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汽车油箱机器人自动化焊接工作站设计方案

发布时间:2019-05-22人气:12

1、项目组成

油箱焊接机器人工作站包括一套机器人和两个焊接工位,可适用于各规格油箱的焊接。

2、工件参数:

材质:16Mn低碳钢   

厚度:2mm

尺寸:700*700*2000(最大规格)

焊缝规格:指接焊缝

工件重量:500kg左右

焊前工艺:人工点焊

3、总体方案说明:

3.1焊接工艺

油箱为方形结构,焊缝形式为指接形式,焊缝宽度为2+2共4mm,若采用co2或MAG焊接方式,那么焊缝宽度有限,只能采取小电流来进行焊接,由于工件属于结构件,焊缝缝隙有较大变化,这时若加大送丝填充缝隙,会带来焊接电流的增加,易发生咬边烧蚀等焊接问题。


TIG焊接方法有电弧稳定、能量集中等优点,相比较co2、MAG更容易控制焊接稳定性,通过填丝的方式满足焊缝的工艺要求,而且在焊缝缝隙较大的位置可以提高 送丝速度来填充金属,而不会影响焊接参数,由于工件产量不高而且为高质量要求的工件,因此该方案选用TIG焊接方法进行工件焊接。

3.2焊接机器人

机器人柔性度高,只需要编制相对应机器人程序,即可满足于多种规格型号工件的焊接需要。此外,为了减少工件变形,需要在焊接时按照一定的焊接顺序和焊接方向进行焊接,机器人完全可以满足这样的焊接要求。


目前,机器人主要制造商集中在欧洲和日本。日本机器人虽然在使用寿命,机械刚度,扩展功能相对于欧洲机器人略逊一筹,但是物美价廉。不过日本机器人存在对军工企业的限制问题。


3.3    焊接工位


由于焊缝分布在工件6个面上,因此需要变位机对工件进行翻转变位才能使机器人焊接到所有焊缝。变位机采用头尾架形式,旋转轴与地面水平。为了适应不同长度的工件装夹,尾架可前后移动。


为了提高生产效率,在机器人两侧分别布置一套变位机,一套变位机进行焊接,另一套进行工件装夹。

3.4   机器人运动滑轨

机器人最大运动范围可达2844mm,但最大范围是指机器人手臂伸直时的运动范围,而这个姿态的机器人不可避免的与工件发生干涉;同时若工件靠近机器人,机器人受其自身结构限制,是无法到达的。因此,必须增加机器人有效的运动范围,即提高机器人可达性。


本方案采用高精度机器人运动滑轨来提高机器人可达性。机器人安装在机器人运动滑轨上,不仅可以扩展机器人运动范围,而且在焊接靠近机器人的焊缝时,改善机器人姿态,良好的机器人姿态会提高了送丝稳定性,保证焊接质量。


3.5激光焊缝跟踪系统

由于工件为结构件,焊缝位置会有较大偏差,焊缝间隙不一致等问题,需要通过焊缝跟踪的方法来实施校正机器人焊接位置轨迹,使其能够按照实际焊缝轨迹行走。而直接形成焊缝 为平面焊缝。目前只有激光视觉焊缝跟踪系统可以满足这种焊缝形式的跟踪要求

3.6工装夹具

工装夹具安装在焊接工位的变位机上,工件的工装夹具不采用标准的横梁结构,横梁结构会遮挡焊缝,使机器人难以一次装件完成所有焊缝的焊接。为此采用顶紧的方式来固定工件,这样只需要变位机翻转,即可焊接所有焊缝。

4、工作站设备介绍

4.1焊接机器人系统

4.1.1机器人本体

机器人为一6轴关节式机器人,采用的新型交流伺服电机具有结构紧凑、高输出、响应快、高可靠性等特点,从而使机器人本体紧凑灵活,具有较大的运动空间、更好的稳定性和较高的重复定位精度,尤其适合于三维曲线焊缝的焊接。

 

技术数据如下:

结     构

垂直多关节形(6自由度)

 

 

最大动

作范围

S轴(回旋)

±170o

L轴(上臂)

+155 o,-90 o

U轴(下臂)

+250 o,-175 o

R轴(手腕回旋)

±180 o

B轴(手腕摆动)

+255 o,-45 o

T轴(手腕回转)

±360 o

 

 

最大速度

S轴

3.84rad/s,220 o /s

L轴

3.49rad/s,200 o /s

U轴

3.84rad/s,220 o /s

R轴

7.16rad/s,410 o /s

B轴

7.16rad/s,410 o /s

T轴

10.65rad/s,610 o /s

允许力矩

R轴

11.8N·m(1.2Kgf·m)

B轴

9.8N·m(1.0Kgf·m)

T轴

5.9N·m(0.6Kgf·m)

允许惯性力矩

(CD2/4)

