道路護欄橋梁圍欄機器人工裝夾具設計
1.系統概要
本焊接機器人系統由兩臺弧焊機器人FANUC M-10ia/8L、兩臺焊接電源FANUC P400雙脈沖焊機、一臺一軸變位機以及兩臺一軸移動裝置等組成?機器人控制軸數為8軸, 能夠方便實現護欄圍欄高效、可靠的自動焊接?該系統結構緊湊，生產效率高，手動夾具設計，操作工序簡便。
方案示意圖如下：
護欄圍欄機器人工作站技術特點：
（1） 專門針對方管圓管機器人焊接領域開發優化的機器人系統，具有完善的中厚板焊接解決方案及非常成熟的實踐經驗；
（2） 夾具為手動結構，最優化設計，適用各規格工件。使用快捷、可靠；
（3） 該系統為設備本身及人員提供了充分的安全保障和良好的工作環境。
2.適用工件
(1)工件名稱: 護欄圍欄
(2)工件規格: 最大質量: 400kg
外形尺寸：最大尺寸2500×940
最小尺寸 1100×940
(3)組對情況： 有。點焊點位置基本固定，焊點焊角高小于3mm。組對間隙應小于2mm，當間隙大于2mm時應該手工補焊，補焊焊縫均勻。
(4)焊縫形式：按圖紙要求方管角焊縫對接。
3.焊接條件
焊接方法 : 氣體保護電弧焊接 Ar(80%)+CO2 (20%)
焊接姿勢 : 水平焊接
焊絲 : φ1.2mm 實芯焊絲
焊絲伸出長度: Φ1.2mm－22mm
4.系統構成和規格
4.1. 系統構成(表中數量為1套系統所屬數量)
名 稱 | 規 格 | 數 量 |
焊接機器人 | FANUC M-10ia/8L | 2 |
焊接電源 | FANUC P400雙脈沖焊機 | 2 |
送絲裝置 | RFW651B | 2 |
單絲焊槍 | GC350 | 2 |
降壓變壓器(系統用) | TSMTR30HGE | 1 |
清槍、剪絲裝置 | ARS－77 | 2 |
雙夾持1軸變位機 | R1-4000E-3S | 1 |
機器人移動裝置 | TH-8000ESH | 2 |
夾緊夾具 | 2 | |
護欄 | 1 |
4.2.各部的規格和構成
4.2.1焊接機器人FANUC M-10ia/8L技術規格：
機器人本體 | 6軸焊接機械手 150kg | 焊接 | ||
機器人安裝規格 | 腕部標準型 | |||
機器人可搬運質量 | 10kg | |||
運動最大半徑 | 2138mm | |||
驅動方式 | AC伺服電機 | |||
重復定位精度 | ±0.1mm | |||
各軸動作角度 | S1（旋回） S2（下支臂） S3（上支臂） S4（腕部 回轉） S5（腕部 彎曲） S6（腕部 扭轉） | ±150o ＋140o～－80o ±110o ±180o ±135o ±200o | ||
使用環境 | 溫度 濕度 高度 振動 | 使用溫度范圍:-10℃～+45℃ 20～90% 不結露范圍(使用時·保存時) 1000m以下 4.9m/s2(0.5G)以下 | ||
機器人控制箱CA型 | 600×1100×400mm?100kg | 焊接 | ||
使用環境 | 溫度 濕度 高度 | 動作中 -10℃～45℃, 20～90% 不結露范圍(使用時·保存時) 1000m以下 | ||
初級側電源 | AC200～220V+10%?-15%,3Phase,50/60Hz±3Hz | |||
示教操作器 | 外形尺寸·重量 語言 表示區域 連接裝置 異常停止按鈕 | 300×200×50mm?1.1kg 中文/日文 115.2×86.4mm?液晶顯示 帶有背光照明 小型閃存槽 2頻異常停止按鈕 |
