焊接機器人工作站在農用機械上的應用

郭林年，馬維杰，蔡永才

（阿克蘇地區中等職業技術學校，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

隨著農業產業基礎地位不斷鞏固，農業產業的機械化和智能化水平逐漸提升，市場對農機數量以及農機質量的需求進一步增強。為進一步提高農機設備的可靠性、穩定性和安全性，保障農機的正常使用，進而提高農業生產效率，需要采用焊接機器人工作站來改進農機設備的專業化和精細化程度，以確保農機焊點準、焊接穩。在農機設備生產中應用焊接機器人可改善人工操作的低效率和低水平，做到標準化焊接、精準化加工和集約化生產，提高農機設備生產效率和生產質量。

1 焊接機器人工作站應用領域及現狀

機械設備精密化程度越高對焊接加工的工藝要求也越高，但焊接加工的工作環境差，對人體健康損害大，因此焊接技工流動性大，焊接工序缺乏經驗豐富、焊接精細的熟練技工，影響了焊接精密性和機器穩定性，因此焊接機器人工作站應運而生。1969年美國通用汽車第一次裝備點焊機器人，目前該技術已經發展成為現代裝備制造業的關鍵技術之一[1]?，F階段歐美發達國家焊接機器人工作站的理論和實踐經驗已較為豐富，汽車制造企業的自動化率超過95%，機器人焊接技術從半自動化發展為全自動化，焊接機器人數量由單一工作發展為集群生產，未來還將向智能化方向發展。我國焊接機器人工作站起步時間晚但發展很快，1984年一汽集團引入了KUKA 機器人，隨著我國汽車工業迅速發展，焊接機器人工作站正幫助汽車制造企業完成從零部件加工到整車組裝的全自動生產工序[2]。播種機、旋耕機、拖拉機等農用機械設備的使用存在季節性特點，農機企業的生產效率和生產周期往往會決定企業的利潤，因此將焊接機器人工作站應用于農用機械機架上可充分發揮焊接機器人工作站的高效率、高速度、高精準度等優勢，推動農用機械設備數字化、智能化和柔性化生產，降低人為因素對農用機械設備的影響，滿足農業機械小型化和季節性的生產需求。

2 農用機械焊接機器人工作站的組成

一般來說，焊接機器人工作站主要由焊接機器人、編程控制系統、焊接電源系統、焊接工裝夾具和安全保護設施等5 部分構成，農用機械機架生產車間內的焊接機器人工作站如圖1[3]，為了更好、更快地焊接農機設備并保障操作人員的安全，焊接機器人工作站采用單機器人加雙工位的模式，可以對多種焊縫進行自動焊接。按照這種模式設計的焊接機器人工作站只需客戶提供產品類型、產品尺寸、焊接要求和焊縫區域等，操作人員可編制出科學合理的焊接工藝，通過變換變位機與焊槍的點位就可確保按照圖紙要求對農機設備進行焊接，有效控制焊接變形和焊接裂紋等焊接缺陷。此外，焊接機器人使用了數字化弧焊電源，夾具設計符合人機工程學理論要求，再加上清槍和噴硅油等裝置的應用，不僅可以降低操作難度和日常工作量，還可使焊接質量和效率得到明顯提升，實現農機設備的柔性化生產和高效焊接。

圖1 焊接機器人工作站

2.1 焊接機器人

焊接機器人是焊接機器人工作站的關鍵設備之一，由焊接機器人本體、控制器和電機等組成，S、L、U 軸是焊接機器人的主臂部分，一般被稱為大關節，機器人本體終端由R、B、T 軸構成，習慣稱為小關節，焊接機器人各部位及轉動方向如圖2[4]。S 軸轉動范圍為-180°～+180°，L 軸轉動范圍為-90°～+160°，U 軸轉動范圍為-180°～+190°，R 軸（旋轉）轉動范圍為-160°～+160°，B 軸（擺動）轉動范圍為-50°～+180°，T 軸（回轉）轉動范圍為-200°～+200°，容許力矩（S、L、U 軸）在2.2～9 N·m 之間，容許慣性力矩（R、B、T）為0.03～0.3 kg/m2[5]。