R轴

0.27Kg·m2

B轴

0.27Kg·m2

T轴

0.06Kg·m2

重复定位精度

±0.08mm

负载质量

6Kg

电源容量

3相200V±10%  7KVA

本体质量

130Kg

 

 

 

安装环境

温  度

0~45℃

湿  度

20~80%RH(不能结露)

振  动

0.5G以下

 

其  他

*避免易燃,腐蚀性气体,液体

*勿溅水、油、粉尘等

*勿近电气躁声源

 

4.1.2机器人控制系统

机器人控制柜的控制是基于Intel公司的处理器开发的,采用Windows CE技术的智能运动控制系统。全数字伺服模块给机器人的6个关节的交流伺服电机提供驱动电源,有能力提供多达54个伺服电机轴同步协调控制,完成直线插补和圆弧插补。

 

采用友好和简易的编程界面,图标式按键,使操作人员更加易学和舒适。分布式硬件结构和精简指令集软件能保证严格的时序和任务的执行。记忆容量达到160000步,外部I/O点可达32点。开放式结构,可以与Ethernet、Device-net等网络进行连接。另外,带有过滤网的自循环通风系统可以保证在5℃-45℃范围内正常工作。

 

机器人控制柜的控制系统具有如下的软件功能

l 再引弧功能:可以在第一次引弧失败后,自动再次引燃电弧。

l 再起弧功能:在焊接过程中意外断弧后,能够自动再次起弧。

l 防粘丝功能:防止在熄弧时焊丝与工件的粘连。

l 焊接参数存储与调用功能: 经过优化的焊接参数,可存储于数据库的焊接文件中,通过简单调用程序,即可编入后续编制的同类型焊缝的焊接程序中。

l 摆焊功能:多种焊枪摆动方式供编程时调用,摆动两侧停留时间可按需要设定。

l 故障自诊断显示功能。

技术规格:

控制硬件

多个INTEL CPU分布式硬件结构

存储器

紧凑式闪存卡

最大存储步数

160,000步

可存储出程序数量

9999个

通讯接口

RS232(PC标准串行接口),打印机接口

I/O总线系统

devicenet现场总线

数字输入

16个,可扩展

数字输出

16个,可扩展

输入电压

3相200V ±10%  50~60Hz

功率

5KVA

系统参数


最多可控联动轴

54个

最多可控联动机器人数量

3个

机器人轴

6个,数字式伺服控制

安全等级

IP23

自动监控

各轴工作范围,冷却水,电弧等 

重量

80kg

外形尺寸

558×503×865

 

4.1.3示教编程器

机器人系统配有大屏幕彩色LCD触摸编程器,操作与编程简单明了,具有在线焊接参数修改和故障自诊断显示功能。可转换中/英文显示方式,方便操作者。并且安装有dead-man开关,其一步保证安全。

 

l 可以进行摆动模式,摆动波形的编辑

l 可以进行焊接参数和焊接电流、电压波形的实时显示和参数修改。

l 可以进行多窗口显示。(例如,可以进行程序、焊接参数、输入、输出的同时显示)

l 可以进行内部PLC的梯形图编程,不同其他机器人的语句表编程。使编程更加直观,更加易于掌握。

l 可以显示电机速度变化波形,利于维护人员进行维修和服务

 

技术规格:

显示

6.5"彩色LCD触摸屏,支持中文

重量

0.9kG

编程

在线示教,离线编程(需另配软件)

插补

点对点,直线,圆弧

插补时间

10ms

坐标系

轴坐标 直角坐标 焊枪坐标 工件坐标

伺服控制循环时间

1 ms

通过点

可编程

特殊控制功能

程序平移 焊接顺序 外部轴转动 系统同步控制 自动重复引弧等

 

4.1.4焊接设备系统

焊接电源是全数字式逆变直流脉冲TIG焊接电源。在焊机内部装有数字信号处理器DSP芯片,实现焊接参数、控制程序、填丝速度的全数字化控制,并带有焊接参数的专家系统。该芯片可以精确控制电弧,快速进行反馈和补偿,即使网路电压波动大,同样能保证输出平稳。

由于逆变频率越高,输出电流越平稳,最小电流3A,5A电流就可稳弧,更有利于薄板的精确焊接。脉冲频率从0.2-2000Hz可调,满足于薄板焊接热输入量精确控制的需要。焊机具有接触引弧和数字高频引弧方式,高频强度可调,同普通焊机的电火花高频引弧比具有更高的可靠性。高频引弧可选择转极性引弧,使引弧过程更加迅速。  

焊接电源内部存储了多套经过优化的标准焊接规范参数,操作人员可以根据焊丝直径、材料、保护气体、焊接位置来调用焊接参数,使焊接参数的选择更方便可靠。该焊接电源具有JOB工作方式,每一焊道的焊接参数可以根据接头形式和位置调用焊机内部相应的JOB焊接工作程序。焊接工作程序包括焊接电流、送丝速度、脉冲频率、峰值及基值电流等焊接参数。

