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机器人焊接系统说明

机器人焊接系统说明
2012-10-14 21:11:44

机器人焊接系统说明
(本系统 主要针对于工程机械机器人的焊接)
所谓工业焊接机器人,一般指6轴机器人本体,第六轴夹持重量为6KG或10KG ;另外,还应包 括一套控制系统和焊接系统(焊接电源、焊枪及水冷系统、焊接软件系统等)。其它:起始点寻找、焊缝跟踪等,需要特殊订货。为完成 一项弧焊机器人工程,除需要 弧焊机器人以外,还需要 实用的周边设备。弧焊机 器人与周边设备组成的系统,称弧焊 机器人集成系统。
    周边设 备的设计依据是上机焊接的工件,由于焊件的差异很大,需要的 周边设备的差异也就很大,繁简不一。从焊件 的焊接要求分析,周边设 备的用途大致可分为三种类型。
    其一,简易型,周边设 备仅用来支持机器人本体和装夹焊件,如:C型架、平台以及夹具等。
    其二, 工位变换型, 该型除 具有上述功能外,还具有工位变换功能。其周边 设备除具有上述装置外,还可能包括单、双回转和倾翻x%回转式变位机等;
    其三, 协调焊接型, 该型除 具有上述功能外,还具有协调焊接功能。其周边 设备除具有上述设备外,还可能 包括一个或多个做成外部轴的变位机、龙门架及滑板、地轨及滑板等。
弧焊机器人是成熟、标准、批量生 产的高科技产品,价格不贵。但设计 一项弧焊机器人集成系统, 其上述 周边设备是非标准的。这些设 备需要专业设计和非标产品制造,其价格是比较昂贵的。
    在结构件生产上,企业的 竞争一方面要装备弧焊机器人,提高产品质量;另一方 面要减少设备投资,降低产品成本。这是企业家考虑的事。
    另外,从技术方面考虑,购置机 器人不能脱离企业技术现状。采用机 器人焊接的前道工序,下料精度,组对精 度都有严格要求。如果达不到要求,就会导 致机器人应用失败。尤其是复杂焊件,问题更比较突出。
    笔者从 现实技术和优化投资的角度综合考虑,提出了发展、装备经 济型弧焊机器人集成系统的思路。这种思 路于九十年代在某合资企业已经成功应用。
    1 工程机 械行业弧焊机器人集成系统装备及应用情况
工程机 械行业是国民经济支柱产业之一,始建于1961年。在六、七十年代,工程机械分为八大类。自“七五”以后,随着国民经济、国防建设的发展, 给工程 机械提供了较大的发展空间,产品品种、产量均有大幅度增长。中国工 程机械工业协会把工程机械扩展到18类122组产品,形成了18个协会分支,会员单位约1000个生产厂家。本文所 讨论的问题仅涉及到工程机械行业的主要企业,即:挖掘机械、装载机、推土机 和工程起重机等生产厂家。在“八五”期间,由部委专项经费支持,一些装载机、推土机 厂家装备了焊接机器人集成系统和柔性生产线。
     1.1 机器人 集成系统装备和应用的基本情况
据笔者不完全统计,拥有弧 焊机器人集成系统的厂家约20余家。其中,装载机行业大约9家,推土机行业5家, 工程起重机行业大约3家,挖掘机行业大约5家。其中,包括多 条弧焊机器人柔性生产线。这些弧 焊机器人集成系统,全部是进口的。包括:igm、cloos、FANUC等厂家的产品。设备购置费用很高,一个焊接单400-500万元;一条柔性生产线1500-3000万元。昂贵的设备投资,应用情 况基本为不理想。相比之下,一些外资企业,要么没 有装备焊接机器人;要么装 备的焊接机器人,应用效果很好。
应用的具体情况如下:
    (1)几条焊 接机器人柔性生产线,全部不 能实现设计功能。较好的生产线,做单机使用;    应用比较差的生产线,差到千余万元的设备,一次没有应用;
    (2)弧焊机 器人单机也没有达到设计要求。使用较好的, 可焊率 达到设计要求的40-50%,或20-30%应用差的,差到几 百万元的设备没有应用;
    (3)笔者见 到应用机器人焊接较好的例子,大都用 在焊缝简单的焊件上。如挖掘机动臂中段、斗杆、履带架、中间架环缝;装载机桥壳、动臂;推土机台车架(履带架)等。在焊缝 分布复杂的中厚板焊件焊接上,采用机器人焊接,尚未看 到应用较好的例子。如装载机的前车架,大约可 焊率仅能达不到20%-50%,需要二 次上变位机焊接
    1.2 焊接机 器人应用效果不良的原因
首先,在工艺设计中,对设备 选型没有深入研究,以为机器人是“万能”的。选择的焊件,焊缝分布复杂,机器人难以适应。一个焊件,几十道甚至百道焊道,即使机 器人具有起始点寻找和跟踪功能,由于待焊焊道的偏差,机器人在完成焊接20%-30%,多者40%-50%焊接以后,夹持的 焊枪就可能偏离焊道了。有这样的一个设计,要求用 一条机器人柔性焊接生产线,完成推 土机几个大焊件的焊接,这几乎是不可能的。
    其次,焊坯制造精度低。焊接的前序,存在两个问题:一是下料精度低,达不到要求;二是组对(焊坯的拼装、点焊)设备精度低。由于切 割下料的热变形,焊件的板坯误差较大。下道工 序又在低精度的搭焊模(拼点机或焊胎) 上组对、制坯。这样, 生产的焊坯, 其待焊焊缝的“互换”性很差,满足不 了示教精度要求。笔者目睹,某主梁6条主要 待焊焊道的间隙,大小相差约10mm之多。进口的机器人,就在车间里,没法使用。
     2 经济型 弧焊机器人及其应用
     2.1 经济型 弧焊机器人集成系统
     所谓经济型 弧焊机器人集成系统是价格便宜的系统。如果一 个焊接工作单元,由一台 焊接机器人和一台或两台焊接变位机组成,价格在百万之内,这个价 格是非经济型机器人系统的1/3-1/5,可称经济型系统。主要用 在焊缝分布简单,焊接工作量大,焊接劳动强度大、焊接环境恶劣的工件。
     一般焊 接机器人要求周边设备的传动精度偏高,如要求 变位机传动精度1米直径,容差±0.15(±1’)。而普通的回转支承,1米直径的径向跳动量, 超过0.3mm普通减 速机的传动间隙也达不到要求。
    这些要 求是可以放宽的,我们用普通电机、减速机 和回转支承作成的变位机, 与机器 人组成的集成系统已经在外资公司服役七年, 仍在正常工作。证明这 种经济型的设备是实用的。
    2.2 典型应用实例
    2.2.1 倾翻回转式变位机-机器人自动焊接系统
    这个系 统由倾翻回转调速式变位机、焊接机器人和plc 集中控制系统等组成。变位机 的两套传动系统,工作台回转加编码器,倾翻工位变换,采用行程开关。这套系统的控制,由两套控制系统组成,除焊接 机器人控制系统外,还另做一套变位机的PLC控制系统。在作业过程中,两控制系统信息交换,协调工作。
变位机的功能有二,其一, 工位变换,工作台的工位为0°、45° 、90°; 其二,回转传 动为交流变频调速系统,满足环 焊缝焊接速度要求, 焊接过程可无人操作。这个系 统也可以做成焊接专机系统(变位机1操作机)。如果专 机系统没有焊枪跟踪、摆动,焊接过 程需要人工时实监控、跟踪。机器人 系统解决了专机不能解决的全部问题。
     2.2.2 双坐单回转式变位机-机器人自动焊接系统
这个系统由变位机、焊接机 器人及落地滑板(外部轴)等组成。变位机为单回转式,回转传动加编码器。变位机 的功能为回转定8个工位。变位机 不参与协调焊接。这套变位机-焊接机器人系统。
     配焊接 机器人的工位变换变位机,有立式 和卧式两类产品,工位数可有2、4、8等。基本原 理与上述产品大致相同。8工位的变位机,机器人 发给变位机的转角指令为3bit信号, 由000、001、011、100、101、110、111构成八种工作状态。
     这个用普通电机、减速机、编码器 做成的工位变换系统很多。根据配 套的焊接机器人不同和工件不同,设计的细节也不同。对薄板焊接件,不能跟踪,其工位 定位还可加气动销。对中厚 板焊件的工位定位,不需要那么严格,传动到位即可。如, 挖掘机履带架、斗杆、动臂中段焊接等,均获得成功。
    3 关于装 备焊接机器人集成系统的思考
   (1) 支持发 展经济型 焊接机器人集成系统。在工程 机械结构件生产中,总体工 艺水平外资高于内资企业。外资企 业的焊接机器人装备情况,不如内资企业(大、中型)装备率高。但某外 资企业采用了经济型 焊接机器人集成系统,比较经济、合理,这是值得借鉴的经验。