焊接 | |
電纜類 控制電纜 延長電纜 控制電纜 控制電纜 |
機器人控制箱～機器人本體 機器人控制箱～機器人本體 機器人控制箱～示教操作器 機器人控制箱～焊接電源 |
5m× 3 根 20m×3 根 20m×1 根 5m× 1 根 | 焊接 | |
焊槍安裝工具 | 腕部彎曲長度600mm?焊槍角度35°用 | 焊接 | ||
電弧點調整棒 | 腕部彎曲長度600mm用 | 焊接 | ||
送絲電纜 | 5m | 焊接 | ||
工 具 | 內六角扳手組合 | 焊接 | ||
備用保險 | 焊接 | |||
福尼斯弧焊的標準軟件功能
功 能 | 備 注 |
接觸傳感程序包 | ■貴公司若指定焊絲需提供2盤以供精度調試※1 |
電弧跟蹤 | 使用電弧傳感時的功能※2 |
腳長管理功能(偏厚功能) | ※3 |
電弧重起功能 | ※4 |
數據庫功能 | ※5 |
坡口多層焊接程序包 | |
變位機空轉回避功能（僅回轉軸） | ※6 |
再生暫時停止自動恢復功能 | ※7 |
粘絲自動解除功能 | ※8 |
噴嘴接觸回避功能 | ※9 |
遙控坐標系選擇功能 | 直交、工具、便利、各軸、工件等各坐標系 |
狀態顯示功能 | 機器人?移動裝置的位置座標，外部信號狀態等 |
程序編輯功能 | 位置、命令的更改、插入、刪除 程序復制、刪除、合并 |
程序變換功能 | 平行·回轉移動、鏡像變換、焊槍平移等 |
程序調出功能 | |
生產管理?歷史顯示功能 | |
示教/再生切換功能 | |
焊接相關參數切換功能 | ※10 |
斷電再生功能 | |
程序存儲器容量 | ※11 |
外部記憶 | 閃存卡 |
接口 | 以太網２ｃｈ |
焊接條件自動設定功能 | ※12 |
※1 接觸傳感功能
焊絲接觸傳感功能是開始點傳感、3方向傳感、焊接長傳感、圓弧傳感、根隙傳感、多點傳感等的集合。機器人通過焊絲端部傳感電壓，檢測焊接工件偏差、坡口尺度,記憶工件或焊縫位置，利用這些功能，可以使焊接過程不受由于工件的加工、組對拼焊和焊接裝夾定位帶來的誤差的影響，自動尋找焊縫并識別焊接情況，保證能夠順利地焊接。其優勢在于焊槍不需要外加其他設備，以施焊焊絲為檢測傳感器，精度高，可達性好。
<1>開始點傳感功能
開始點傳感功能是，在焊接中預先檢測焊接線的中央位置，其與示教時工件的偏移量作為糾正量，糾正以后的焊接線的位置偏移的功能。
<2>3方向傳感功能
３方向傳感功能分別進行ｘ、ｙ、ｚ的３方向的傳感，對于示教位置將示教的檢測點（工件基準點）和根據傳感動作檢測出的檢測點之間的差別，進行加算糾正。3方向傳感從工件的偏移傾向開始到決定傳感順序，即使僅是1方向的傳感也可實行。
<3>焊接長傳感功能
焊接長傳感功能是3方向傳感的擴張功能，僅對焊接開始點或者焊接終了點檢測平行偏移，糾正示教位置的功能。主要適用于焊接線長度有誤差的場合和焊接長因工件而變化的場合。
<4>圓弧傳感功能
圓弧傳感功能是檢測具有一定彎曲率的圓弧形狀工件的基準面（省略設定中水平面（ＸＹ平面））內的平行偏移，糾正示教位置的功能。
<5>多點傳感功能
多點傳感功能是，在多點傳感區間開始／終了命令所包含的區間中，在此區間焊接線的全示教點進行開始點傳感、糾正示教點的功能。
<6>接觸探測傳感功能
接觸探測傳感功能，是對工件全體的偏移和坡口的偏移不一致的焊接對象，檢測其坡口附近的功能。
<7>間隙傳感功能