数字显示焊接电流、脉冲参数、弧长、送丝速度、焊接工作程序号等参数。可以通过焊机提供的RS485、RS232计算机接口对焊接过程和参数进行实时监控。

技术规格

焊 接 电 源 型 号


额定输入电压

[V]

三相400V±15%

额定频率

[Hz]

50/60

额定功率

[KVA]

15.6

额定输出电流

[A]

3-500

负载持续率

[%]

45(400A 100%)

焊接电压

[V]

12-45

提前送气时间

[s]

0-10

滞后断气时间

[s]

0-10

机器人接口


外置ROBO5000机器人接口

外形尺寸

(长×宽×高)

[mm]

625×290×705

重量

[Kg]

59

防护等级


IP23

4.1.5 水冷TIG焊枪

焊枪是为TIG焊机器人设计的,其特有的17度倾角设计非常适合焊接生产对焊枪姿态的要求。强水冷设计,保证了在长时间焊接时焊枪不会发生损坏。一体化焊枪电缆便于安装和机器人运行。可以配备直径1.0-4.0mm的钨极。

技术规格:

焊枪长度

焊枪角度

额定负栽电流

暂载率

适应钨极直径

164mm

17度

450A

60%

1.6-4.0mm

4.1.6  送丝机构

送丝机是专门为自动焊接设计的。该送丝机可以适应输送1.0、1.2、1.6mm的焊丝要求;采用数字化控制系统及在送丝电机上安装转速控制装置,以保证恒定的送丝速度,最大送丝速度可达到11m/min;无级调速;四滚轮送丝装置,保证了送丝的可靠性。可以调节送丝轮的压力满足各种焊丝对送丝压力的要求。

4.1.7焊缝跟踪传感系统

激光视觉实时跟踪系统采用激光视觉视觉焊缝跟踪系统。该系统包括激光视觉视觉跟踪头,控制柜以及相应的跟踪识别软件。激光视觉非接触式焊缝自动跟踪系统,负责纠正工件的装配误差及焊接过程中的热变形引起的焊缝偏差。

技术规格:

型号:

专用配套

激光视觉波长:

675nm

激光功率

30 mW

激光视觉波形:

结构光

采样频率:

30 帧/秒

水平方向视场:

50mm

视场深度

80mm

安装高度

65mm

水平方向识别精度

0.05mm

高度方向识别精度

0.08mm

系统跟踪精度:

±0.1mm

冷却方式:

水冷

 

4.2机器人所需外部设备

4.2.1机器人滑轨

滑轨铺设在地面上,采用双直线导轨,齿轮齿条结构。在直线导轨上有滑台,机器人安装在滑台上,滑台的移动驱动同样采用可由机器人控制柜进行协调控制的交流伺服电机。减速机构采用高精度的RV减速机。

 

技术规格:

型号:


机器人滑轨长度:

4000mm

机器人最大行走速度:

>8 m/min

机器人滑轨重复定位精度:

±0.2mm

4.2.2头尾架翻转变位机

头尾架单轴翻转变位机采用头架驱动,尾架随动的方式。变位机额定负载1t,尾架可移动,最大工件长度≤2m。

翻转的驱动采用可与机器人进行协调控制的交流伺服电机,减速机采用大减速比、高精度的RV减速机,保证重复定位精度为±0.2mm(距旋转中心500mm处)。

 

技术规格:

变位机型号:


额定最大负载:

2000kg

翻转中心高度:

1000mm

翻转重复定位精度:

±0.2mm(距旋转中心500mm处)

最大翻转速度:

2rpm

尾架滑动范围

0-2000mm

 

五、设备安装要求及调试、验收和人员培训

油箱焊接机器人工作站安装环境要求

1、电源要求:3相380V±10%,50Hz 40kVA  

2、压缩空气:气体压力大于0.5Mpa (经过油、水过滤)

3、环境要求:

环境温度:5-45°C

湿度:20~80%RH(不能结露)

震动:0.5G以下

 

设备调试、验收

工作站整套设备的安装、调试和验收采用一贯的交钥匙工程的方式,即整套工作站设计完成后,由贵公司派人双方进行前期设计审核;审核后,进行拆图和设备加工。机器人系统到货及外围设备加工完毕后,进行系统的总装与联调,检测调整各项技术参数,并进行模拟件的焊接实验。全部完成后,由贵公司再次派人来进行整个系统的出厂前检验;检验满意后,设备发送到贵公司。我校工程技术人员在设备到贵公司指定的安装地点后的一周内到达现场,进行设备的安装调试,设备的安装调试完成后进行工件的试焊接。焊件检测合格后,进行正式焊接生产。在完成焊接一定数量的产品后,贵公司进行设备最后的验收,双方签署设备验收报告,设备正式交付贵公司使用。


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