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摘 要：对拖拉机地板纵梁机器人焊接工作站进行整体设计，重点就工作站的组成部分及选型等关键部分进行研究。要求工作站具有结构紧凑、焊接质量稳定、装配简单快捷、工作安全可靠、性价比高等特点。同时，要系统单元柔性好，易于调整，可适合多种规格尺寸同类工件的焊接。
关键词：拖拉机地板;焊接机器人;工作站组成
拖拉机驾驶室主要由地板总成、前围总成、后围总成、左侧围总成、右侧围总成和顶蓋总成焊接组成，各分总成又划分为若干个部件。地板总成是驾驶室的主要承载部件，承受着包括驾驶室自身零部件重量及行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等负荷，其焊接质量直接影响着后续驾驶室焊接总成质量和驾驶室的安全性。而地板纵梁总成是地板总成的主要承载件，是整车的关键部件之一，因此，地板纵梁总成的焊接质量关系到整车的安全性、可靠性。
地板纵梁产品由冲压成形的纵梁与多个冲压成形的加强件进行组焊构成。零件为小零件，焊缝多，且焊缝较短，非常适合采用焊接机器人来完成，即可以提高生产效率和焊接质量，又能减轻工人的劳动强度。地板纵梁焊接件均为规则的直线和圆弧焊缝，因此所有焊缝均是变位夹具转到合适的位置后，机器人焊枪才开始焊接，无需协调联动。
1 焊接机器人工作站的构成及选型
为适应驾驶室地板纵梁产品大批量生产弧焊焊接自动化，对焊接机器人系统提出了较高的要求。根据左、右地板纵梁总成产品特点以及将来同类产品生产的柔性化考虑，采用双工位单机器人的工作方式，左、右纵梁总成分别在机器人两侧不同的焊接夹具上通过机器人转位实现交替焊接，当一侧机器人焊接时，另一侧由人工进行装卸工件，大大的提高了生产率。机器人焊接工作站系统包括机器人本体、机器人控制器、焊接夹具、变位机、焊接电源、送丝机构、焊枪及焊枪把持器（带防撞传感器）、工作站电气控制系统、HMI操作站、安全防护装置、焊接辅助装置（排烟除尘装置、清枪剪丝喷硅油装置、TCP校准装置、原位检测装置、C02保护气体供气系统等）。
1.1 焊接机器人的结构
在机器人焊接工作站中，机器人的主要作用是操作焊枪进行焊接作业，并与系统控制器进行通信，实现对机器人的作业控制。主要从自由度，额度负载，工作范围，最高速度及重复定位精度等方面考虑。系统的机器人选用德国KUKA公司机器人，机器人的硬件结构由机器人本体、KRC2控制柜、示教器KCP三部分组成。采用典型的六关节控制机器人，各关节均能任意旋转，动作平滑，本体占用空间小，作业范围大，可靠性高，平均故障间隔时间7万小时，重复定位精度±0.1mm，可以满足地板纵梁产品对工业机器人的要求。
1.2 焊接设备
弧焊机器人工作站的焊接设备包括焊接电源、送丝机构、焊枪、把持器及防撞传感器等。
焊接电源焊接电源的功率需满足机器人自动化所要求的高输出、高稳定性，焊接电源的负载持续率是衡量其功率输出的重要参数。通常以10分钟作为测定周期，对连续工作时间进行标定。因为机器人焊接的燃弧率比手工焊高得多，机器人用的焊接电源也应选用较大容量的。
电源是由IGBT逆变控制的具有一元化调节功能的高性能焊接电源。它可用于CO2和MAG焊等多种焊接方法。TS4000为数字化焊机，配合KUKA机器人控制系统的先进数字化技术，使得焊机与机器人之间的若干个通讯信号，可以转变为两组进、出数字串信号，数字化信号代替了模拟信号，减少了通讯线数量，编程操作更简化。
焊枪采用TBI RM70G空冷焊枪，机器人焊枪与手工半自动用鹅颈式焊枪基本相同，鹅颈的弯度一般都小于450，根据工件特点选择不同角度的鹅颈。但如果弯度太大，送丝阻力大，容易导致送丝不稳;角度太小，导电嘴稍有磨损，容易出现导电不良现象。
