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消防管道及天然气管道钢管圆管法兰焊接机器人工作站

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一. 工件技术资料

1、 适应工件规格:

工件材质:304

工件最大重量:200Kg

2、典型结构件模型:

二、工艺说明

1、工艺简介

组对点定:用户完成。

装卸方式:人工吊装。

工件变位:本案设备中机器人变位机进行单轴变位。

焊    接:本案设备执行自动焊接机器人机械手控制焊枪动作。

编    程:现场示教。

焊缝形式:角焊、单坡口。

焊接工艺:单丝气体保护焊。

保护气体:80%Ar+20%CO2。

2、工艺流程:

本案焊接工艺规划为人工组对和机械手自动化焊接。要求组对精度需在±0.5mm之内,零件的下料精度需在±0.2mm。

3、工作环境:

电    源:3相5线~50Hz±1Hz     380V

工作温度:使用:0~45℃

工作湿度:≤90%,不结露。

三、设备简介

1、设备简述

本案提供的设备用于以上所提到的工件的自动化焊接。

设备主要由弧焊机器人、焊接电源、焊接变位机、清枪剪丝站、控制系统等组成。本工作站采用1套单机器人焊接工作站,满足24小时三班连续作业工作能力。

操作人员只需将组对点固好的工件放到变位机上。具有高效、快捷、稳定可靠等特点。

工作站基础采用混凝土地基结构。

焊接工作站机器人动作协调采用6+2模式,即六轴机器人、两台一维变位机协调控制。

a、工作站参考布局图

工作站平面布置图(占地面积:4000X4000X2500mm)

 

b、设备配置清单

序号

名称

型号及配置

生产厂家

数量

备注

弧焊机器人

1

弧焊机器人本体及控制器

型号:KUKA Robot KR5-正装

德国KUKA

1套

含焊缝寻找、电弧跟踪等功能

主要配置:标准配置机器人本体,有效负载 5kg;KRC2控制柜、示教器、附10m电缆;机器人标准中文操作系统

焊接设备

1

焊接电源

型号:芬兰KempArc Puls 350

 

1套

 

主要配置:焊接电源、专用送丝机、通讯电缆

周边设备

1

双立柱H型单轴变位机,承载500kg,跨距2200mm

两轴均采用库卡伺服电机,精密减速机,立柱,底座,U臂

 

2套

承载工件及焊接所需工装

2

机器人底座

   

1套

 

系统控制设备

1

控制系统

配置:操作盒、配线盒

 

1套

 

辅助装置

1

机器人空冷焊枪

ABIROB-350GC

 

1套

 

2

防碰撞传感器

KS-1

 

1套

 

3

清枪剪丝站

HLQ-1

 

1套

 

4

备品备件

   

1套

 

5

随机工具

   

1套

 

6

配套资料

设备整机说明书\机器人操作说明书(中文)\操作手册 (中文)\编程手册 (中文)\维修手册 (中文)

 

各1本

 

安全防护装置

1

安全围栏

配置:简易围栏,具体尺寸另定

 

1套

 

四、主要机器人焊接工装夹具设计

a、单轴变位机

焊接变位机为双立柱H型单轴变位机(翻转单驱),可以实现工件的翻转运动。主要由变位机座、精密直线导轨、滑块、精密齿轮齿条、伺服驱动电机、精密减速机、翻转架、U臂和控制系统等组成。其中所有焊接结构件由钢板和型材组焊而成,所有焊缝按等强度焊缝要求进行焊接,焊后均进行退火处理,去除焊接内应力和有效防止加工的变形;双立柱H型双轴变位机可有效最大承重0.5T,可承受工件在吊装时的轻微碰撞和冲击。

工件通过多次翻转,可实现各条焊道处于理想焊接位置,使机器人焊枪可达性最好,焊道处于平角焊或穿行韩,保证焊缝成形质量。本变位机主要由立柱、升降系统、滑座、中间架、翻转驱动系统、导电机构、控制系统、工装胎架组成。控制系统与机器人控制柜集成一体,通过机器人示教器操作。其结构形式如图所示:

 

立柱:

立柱是本变位机系统的基础支承部件,其上安装有翻转系统。因此立柱采用型材、钢板组焊结构。加工前退火处理。各安装配合面经过精加工,保证结构刚度和强度,同时具有良好地精度。立柱一端设定为固定,另一端设定为移动,这样可以加工件装夹的柔性度。

中间架:

中间架是承载工件的重要构件。中间架安装在滑座上的滑板上,与回转支承相联。其上安装回转支承和回转减速机。主体结构采用箱型梁结构焊件,加工前退火处理,各安装配合面经过精加工。保证结构刚度和强度,同时具有良好地精度。

翻转驱动系统:

由KUKA电机、传动轴、齿轮实现翻转,单驱动系统。翻转驱动系统安装于立柱滑座上。与中间架相联。翻转电机带有制动器,并采用旋转编码器计量翻转角度,翻转工件(胎架)时,可在韧鲜笳娑耐反笕位置定位并自锁。翻转联接板上设有旋转限位行程开关,确保翻转运行中不超过极限位置。

导电机构:

铜棒一端在弹簧作用下始终顶向工作盘,另一端带有螺纹,可有效连接电缆。

 

控制系统:

本控制系统针对焊接变位机进行控制。其中控制箱和主控制柜集成在琴键式控制柜中。电气控制采用先进的控制技术,具有较高的控制精度。

五、主要标准件

1、KUKA KR5弧焊机器人系统

自动焊接机器人主要构成:机器人本体、控制柜、示教器、控制电缆等。

a、机器人系统KR5

KR 5 arc性能参数

负载(指第6轴最前端P点负载)

5公斤

手臂/第1轴转盘负载

12/20 公斤

总负载

37公斤

运动轴数

6

法兰盘(第6轴上)

DIN ISO 9409-1-A50

安装位置

地面/墙壁/天花板

工作半径

1411mm

重复精度

+/-0.04mm

控制器

KRC2

自重

127公斤

作业空间范围

8.4立方米

每个轴的运动参数

运动范围

运动速度

轴1

+/-155°

154°/s

轴2

+65°/-180°

154°/s

轴3

+158°/ -15

228°/s

轴4

+/-350°

343°/s

轴5

+/-130°

384°/s

轴6

+/-350°

721/°/s

b、机器人控制系统 KRC2:

 

  • CPU:2.0GHZ

  • 内存:512MB RAM

  • 硬盘:30G

  • 标准CD-ROM和软驱

  • 串口:COM1、COM2 、COM3,9针或15针

  • 主板:标准工业控制计算机主板,含PCI、ISA插槽,方便扩展以太网接口,

  • 可接入高速Internet,实现远程联网监控和远程诊断

  • 系统智能自诊断,提示相关信息

  • 支持多种标准工业控制总线,包括:INTERBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS、CONTROLNET、ETHERNET、 REMOTE I/O等

  • 数字输入输出:16

  • 模拟输出:2

  • 存储程序:﹥5000

  • 单套同步控制轴的数量:Max. 12(含机器人本体和外部轴)

  • 伺服总线类型:Interbus-S(本体)HEDA(外部轴)

  • 插补循环时间:12 ms

  • 伺服控制循环时间:1 ms

  • 可直接外接显示器、鼠标和键盘,方便程序的读写

  • 内置大容量电池和UPS电池缓冲存储装置,具备断电保护功能

  • 自动存储相关操作和系统日志

  • 多种应用软件功能包,编程容易、快捷

 

示教盒KCP具有示教、编程、存储、检测、安全保护、绝对位置检测记忆、软PLC功能。

  • 四种工作模式,可根据实际需要韧鲜笳娑耐反笕选择。

  • 通过Canbus 与PC通讯,实时性更强。

  • 330x260x35mm

 

2、弧焊软件包(Arc Tech)

基本弧焊软件

  • 弧焊功能包的应用,可以在示教器上显示并控制焊接参数,快速设定焊枪的常用动作。

  • 模块化的焊接程序逻辑关系,引导您快捷编程,简单易懂;库卡焊接专家的丰富经验,同时得益于库卡控制器的软PLC功能,使得逻辑关系周密之致,再复杂的焊缝或再多的周边设备,编程人员都可以得心应手的处理。 

  • 库卡编程模板中的基本命令,例如动作命令——直线、圆弧、点对点差补、直线插补、圆弧插补、直线+摆动、圆弧+摆动差补等,和常用逻辑命令——wait、wait for等,均采用快捷方式调用,并以填空的方式出现,编程人员只要将相关参数填进即可,简单易学。

 

 

  • 库卡工具坐标系的应用,可将导电嘴前端的焊丝尖点(将焊丝伸出长度调到正常焊接杆伸长长度),定义为坐标原点,这样就能方便地调节焊枪空间位置(x/y/z)以及所需要的焊接角度(A/B/C)。因此示教轨迹非常方便,库卡示教器上的6D摇杆,可使示教过程更快。

 

 

