FANU機器人提高焊接作業的經濟性

因為采用獨立且反應靈敏的系統可以提高生產率，并能降低企業的單件產品成本，所以目前使用工業機器人已成為一種趨勢。由一種自動化裝置連接上一個獨立的Ethercat計算機輔助設計的機器人進行焊接作業，提高了焊接作業的經濟性。

美國得克薩斯州休斯敦的ARC公司是生產焊接與切割裝置的專家，該公司的產品多達90%用于油及天然氣工業，其用戶分布在世界各地。ARC公司生產的自動化焊接與切割裝置采用了市場上普及的標準型計算機輔助設計技術，該技術可確保長期使用。而與之相反，在選擇設備的控制裝置時，ARC 公司為了競爭的需要，絕大多數采用斷開式控制系統。原因是該控制系統是一個獨特的設計方案，在之后的保養維修階段很少出現問題，ARC公司對此深信不疑。

自動化適用于快速等離子焊接法

很長一段時間以來，ARC公司無數的用戶在使用公司的等離子焊接裝置。等離子焊接法與激光焊接法相比很經濟，但缺點是在短短的焊接作業周期時間內，僅使用激光焊接法還達不到要求。其原因是，使用傳統的等離子焊接裝置雖然焊接質量高，但是與使用激光焊接裝置相比，等離子焊接作業非常慢，作業時要求有一個較高的熱輸入。

圖1 ARC-11-RB 型焊接機器人是一臺用于組裝和液體清洗設備的自動化焊接機器人

為了提高等離子焊接的效率，ARC公司在自己的實驗室研發出了新的焊接方法，即三重脈沖焊接法。這種新的焊接法在著名的鎢惰氣焊接法的基礎上研發而來。三重脈沖焊接法的基本思想是基于使用三種不同強度的電流，以達到在產生微弱熱能的情況下，能夠有較高的熱傳遞速度。使用這種方法可以使等離子焊接裝置達到激光焊接裝置相類似的焊接效率，同時又很經濟。

應得克薩斯州的一個大用戶委托，ARC 公司研發出用來安裝液體清洗設備的ARC-11 RB自動化焊接機器人（圖1）。為此，三重脈沖焊接法焊接裝置首次實現了集成化。ARC-11 RB自動化焊接機器人裝置裝備有Beckhoff公司CX1010型嵌入式PC和控制裝置Twincat NC PTP（圖2），其軟件系統采用Windows XP。該嵌入式PC結構緊湊，布置在一個箱子里，用來控制整個焊接裝置，還包括控制車間里的門架式起重機、機器人功能、操作工作面、感應式加熱部件、焊接工件運送裝置以及所有使用壓縮空氣作業的部件。

圖2 Beckhoff公司裝有Twincat NC PTP軟件的CX1010型嵌入式PC控制ARC-11-RB焊接作業全過程

由于采用了上述技術，加快了整個焊接作業過程，并實現了整個焊接作業的各個步驟的自動化。整個焊接作業的步驟為：車間內的門架式起重機提升切割成額定長度的管子，將其送入一個張緊裝置內（圖3）。與此同時，焊接機器人從傳送帶上抓起一個終端環并將其放入第二套拉桿對內進行定位（圖4）。機器人對著焊炬變換著工件抓緊裝置并將終端環與管子焊接在一起（圖5及圖6）。之后，兩個張緊器自動開啟，門架式起重機將一端完成焊接工件取出。接著管子轉動180°，管子的另一端被放入張緊裝置中，焊接作業程序重復。待焊接工件完成另一端焊接作業時，門架式起重機將該完成焊接作業的管子運送到一個存放架上。工件的外形尺寸不同，這種焊接作業持續時間最多為2min。

Fanuc公司Arcmate M 710i C-50型機器人由Beckhoff公司CX1010型嵌入式PC進行控制（圖7）。采用Powerwave R350 型Lincoln焊接電流供電裝置，該供電裝置通過Devicenet主集成電路組件直接無縫連接在Beckhoff嵌入式PC上。Ethercat接線夾充當I/O系統使用，這些接線夾直接按順序布置在CX1010型Beckhoff嵌入式PC上。在焊接作業不需要通過 Devicenet接口供電，或是在焊接時應用該Devicenet接口供電反應時間極其短時，ARC焊接裝置使用 EL403x型模擬式Ethercat輸出接線夾。