圖2 焊接機器人各部位及轉動方向

對于焊接機器人本體而言，焊槍在工作時會產生大量熱量，所以必須充分考慮焊槍的安全性以及耐久性，其次焊槍在焊接過程中會產生強熱，因此也要考慮焊槍的冷卻性能，焊槍冷卻性能不好會損傷焊槍，影響焊接工作效率。此外還需考慮焊槍的角度，焊槍角度太小會造成導電不良，角度太大則會增大焊接阻力，為滿足農用機械焊接要求，可以選用來自德國的TBi80W 焊槍[6]。焊接供氣系統需具備高穩定性及高配比精度，否則會導致焊接焊縫不均勻和誤差大等問題，推薦使用德國WITT 配比器[7]。

2.2 編程控制系統

焊接機器人工作站控制系統由控制柜、專用電路和PLC控制柜組成，控制系統類似于機器人工作站的“大腦”，進行焊接工作時由專業技師操作[8]。焊接機器人工作站控制系統分為兩個層次，第一層次是生成軌跡點、記錄參數，對控制系統起到調整、監視等作用；第二層次是對電機進行控制，實現機器人關節的位移、旋轉和速度控制等。為了減少耦合，強化協同運作，焊接機器人工作站編程控制系統如圖3[9]。

圖3 焊接機器人工作站編程控制系統

2.3 焊接電源系統

焊接電源系統主要由數字焊接電源、水冷設備和送絲機構等構成，由于焊接機器人可能面臨工作強度大和工作時間長的情況，所以需要選擇適配的焊接電源，確保電源的穩定連續輸出[10]。市場上常見的焊接電源包括逆變式、晶閘管式、脈沖或非脈沖式等，這些電源都可以適配焊接機器人，但是為了確保電流和電壓的穩定性，最好選擇具有數字顯示、參數穩定和重復精度高等特點的焊接電源，同時該電源系統必須能夠耐受高溫，通信速度和通信質量穩定可靠，送絲機構必須配備電磁閥以提高焊接的精度和質量，建議使用逆變式電源系統[11]。

2.4 焊接工裝夾具

變位機和焊接夾具等構成了焊接機器人工作站的焊接工裝夾具部分，焊接夾具與變位機之間用法蘭盤連接緊固[12]。為了進一步增強焊接機器人的靈活性，焊接工裝夾具必須具備翻轉工件與旋轉工件的功能，工件可以實現在平面空間內360°旋轉，這樣才能精準固定焊接部分，方便機器人手臂以最佳焊接姿態焊接，從而確保焊接精度和效率。

2.5 安全保護設施

安全保護設施作為保護人員安全的重要裝置，需要對其進行通盤考慮和科學設置，一旦引發安全事故，后果不堪設想。焊接機器人工作站外圍需設立安全防護圍欄，防止無關人員在焊接機器人工作站工作時闖入。操作人員工位需安裝安全圍欄，在主機位置需設立焊接工作報警燈，防止操作人員誤入焊接區域或焊接弧光損害人體健康[13]。

3 焊接機器人工作站應用注意事項

焊接機器人在焊接之前需要備好農機工件，工件一致性需要保持在±2 mm 之間，表面無污漬[14]，焊接機器人通過焊絲高壓接觸傳感系統自動檢測工件焊縫，再進行誤差修正，確保焊接質量可靠，經久耐用。焊接作業方式一般包括船型焊、立焊和平焊等，其中船型焊和平焊的焊接質量較好，再加上焊接機器人工作站配備了電弧傳感器，可以根據電流變化計算出補償量，焊接作業同步變化，可對熱變形和反翹等引起的焊縫偏移進行仿形控制。焊接機器人內置了多層焊接功能軟件，可以對焊接路徑和焊槍姿態等進行明確和調整，進一步提升了焊接作業的精準度。此外，清槍噴硅油裝置最好安裝在相同的位置，這樣當機器人進行焊接工作時可同時完成噴硅油和清槍，有效防止焊渣與噴嘴形成死粘連，避免焊槍焊死，簡化控制程序[15]。

對于樣式簡單、尺寸不大的農機工件，用單獨的焊接機器人即可完成焊接工作，但是當遇到作業復雜、尺寸較大的農機工件時必須采用焊接機器人與變位機協同的方式才能提高焊接質量。變位機和機器人的有機協同可根據二者之間的運動關系擴大焊接機器人焊接作業空間，進而以較低的成本完成大型、復雜的焊接工作。

4 總結

在農用機械上應用焊接機器人工作站可以實現農業機械設備的快速生產和柔性生產，既可完成批量化的農業機械焊接組裝工作，又可實現個性化的農業機械焊接作業，對于農機企業而言，焊接機器人工作站實用性強，具有較高的經濟價值，未來應用市場廣闊。