  • 库卡控制器利用I/O或总线与焊接电源和清枪剪丝等装置进行信号及数据交换,可采用模拟量或数字量。对于全数字化焊机,能给出和接受多个焊接参数量,那么,在库卡控制器上就可以显示和控制常用焊接参数。

起弧时的焊接参数控制

 

收弧时的焊接参数控制

  • 库卡的绝对位置记忆功能、程序逻辑功能,结合焊机等外围设备的信号反馈,能很好地处理焊接过程中遇见的问题。例如,由于电源或送丝机故障,系统中断了焊接过程;在排除了故障后,可选择“继续上次焊接”功能,那么机器人会自动回到上次停止的位置继续焊接。

  • 弧焊软件包中可轻松调用焊机的专家系统数据和机器人运动数据,形成样板焊缝。可根据具体情况对专家数据库的具体参数进行修改。

 

  • 弧焊功能包中有常用的焊枪摆动形式,操作人员可直接调用想用的形式,然后将相关参数填充;或者操作人员可自定义机器人的摆动方式(如上图所示)。

3、接触传感(Touch Sensor)功能包

 

a、工件的位置和外形偏差,使本来示教的机器人焊接轨迹要被“修正”。库卡的Touch Sensor功能包可以在焊接之前修正这类偏差,机器人在预定的距离内,以焊丝接触工件、形成电流回路,来检测寻找工件的正确焊缝位置,原理如上图所示。

b、库卡的绝对位置编码器,实时记忆焊枪在空间的位置(x/y/z)和角度(A/B/C)。当机器人按照设定的程序将带电的焊丝接触工件时,焊丝和工件之间形成回路,控制系统比较当前实际位置与示教时的位置参数。新的焊接轨迹,由当前数据结合示教轨迹,进行数据修正,修正焊接轨迹。

c、接触式传感器寻位功能的使用,可以判断工件上的部件或零件的实际位置与编程位置之间的偏差,相应的焊接轨迹即得以修正。

d、焊接起始点位置的寻找确定,可以通过一至三个点的接触传感完成;当要纠正工件整体位置的偏差时,需要多少个点的接触传感,取决于工件的外形或焊缝的位置。

e、此寻位功能可用于任何数目的单个点、焊接程序的某个段、或整个焊接程序的修正,如下图所示。测量精度≤±0.5mm

 

4、焊接系统

a、脉冲焊接电源Kemp Arc Pulse 350:

原装进口Kemp Arc Pulse 350为机器人专用电源,可根据客户的特定需要提供定制不同的功能。完全适应机器人高效焊接生产,并且满足极高焊接精度和焊接可靠性要求。

Kemp Arc自动化焊机系列可根据特定焊接环境设置标准或定制软件程序包,例如Kemp Arc Pulse焊机系列可提供Work Pack全能软件包,包括碳钢焊接、铝合金焊接、不锈钢焊接的软件,或完全符合现场具体需要的Project Pack专家软件库。两种软件包都可以随时进行升级。

Wise焊接专家程序自动化产品提供额外的、与实际焊接相匹配的选择和解决方案,可确保满足客户现在和将来的焊接要求。

Kemp Arc Pulse 350焊接系统由Kemp Arc Pulse350焊接电源, DT400 机器人送丝机,Device net 总线接口卡,送丝机中途线等组成,送丝机焊枪接口为欧式接口,可以快速安装德国TBI机器人焊枪或者Bin zel 机器人焊枪

KempArc Pulse 350焊接电源示意图

 

KempArc Pulse 350焊接电源示意图

5、Kemp Arc  Pulse 350   技术参数

电源电压:400V(-15~+20 %)

保险丝(慢熔):25 A

负载容量(40 ?C):负载持续率 80% 时,350A

外形尺寸 (mm):590 x 730 x430

重量 (kg):36

6、送丝机DT400

 

DT400送丝装置,安装于机器人臂上,或作为机械化焊接系统的集成送丝解决方案。结构紧凑,重量轻,配备了4x4的送丝机构。

  • 小于 5kg

  • 适配各种导丝管

  • 全金属送丝轮

DT400   技术参数

  • 工作电压:50V DC

  • 额定功率:100W

  • 负载容量(40 ?C):80% ED,600A

  • 100% ED,500A

  • 工作原理:4轮送丝

  • 送丝速度:0~25m/min

  • 填充焊丝:ΦFe,Ss     0.6~1.6mm

                 Φ药焊丝        0.8~1.6mm

                 ΦAl            1.0~1.6mm

  • 焊枪接口:Euro

  • 操作温度范围: -20~+40℃

  • 存放温度范围:-40~+60℃

  • 保护等级:IP23S

  • 外形尺寸L×W×H: 269×175×169mm

  • 重量:4.5kg

7、机器人空冷焊枪:

气冷机器人焊枪ABIROB-350GC

ABIROB-350GC焊枪系统为二氧化碳焊枪,普遍用于亚洲区域的弧焊工作。

可换枪颈焊枪系统具有额定值高及暂载率高等优点:智能接口

可实现快速维护和可重复定位功能,缩短停工时间。

该焊枪系统有多种针对所有常用机器接头的枪颈和夹持器供选择。

(ABICOR BINZEL ,MOTOMAN,PANASONIC,FANUC,OTC) 

ABIROB-350GC   技术参数 

  • 冷却方式: 气冷式

  • 额定值: 350A  CO 2

  • 300A混合气体M21,根据DIN EN ISO 14175

  • 暂载率:100%

  • 焊丝直径:0.8~1.2mm

  • 枪颈角度:30°/35°

8、清枪剪丝机构:

本案配备自动清枪喷油装置是由本公司自主研发、制造的高效自动化产品,该清枪剪丝由机器人联动控制,按程序设定定时清理焊枪喷嘴内焊接飞溅,并向喷嘴内部喷射硅油,避免焊接时飞溅的牢固粘附。整体保证机器人系统长时间连续无监视运转。该自动清枪剪丝装置由清枪站、剪丝机构和喷硅油单元三部分组成。其结构如下图:

 

清枪站

清枪站采用三点固定方式,将焊枪喷嘴固定于与铰刀同心位置,铰刀转动的同时上升,将喷嘴上粘附的焊渣飞溅清理干净。精确高效的清枪站用于机器人焊接。

剪丝机构

剪丝机构能够保证焊丝的剪切质量,并能提供最佳的焊接起弧效果和焊枪TCP测量的精确程度。

喷硅油单元

喷硅油装置采用了双喷嘴交叉喷射,使硅油能更好地到达焊枪喷嘴的内表面,确保焊渣与喷嘴不会发生死粘连,由此能有效的减少焊枪喷嘴的清理次数和延长其使用寿命。

9、防碰撞传感器

 

10、安全护栏

系统安全围栏为方管(圆管)机器人焊接系统

高度1.8m,上部0.6米有遮光膜,正面需设置可开启门,便于工件吊装,并不影响操作人员和周围工作人员正常工作。

六、电气控制系统

1、控制系统总体结构:

控制系统网络主要有三层结构:上位机数据处理,主控系统,动作执行系统。

2、上位机信号处理系统:

负责产品型号的录入,与主控系统的通信,生产数据的实时采集,产品质量数据的记录等。

3、主控系统:

采用西门子S7-300或台达系列PLC,负责控制整个系统的运行。主要包含机器人焊接站6个单元、机器人起动命令传达,与上位机的数据传递等。

4、动作执行系统:

主要由伺服驱动、传感器、焊机、机器人等构成。负责工件的定位夹紧、焊接等工作。

整个系统主要有两种通信方式,其中PLC和上位机以及PLC和HMI采用以太网通信,优点是可以传输大量通信数据;PLC和执行元件之间采用DEVICENET或FROFIBUS DP通信方式,优点是通信稳定,可扩展性强。

5、上位机部分

可以实时的监控整个系统的运行状态,查询历史数据,执行人工上线等操作。  

6、主控系统

可监测各个工作站当前状态及各主要设备当前状态,并以图形方式显示。监测画面为工作站级。工作站作为一个整体的当前状态;工作站画面以图形方式显示各个执行单元当前运行状态。

具有各种异常状态的自诊断功能,且所有异常现象能自动提示。包括位置软、硬限位、门开关、过流、欠压、控制异常、急停和冷却水水压不足等故障的自诊断、显示和报警功能。迅速诊断故障位置和原因,指导维修人员;

  • 故障分类:故障要求分为停机类故障和非停机类故障,做停机信号。

  • 故障显示:主控制柜装有报警和状态显示,采用三色柱状指示灯(红色代表停机类故障,黄色代表非停机类异常),故障或异常发生时都要求有声光报警;在人机界面上显示故障信息。

  • 故障的退出:非停机类故障,故障信号消失后,故障立即退出;停机类故障,手动排除故障后,按相应的故障复位按钮,故障退出。

七、执行系统

执行系统主要由伺服驱动、传感器、焊机、机器人等构成。负责工件的翻转、定位夹紧、焊接。
 

 
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