間隙傳感功能是對焊接坡口底部間隙連續變化的工件，預先測量好底部間隙的變化，并在實際焊接時根據測量的結果，對焊接條件（焊接速度、擺動條件）進行 補償的功能。
<8>變位機角度補正傳感功能
傳感糾正量的變位機反映功能是，通過與3方向傳感功能組合使用，檢測工件安裝時發生的工件回轉偏移糾正量，并將此糾正量在變位機軸上反映的功能。
※2 電弧跟蹤
電弧跟蹤功能是在焊接中進行擺動焊接的同時，根據焊接電流反饋值的變化，尋找焊接線的中心，實時修正焊接工件的偏差，自動檢測焊接線的位置，追蹤位置偏移的功能。在電弧跟蹤中有焊接線跟蹤（左右方向跟蹤和上下方向跟蹤）和坡口幅度跟蹤（為選購項）。電弧傳感的最大追蹤范圍，會因為電弧現象、焊接條件而不同。電弧傳感的追蹤范圍是焊接速度越快，擺動次數越少越跟蹤范圍越小，而焊接速度越慢，擺動次數越多跟蹤范圍越大。直線焊縫最大跟蹤范圍為：40mm/500mm,圓弧焊縫工件中心的偏移容許范圍最大跟蹤范圍為：200mm直徑圓中心允許偏差3mm（大于3mm時配合使用接觸傳感中的圓弧傳感功能糾正）
4.2.2控制柜
注：
?控制系統全部設計制作，控制柜采用密封設計?
?示教操作器具有操作模式轉換?暫停?急停等操作功能?操作界面所用語言為中文?
?示教操作器具有機器人編程操作按鍵?選擇鍵?各軸操作鍵?數字/應用鍵?急停按鈕?安全開關等,采用背光液晶顯示?
?示教操作器可完成座標系選擇?各示教點修改?各軸點動操作,對焊接速度?焊接電流?電壓進行工作中或停止中進行微調修改?
?通過示教操作器可以顯示機器人本體?周邊設備報警?自診斷?報警內容記錄?
?編程方式采用示教?菜單提示?人機對話方式?
?具有關節運動?直線及圓弧插補?工具姿態控制功能?
4.2.3 焊接裝置
(1) 高效率逆變MAG電源 FANUC P400雙脈沖焊機 2套
| 型 式 | UC500 |
額定輸入 額定輸入電壓?頻率?相數 輸出電流?電壓 額定暫載率 外形尺寸 重量 冷卻方式 | 30 KVA AC380±10%,50/60Hz,3相 50～500A,15～45V 500A-100% 363W×775H×613Dmm 96 Kg 風冷 |
SRW UC500為先進節能的全新逆變電源，由微電腦處理芯片實現焊接過程控制，控制精確、可靠，焊接性能優越，焊接質量優良，可保證低飛濺焊接。高頻逆變技術使電源體積及能耗顯著降低，高速波形控制技術，有效抑制短路上升電流，改善短路過渡特性，從而大量減少焊接飛濺量，提高焊接穩定性。先進的引弧方法及脈沖回燒程序保證了焊絲不結球，提高了引弧的可靠性。高性能穩定控制的收弧及停弧前的電流控制保證收弧性能及避免粘絲。
(2) 送絲裝置 2套
型 式 | RFW651B |
適用焊絲徑 送絲速度 | φ1.2mm/φ1.6mm 0～25 m/分 |
(3) 單絲焊槍（600mm）：RTW502-LL-S220 2套
型 式 | RTW502-LLS220 |
使用率(10分額定) 冷卻方式 適用焊絲 焊槍電纜形狀 | 500A-100%(CO2)?500A-80%(Ar+ CO2) 水冷 φ1.2mm、φ1.6mm 一體型 |
專門為機器人進行焊接而設計，具有優良的剛度碰撞后無需矯形。并帶有防碰撞傳感器，當焊槍遭受猛烈撞擊時,發出報警,機器人停止,可以避免焊槍及機器人損壞?一體式水冷，適應大電流焊接。
4.2.4 清槍剪絲裝置： 
移動裝置示意圖
采用伺服電機驅動，在焊接時可與機器人協調動作
移動裝置型號 | TH-8000ESH | ||
移動方向 | 左右 | 前后 | 上下 |