防碰撞传感器对于弧焊机器人来说，必须在焊枪把持器上配备防碰撞传感器，其作用是当机器人运动时，万一焊枪碰到障碍物，能使机器人立即停止运动，相当于急停开关，避免损坏焊枪或机器人。选用TBI配套的机器人防碰撞传感器。其功能是焊枪依靠预载弹簧实现准确定位，在碰撞发生时，弹簧弯曲后启动开关，机器人立即停止运行。由于碰撞脱离机构的屈从设计，碰撞发生后不需要对焊枪重新校验。
1.3 焊接夹具
焊接夹具是机器人焊接工作站的必要装备，是确保地板纵梁总成焊接质量的关键环节。焊接夹具是用来对待焊的工件进行准确定位和可靠夹紧，然后进行施焊工作。
地板纵梁总成焊接夹具都采用气动夹紧电气控制，夹紧和拆卸快捷方便。气动系统结构简单，使用维护方便，成本低廉，气动执行元件的输出速度高，在汽车生产线上应用非常普遍。夹具的动作是由PLC的输出控制电磁阀，再由电磁阀控制气缸完成的。夹紧时操作工按顺序先手动将工件定位，按下铵钮用气缸将工件依次压紧或用手动压紧方式压紧工件。拆卸工件时，变位机翻转到位后，所有气缸同时打开，使拆卸工件时间缩短。夹具设计能实现系列车型柔性化生产，并且能快速切换。直线导轨采用台湾HIWIN产品。气动元件采用德国德珂斯和FESTO产品。
1.4 焊接变位机
焊接变位机的作用主要是完成焊接夹具的变位动作，从而保证夹具上的待焊工件处在正确的焊接位置。为了焊接过程中使整条焊缝的各个点熔池始终处于水平或稍微下坡状态，使焊缝外观尽可能平滑、美观，这就需要变位机与机器人焊枪协调动作，并且保证焊接速度和焊枪姿态在合理要求范围内。
地板纵梁机器人弧焊工作站采用KUKA公司的单轴翻转变位机，可180度翻转，用来翻转夹具及其工件，达到与机器人协调焊接工件，使工件上的焊缝出处于最佳焊接位置。变位机作为机器人外部轴，由机器人控制柜（KRC2）控制，要求运动精确、快速。KUKA系列变位机由驱动单元、从动单元及机架组成，可实现工件的平稳变位和精确定位。电机驱动端带有零点校正装置，相同负载的变位机驱动单元及从动单元可以互换。变位机的重复定位精度为±0.1mm。
1.5 工作站辅助设备
弧焊机器人工作站的辅助设备包括机器人底座、清枪剪丝喷硅油装置、安全防护装置及排烟除尘装置等。
机器人底座机器人底座的是把机器人安装在一个合适的高度上，使机器人的焊枪能达到所有需要焊接的部位，且还要考虑到操作和维护的方便与安全。
清枪剪丝喷硅油装置C02气体保护焊在焊接时会产生飞溅，这些飞溅会粘在焊枪的喷嘴和导电嘴上，即影响气体保护效果，还可能影响送丝的稳定性。因此，每焊完一个工件后就得对喷嘴和导电嘴进行一次清理。因此，弧焊机器人系统都要配备清枪装置。另外为了保证引弧的成功率和焊接过程稳定还要配备剪丝装置，剪除焊丝尖端小球并保证焊丝干伸长度一致。
2 机器人工作站布局设计
为了充分发挥机器人的生产能力，需要对工作站进行合理的布局和规划，主要有设备的布置及电、气配置等。首先根据车间的生产工艺流程及现场工艺布局确定工作站的安装位置，然后合理布置机器人的安装位置和安装形式，适合柔性化生产，再根据机器人的位置及工作范围确定变位机、清枪器、TCP校准装置、原点检测装置等设备的位置。人机界面及操作箱的设计及布置要求方便操作及使用，PLC柜、机器人控制柜及焊机的布置应不影响物流输送及人工上件，放置于工作站侧面，紧凑美观，然后根据设备的功率及控制要求选择配线规格及数量。最后根据设备位置确定电、气接口位置，要求简单、合理。
3 小结
拖拉机驾驶室地板纵梁的产品特点及焊缝分布，对焊接机器人工作站的构成、布局、硬件配置及工作方式等方面研究，对于提高焊接质量，改进焊接速度具有重要意义。
参考文献
[1]杨永波，崔彤，白德滨.焊接机器人工作站系统设计原则探讨.焊接.2014年8月.19-22