   (2)合理选择应用对象。应当选 择焊接工作量大,焊缝分布简单(如,长直、圆周环焊缝等)的工件,作为机器人焊接工件。就目前 的工业水平而言,普通数控切割下料,普通的装焊工艺,装备焊 接机器人柔性生产线是不实际的。在我国,迄今为止,弧焊机器人系统,购置不少。用在中 厚板复杂焊件焊接上,尚无成功范例。复杂焊 件或焊缝分布复杂的焊件,大量采 用变位机焊接是合理的。
   (3)焊接机 器人应用是一个系统工程。结构件 焊接水平应与下料、组对等 生产工艺水平同步提高。某外资企业,板材下 料已经采用多台激光切割机;
组对采用高精度“搭焊模”-拼点机。也有不少企业,已经采 用水等离子和精细等离子下料。
   (4)周边设 备的高精度要求有待研究。标准机 器人有着广泛的用途,不仅仅用在焊接上。而焊接 机器人的周边设备就是用在焊接上。周边设 备的精度要求应与焊件和焊缝的精度要求相匹配。按着这种思路,周边设 备的制造精度可以适当降低要求,降低造价。而且,实践证明是可行的。
    焊接机器人的应用,与产品批量、劳动力成本、劳动保 护及工件质量要求有关。进入中国的外资企业,按中国 劳动力成本计算,一些企 业并没有装备弧焊机器人。某些企 业采用焊接机器人,也是用在简单、量大的焊件上,采用了“经济型 焊接机器人集成系统”。这些经验,不仅值 得工程机械行业的厂家借鉴,其它行 业的厂家也可以参考。


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