移動行程 | 8000mm | ||
再生時 | 15m/min | ||
示教／遙控時（MAX） | 7.5m/min | ||
同期焊接時 （MAX） | 3m/min | ||
〔定位精度〕 １mm以內
〔焊絲〕 移動裝置搭載、最大350kg
4.2.7雙夾持1軸變位機
機器人焊接變位機示意圖
? 變位機本體 型式 R1-6000E-3S
〔最大搭載質量〕1000kg(含有夾緊夾具質量)
〔最大偏荷重〕 900N?m
〔動作范圍、動作速度〕
傾斜軸 | |||
回轉角度 | +45°~-225° | ||
動作速度 | 再生時 (MAX) | 3rpm | |
示教遙控時 (MAX) | 1rpm | ||
連動焊接時 (MAX) | 1rpm | ||
＊回轉軸是具備空轉回避功能的多回轉規格。
〔回轉定位精度〕 ±0.115deg以內（1000mmφ的圓周在１mm以內）
4.2.8方管支架夾緊夾具工裝實物示意圖：
氣動手工夾具示意圖：
1） 夾緊夾具推薦采用手動形式,夾緊?放松操作方便。
2） 夾具可適應各種工件規格?
4.2.9機器人變壓器
額定輸入電壓 | 3相 AC380V 50/60Hz |
額定輸出電壓 | 3相 AC200V 50/60Hz |
額定容量 | 30KVA |
FANUC弧焊機器人 使用說明書?操作說明 ‥‥‥ 1本
焊接電源 使用說明書 ‥‥‥ 1本
送絲機 使用說明書 ‥‥‥ 1本
焊槍 使用說明書 ‥‥‥ 1本
冷卻水循環器 使用說明書 ‥‥‥ 1本
變位機 使用說明書 ‥‥‥ 1本
5．機器人焊接效率計算和主要焊縫焊接姿勢
5.1. 焊縫效率討論結果
⑴ 焊接系統構成
焊接系統的概略構成如以下所示。（詳細內容如系統方案圖所示。）
·地面機器人：ARCMAN－XL —————————— 2臺
·一軸移動裝置 —————————————————— 2臺
·雙夾持一軸變位機 —————————————————— 1臺
⑵ 機器人適用焊縫
機器人可以焊接的焊接線如護欄圍欄焊縫圖所示。
⑶ 機器人的適用性
機器人的適用性見焊縫圖。
⑷ 一，焊接效率的計算結果
計算了護欄圍欄焊縫圖所示機器人適用焊接線的時間。結果如表－1所示，詳細計算參數請參看適用率及焊接效率計算表。
（結果是2臺機器人焊接時的焊接時間結算結果。）
表－1. （10T）護欄圍欄焊接時間結算結果
機器人適用焊接線長 | 39.258m |
機器人焊接的熔融金屬量 | 18kg |
焊接時間 | 100分 |
焊接以外的必要時間 | 20分 |
生產節拍 | 120分 （不含上下件時間） |
機器人適用率 | 88.21%（占總焊縫長度） |
圖1—（10T）護欄工裝夾具示意圖：
6．操作方法和流程
(1)示教作業
①將工件置于工裝平臺上,定位?
②打開設備電源?
③將機器人操作箱上運轉模式鍵設定在示教模式一側?
④進行示教作業前的確認作業?(首次工作進行,一次完成后,以后無需進行此步驟)
1)調整焊絲伸出長度為22mm?
2)使用原點棒,調整電弧點?
⑤使用示教操作器進行示教作業。(首次工作進行,一次完成后,以后無需進行此步驟)
a)焊接程序
1)遙控機器人,作成軌跡?即使在多道焊的場合,軌跡也僅做成第1層?參考現狀下的焊接方法,預先決定焊接順序和焊接方向?為了便于更改焊接順序,將每條焊接線的示教程序分開?
2)設定命令代碼?
例如,在焊接開始點傳感的時候,僅僅指定命令代碼和坡口種類,機器人就會自動生成傳感動作?