[2] 李金平.焊接机器人在汽车座椅骨架焊接中的应用分析.工艺与设备.2018年11月.195
作者简介：
滕文建（1971-），女，山东交通职业学院副教授，从事机械制造工程教学与研究。
关键词：拖拉机地板;焊接机器人;工作站组成
拖拉机驾驶室主要由地板总成、前围总成、后围总成、左侧围总成、右侧围总成和顶蓋总成焊接组成，各分总成又划分为若干个部件。地板总成是驾驶室的主要承载部件，承受着包括驾驶室自身零部件重量及行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等负荷，其焊接质量直接影响着后续驾驶室焊接总成质量和驾驶室的安全性。而地板纵梁总成是地板总成的主要承载件，是整车的关键部件之一，因此，地板纵梁总成的焊接质量关系到整车的安全性、可靠性。
地板纵梁产品由冲压成形的纵梁与多个冲压成形的加强件进行组焊构成。零件为小零件，焊缝多，且焊缝较短，非常适合采用焊接机器人来完成，即可以提高生产效率和焊接质量，又能减轻工人的劳动强度。地板纵梁焊接件均为规则的直线和圆弧焊缝，因此所有焊缝均是变位夹具转到合适的位置后，机器人焊枪才开始焊接，无需协调联动。
1 焊接机器人工作站的构成及选型
为适应驾驶室地板纵梁产品大批量生产弧焊焊接自动化，对焊接机器人系统提出了较高的要求。根据左、右地板纵梁总成产品特点以及将来同类产品生产的柔性化考虑，采用双工位单机器人的工作方式，左、右纵梁总成分别在机器人两侧不同的焊接夹具上通过机器人转位实现交替焊接，当一侧机器人焊接时，另一侧由人工进行装卸工件，大大的提高了生产率。机器人焊接工作站系统包括机器人本体、机器人控制器、焊接夹具、变位机、焊接电源、送丝机构、焊枪及焊枪把持器（带防撞传感器）、工作站电气控制系统、HMI操作站、安全防护装置、焊接辅助装置（排烟除尘装置、清枪剪丝喷硅油装置、TCP校准装置、原位检测装置、C02保护气体供气系统等）。
1.1 焊接机器人的结构
在机器人焊接工作站中，机器人的主要作用是操作焊枪进行焊接作业，并与系统控制器进行通信，实现对机器人的作业控制。主要从自由度，额度负载，工作范围，最高速度及重复定位精度等方面考虑。系统的机器人选用德国KUKA公司机器人，机器人的硬件结构由机器人本体、KRC2控制柜、示教器KCP三部分组成。采用典型的六关节控制机器人，各关节均能任意旋转，动作平滑，本体占用空间小，作业范围大，可靠性高，平均故障间隔时间7万小时，重复定位精度±0.1mm，可以满足地板纵梁产品对工业机器人的要求。
1.2 焊接设备
弧焊机器人工作站的焊接设备包括焊接电源、送丝机构、焊枪、把持器及防撞传感器等。
焊接电源焊接电源的功率需满足机器人自动化所要求的高输出、高稳定性，焊接电源的负载持续率是衡量其功率输出的重要参数。通常以10分钟作为测定周期，对连续工作时间进行标定。因为机器人焊接的燃弧率比手工焊高得多，机器人用的焊接电源也应选用较大容量的。
电源是由IGBT逆变控制的具有一元化调节功能的高性能焊接电源。它可用于CO2和MAG焊等多种焊接方法。TS4000为数字化焊机，配合KUKA机器人控制系统的先进数字化技术，使得焊机与机器人之间的若干个通讯信号，可以转变为两组进、出数字串信号，数字化信号代替了模拟信号，减少了通讯线数量，编程操作更简化。
焊枪采用TBI RM70G空冷焊枪，机器人焊枪与手工半自动用鹅颈式焊枪基本相同，鹅颈的弯度一般都小于450，根据工件特点选择不同角度的鹅颈。但如果弯度太大，送丝阻力大，容易导致送丝不稳;角度太小，导电嘴稍有磨损，容易出现导电不良现象。