焊接機器人裝置功能在PC-CPU上實現

根據工業控制的要求，ARC 公司自行設計出焊接機器人的控制人員界面的可視化軟件。通過使用該軟件，焊接作業操作人員的眼前出現的是與原來使用 Windows- PC窗口那樣的自己已經習慣的窗口，這樣的環境下操作焊接機器人更為容易和自如。 Twincat ADS 將控制人員界面與控制裝置連接起來。Twincat 動態影像轉換器將焊接機器人控制集成入Twincat 自動化組。

Twincat動態影像轉換器透明地集成入已存在的輸送控制范圍里：機器人技術和輸送控制功能與Twincat NC PTP（軸點對點定位）或是NC I（在三維圖像中插入軸的定位）同步實現最佳化。所有NC的性能，如“曲線轉輪”或“飛鋸”（從動軸與行駛著的主軸的同步化）可以在一個共同的軟硬件平臺上任意連接。該軟硬件平臺還支持各種平行和系列動態畫面：2D平行動態畫面、3D-Delta、剪接動態畫面、Scara、坐標式門架起重機以及轉動的動態畫面。

編程采用坐標系統的規則，在此控制計算各種相關的電動機位置的反演動畫，選擇和動畫組態在Twincat系統中生成。在動畫信道，如在Delta型桿長與偏移均是數據化顯示。為了進行動態預控制，可提前給定焊接工件的重量和重量的慣性。為了使機器人能夠順利抓起和放下焊接工件，使用者可以借助于“飛鋸”和“曲線轉輪”功能，在傳送帶上同步實施。對于AX 5000 系列Beckhoff驅動器，Twincat動態畫面轉換器是最佳化的（圖8）。

這里SPS、運動控制、 HMI以及機器人技術只能在工業 PC-CPU上運行。這對于使用者來說有以下優點：

●不需要另設置一個控制機器人的CPU；

●因為組態、數據化和診斷在一個系統內進行，所以降低了能源成本；

●Twincat 是知名的、一體化的組態、數據化和診斷工具；

●通過用于SPS、運動控制和機器人技術的各CPU的相互配合，省去了因不匹配而產生的損失；

●由于采用直接界面，省去了各CPU間繁瑣的相互配合，因此提高了焊接作業的效率和精密度。

焊接工件自動化張緊使產量提高了30%

如前介紹的那樣，在焊接作業中可在ARC-11 RB的全部數據基礎上，通過Ethercat的跟蹤檢驗功能實現焊接作業的監控。此外，因為所有的代碼出自同一中心，所以可以實現用戶專用代碼的參數化。通過使用Ethercat，用戶專用代碼可以較為簡單地書寫。因為ARC公司接到的委托大多是特殊工件焊接，因此該公司接受的焊接機器人設計委托往往還是較為麻煩和復雜的。

如果比較考慮ARC-11-RB焊接機器人的控制設計方案的復雜性，ARC-11-RB焊接機器人從設計到應用僅用了4周時間，之后的結構和組裝在3周之內便完成了。在此，ARC公司實現了焊接工件自動化張緊與取下，與人工張緊和取下焊接作業的方法相比，產量提高了30%。在這種情況下，只有焊接工件的裝車和卸車是手工進行。由于采用Twincat，所以在簡單的拓撲學基礎上進行機器人控制裝置的軸布線，僅需要1h便能完成。該焊接機器人的控制裝置組件少，且機構緊湊，所以配電箱的外形尺寸較小。

采用Windows軟件的PC控制裝置可提供遙控

ARC公司提供的焊接機器人PC控制裝置采用的是Windows軟件，因此有著為用戶提供遙控的可能性。用戶可與他們的局域網相連，以實現對焊接機器人的遙控，也可得到ARC公司的網上售后服務。世界各地的焊接機器人用戶均可通過遙控得到ARC公司在問題分析方面所給予的支持，以便找到機器人焊接設備所產生問題的原因，并通過在軟件里的更改來排除這些問題，這樣便大大降低了用戶在焊接機器人設備維修保養上的成本。

ARC公司與Beckhoff公司在Twincat 3系統方面具有進一步合作的潛在可能性：在一體化機器編程、可視化技術、HMI可視化方面共同形成一個唯一的必要的軟件環境方面，兩個公司的合作具有優勢。ARC公司表示，鑒于迄今為止雙方在合作提高焊接作業生產效率和降低生產成本方面所取得的成效，ARC公司今后還將在其他機器設備和機器人上采用德國Beckhoff公司的自動化控制裝置。

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