出现漏焊或只焊接边缘。这些漏焊的焊缝需要后期焊工手工补焊，降低了工作效率。
我们从以下两个方面着手，解决折弯件折弯处焊缝漏焊现象：
（1）向客户提议增设质检监控点，在叉车车架拼装前严格控制尺寸。对拼装尺寸不在公差范围内、不合格的禁止转入焊接工位。
（2）在机器人系统内增加激光跟踪仪标定功能（Laser Tracker Calibration），因为在LTC系统里每个传感器最多有3个标定功能，可以保证在同一空间中不同位置的精度要求（图2）。
图2 角度说明
3、在电弧干扰下焊接过程不稳定
在调试过程中时而会出现焊接过程不稳定的现象，工作现场还有其他设备在运行，它们会产生电磁场，而且焊接机器人工作站本身也会有电弧和电磁干扰。为保证焊接的稳定性和提高焊接的控制精度，经分析讨论，决定重新对工作站做屏蔽措施。首先对与焊接电源连接的电源线、接地线、信号线做屏蔽，在其线缆外部套上屏蔽装置，并用同样的方法屏蔽机器人控制器IRC5上的电缆；然后在工位及工装夹具上装上绝缘套，做好与焊接工件和大地的屏蔽绝缘；对送丝机和焊枪也分别装上绝缘垫，使其与机器人绝缘，防止产生静电。
4、机器人出现的故障报警
在现场调试过程中机器人经常会出现故障报警，导致焊接工作停滞。调试期间示教器上出现过如下故障报警：
（1）碰撞报警（故障代码10024）。因为没有任何外界因素进入和机械手发生碰撞，机械手也没有和工件及外围设备发生碰撞，故在机器人系统里增加一个碰撞检测软件选项，以减少机器人承受的碰撞力度，还有助于避免机器人和外部设备受到严重损伤。“碰撞检测”检测到一次碰撞时，相关机器人会立即停止，并沿其路径反向移动一小段距离来释放余力。当接收了一则碰撞错误消息后，系统便能继续执行相应的移动，而无需按下相关控制器上的“电机开启”。
（2）外部设备温度高报警（故障代码20253）。出现此报警是由于焊接系统温度过高，因为前期在现场，焊接系统里没有冷却装置，后来增加冷却水循环装置来防止焊接温度过高。
（3）信号参考无效报警（故障代码110302）。经检查是工具中心点（TCP）错误。经查阅技术手册，发现在前期的系统里没有牛眼（Bulls Eye）软件和相关硬件来校准工具中心点。通过这个项目，笔者了解到牛眼在机器人焊接系统里非常重要，如条件允许，此项要选购。牛眼提供了完全自动化的工具中心点（TCP），还配置了新的工具来支持MIG焊枪。当机器人围绕TCP编程时，如果点被损坏、程序再次运行，机器人重复同样的动作，会由于TCP错位不再遵循相同的路径。围绕焊枪定义的TCP（图3）是直接对准一个看不见的参考点，焊丝尖端会从气嘴底部触及工件，使用预先确定的距离。
图3 围绕焊枪定义的TCP
三、焊接机器人在工程机械上应用的经验与分享
通过焊接机器人应用于内燃叉车车架焊接的案例分析可以看出，在前期搭建工作站时，机器人设备的选型并不难，一般机器人公司都有对应的标准，但是焊接系统的选型却是多样化的。这个项目的以下经验值得分享：
（1）选择焊接系统时，除考虑焊接工件的焊接工艺外，焊接系统与机器人系统的通讯连接也是十分重要的，有利于保证焊接质量。
（2）提高生产效率必须以安全为前提，所以在设计方案时要以人、机、料的安全为根本。
（3）正式投入生产前的调试工作是必须的，要解决调试过程中出现的问题，以保证焊接工件满足相关工艺要求。
（4）在机器人系统软件配置时要考虑是否需要碰撞检测软件，牛眼在机器人焊接系统中非常重要，建议选购此项。
四、结语
焊接机器人在实际生产过程中的运用是一个复杂的系统工程，不仅仅涉及前期焊接工作站的搭建，而且与后期现场调试等有着重要联系，在机器人焊接叉车车架这个项目中，通过前期三维模拟焊接工作站的搭建，实际现场安装调试的实时监控，以及有效处理调试过程中遇到的实际问题，才能确保每个程序的有效衔接，保证整个项目的顺利运行。
作者：房林林 单位：上海ABB工程有限公司