防碰撞传感器对于弧焊机器人来说，必须在焊枪把持器上配备防碰撞传感器，其作用是当机器人运动时，万一焊枪碰到障碍物，能使机器人立即停止运动，相当于急停开关，避免损坏焊枪或机器人。选用TBI配套的机器人防碰撞传感器。其功能是焊枪依靠预载弹簧实现准确定位，在碰撞发生时，弹簧弯曲后启动开关，机器人立即停止运行。由于碰撞脱离机构的屈从设计，碰撞发生后不需要对焊枪重新校验。
1.3 焊接夹具
焊接夹具是机器人焊接工作站的必要装备，是确保地板纵梁总成焊接质量的关键环节。焊接夹具是用来对待焊的工件进行准确定位和可靠夹紧，然后进行施焊工作。
地板纵梁总成焊接夹具都采用气动夹紧电气控制，夹紧和拆卸快捷方便。气动系统结构简单，使用维护方便，成本低廉，气动执行元件的输出速度高，在汽车生产线上应用非常普遍。夹具的动作是由PLC的输出控制电磁阀，再由电磁阀控制气缸完成的。夹紧时操作工按顺序先手动将工件定位，按下铵钮用气缸将工件依次压紧或用手动压紧方式压紧工件。拆卸工件时，变位机翻转到位后，所有气缸同时打开，使拆卸工件时间缩短。夹具设计能实现系列车型柔性化生产，并且能快速切换。直线导轨采用台湾HIWIN产品。气动元件采用德国德珂斯和FESTO产品。
1.4 焊接变位机
焊接变位机的作用主要是完成焊接夹具的变位动作，从而保证夹具上的待焊工件处在正确的焊接位置。为了焊接过程中使整条焊缝的各个点熔池始终处于水平或稍微下坡状态，使焊缝外观尽可能平滑、美观，这就需要变位机与机器人焊枪协调动作，并且保证焊接速度和焊枪姿态在合理要求范围内。
地板纵梁机器人弧焊工作站采用KUKA公司的单轴翻转变位机，可180度翻转，用来翻转夹具及其工件，达到与机器人协调焊接工件，使工件上的焊缝出处于最佳焊接位置。变位机作为机器人外部轴，由机器人控制柜（KRC2）控制，要求运动精确、快速。KUKA系列变位机由驱动单元、从动单元及机架组成，可实现工件的平稳变位和精确定位。电机驱动端带有零点校正装置，相同负载的变位机驱动单元及从动单元可以互换。变位机的重复定位精度为±0.1mm。
1.5 工作站辅助设备
弧焊机器人工作站的辅助设备包括机器人底座、清枪剪丝喷硅油装置、安全防护装置及排烟除尘装置等。
机器人底座机器人底座的是把机器人安装在一个合适的高度上，使机器人的焊枪能达到所有需要焊接的部位，且还要考虑到操作和维护的方便与安全。
清枪剪丝喷硅油装置C02气体保护焊在焊接时会产生飞溅，这些飞溅会粘在焊枪的喷嘴和导电嘴上，即影响气体保护效果，还可能影响送丝的稳定性。因此，每焊完一个工件后就得对喷嘴和导电嘴进行一次清理。因此，弧焊机器人系统都要配备清枪装置。另外为了保证引弧的成功率和焊接过程稳定还要配备剪丝装置，剪除焊丝尖端小球并保证焊丝干伸长度一致。
2 机器人工作站布局设计
为了充分发挥机器人的生产能力，需要对工作站进行合理的布局和规划，主要有设备的布置及电、气配置等。首先根据车间的生产工艺流程及现场工艺布局确定工作站的安装位置，然后合理布置机器人的安装位置和安装形式，适合柔性化生产，再根据机器人的位置及工作范围确定变位机、清枪器、TCP校准装置、原点检测装置等设备的位置。人机界面及操作箱的设计及布置要求方便操作及使用，PLC柜、机器人控制柜及焊机的布置应不影响物流输送及人工上件，放置于工作站侧面，紧凑美观，然后根据设备的功率及控制要求选择配线规格及数量。最后根据设备位置确定电、气接口位置，要求简单、合理。
3 小结
拖拉机驾驶室地板纵梁的产品特点及焊缝分布，对焊接机器人工作站的构成、布局、硬件配置及工作方式等方面研究，对于提高焊接质量，改进焊接速度具有重要意义。
参考文献
[1]杨永波，崔彤，白德滨.焊接机器人工作站系统设计原则探讨.焊接.2014年8月.19-22
[2] 李金平.焊接机器人在汽车座椅骨架焊接中的应用分析.工艺与设备.2018年11月.195
作者简介：
滕文建（1971-），女，山东交通职业学院副教授，从事机械制造工程教学与研究。