3)在數據庫中設定焊接條件?焊接電流?焊接電壓?焊接速度?擺動條件?收弧條件?
4)確認示教程序有無錯誤,程序是否傳送至步驟?如果有錯誤,進行修改?
5)遙控機器人移動至退避位置(程序的開始位置?終了位置)?
b)相關作業程序
做成噴嘴清潔器?剪絲器等相關作業的程序?
⑥將程序保存在外部記憶(閃存卡)中?
(2)再生作業(自動運轉)
①從安全欄內出來,插上安全欄的安全栓?
②將機器人操作箱的運轉模式鍵變更至再生模式側?
③確認安全欄內無人,機器人動作范圍內沒有干涉物?
④通過外部啟動單元設定該程序編號,進行再生?
⑤只要不發生異常停止,焊接程序和相關作業程序就會自動再生,所以不需要操作員的監視?
⑥由于電弧異常等輕異常發生停止時,狀態顯示燈從黃色變為紅色,以此通知操作員?
⑦以下所示為異常處理作業的順序?
1)將運轉模式鍵變更至示教模式側,進入安全欄內?
2)確認異常狀態,排除異常的原因?如果使用暫時停止點自動恢復功能,機器人可以從異常停止的位置自動再次啟動?
3)進行適當的處理后,從安全欄內出來,插上安全栓?
4)將運轉模式鍵變更至再生模式側,進行再啟動?
⑧再生運轉結束后,將運轉模式鍵變更至示教模式側,進入安全欄內,確認焊接狀態?需要更改焊接條件時,修正數據庫?
⑨將程序保存在外部記憶(閃存卡)中?
⑩循環，相同規格工件裝夾完成后調用固定示教好的程序，外部啟動，開始焊接，完成焊接后卸件，完成一循環。
7.制造?安裝?運轉分工范圍
內 容 | 我公司 | 貴公司 | 備注 | |
制作 ? 搬運 ? 現場 施工
| 1.設計?制作(系統制作的范圍)?試運轉 | ○ | ||
2.試運轉驗收 | ○ | ○ | ||
3.運輸(唐山開元→貴公司) | ○ | |||
4.裝卸?搬運作業(抵達安裝場所的作業) 搬運路徑的確保?起重機的借貸 | ○ | ○ | ||
5.安裝?調整?試運轉 | ○ | |||
6 .安裝調試后各項幾何精度的調試及初步檢測 | ○ | |||
7 .系統使用操作指導 維修培訓 | ○ | ○ | ||
8 .操作員培訓 | ○ | ○ | ||
9 .調試中的示教 | ○ | ○ | ||
基礎 工程 | 1 .混凝土地基的詳細圖紙 | ○ | ||
2 .混凝土地基?或者鋼板地基設置工事 | ○ | |||
3 .機器人以及周邊裝置固定用地腳螺栓 | ○ | |||
4 .上述螺栓的固定作業 | ○ | |||
電氣 工程
工廠 空氣 | 1.分電盤(機器人?焊接電源?周邊裝置) | ○ | ||
2.一次側配線材料以及施工 (斷路器～我公司裝置端子) | ○ | |||
3.焊接用接地電纜 | ○ | |||
4.確保D種接地 | ○ | |||
5.D種接地棒?配線材料?施工 | ○ | |||
6.一次側電纜?軟管保護用支架?線槽?壓縮空氣氣源 | ○ | |||
7.安全欄以及聯鎖開關?配線材料?施工 | ○ | |||
8.噴嘴清潔器用以及剪絲器用 空氣軟管的準備(全部連接口為PT3/8量) | ○ ○ | |||
9.空氣過濾器?調節器 | ○ | |||
其他 | 1.夾具 | ○ | ||
2.帶有保護氣體流量計的調節器 | ○ | |||
3.焊絲導出夾具 | ○ | |||
5.示教用工件的準備?發放 | ○ |
(1) 安裝施工時,請無償借予天車?應用工程物品；
(2) 請確保安裝場所的混凝土厚度不小于150mm?
