工业机器人

ABB:高效焊接 精彩转型

2025China.cn   2017年09月04日

  重型车辆的制造以及操作都可能存在危险。美国一家驾驶室和翻车保护结构生产厂家发现机器人伺服点焊系统不仅速度快,而且可以将潜在的安全风险和重复运动风险最小化。

  说起车辆遇险,我们往往容易想到工程、林业和矿山等场地,但是你能想到往返于美国大街小巷、住宅小区和商业停车场的垃圾车也会遇险吗?在谷歌上搜索“垃圾车翻车事故”,会出现 15 页搜索结果,还能看到最近一年内事故的相关情况。

 

  位于明尼苏达州罗切斯特的 Crenlo 公司专门为上述及其他行业制造重型货车驾驶室和翻车保护结构(ROPS),具有非常严苛的设计标准。

  1951 年,Crenlo 为卡特皮勒生产了拖拉机驾驶室,那是他们的首个订单,其后便在先进制造技术上不断投资。Crenlo 目前在罗切斯特有两个工厂,建筑面积为 55000 平方米,占地面积 17 公顷。两个工厂共有725名员工和23台工业机器人,承担压机操作、机器操作和电弧焊接等工作。其中 22 台机器人来自 ABB,分别在不同的年份添置,最早一批 ABB 机器人已经使用了 24 年。

  尽管机器人和其它自动化系统的使用很普遍,但有很多过程 Crenlo 是手动操作的,最典型是那些需要密集操作的过程,如具有复杂几何形状的零件。

  最近,有一种新型垃圾车需要制造驾驶室,那么问题来了,Crenlo 当前所拥有的任何工艺都无法完全适用于这一新型驾驶室。

  “这些新型驾驶室需要 2000 个点焊” Crenlo 的机器人和焊接工程经理 Jeff Petersen 说。“我们在一些较小的驾驶室构件上做了一些初步的手工点焊测试,很快就发现,这将是一个非常密集的手动操作过程。”

  Crenlo 曾考虑安装一个标准的机器人点焊系统,但由于卡车驾驶室的复杂性,项目团队认为该系统难以完成足够的焊接点数量,成效一定不会理想。一步完成 2000 个焊接点已经成为一条行不通的道路,首席工程师 Petersen 和 Brent Sharpman 进一步分析,最终得出一条可行的结论:如灵活的驾驶室结构果驾驶室可以在焊接过程中重新定位,机器人就可完成足够的焊接点。

  这个想法面临的挑战是设计一个能有效地重新定位机器人但又不过于复杂或成本太高的系统。

  “在经过一段时间的苦苦挣扎后,终于迎来了一缕曙光,我们认为真正巧妙的想法是用固定在地板中的固定装置转动零件,有点像转动大餐盘,以受控的方式转动驾驶室,从而使机器人能够焊接尽可能多的焊接点。” Petersen 说。

  “我们将想法告诉了 ABB,伺服机和机器人伺服点焊系统的概念首次浮出水面。经过进一步的研究和审查,我们决定采取这种方法。”

  伺服机基本上是一台耦合到传感器的电机,传感器通过减速齿轮箱提供反馈,允许精确的位置控制。机器人伺服焊接采用电机和编码器作为第七轴来控制焊嘴的打开和关闭。当火炬从一个焊接点移到另一个焊接点时,焊嘴是关闭的,对每个点焊,只打开到所需的大小。

  为 Crenlo 开发系统时,使用了两个伺服机,一个伺服机控制焊接设备,另一个安装在地板中的全伺服定位器用于转动安置卡车驾驶室的平台。一个 ABB IRC5 控制器控制三个主要系统要素:IRB 6650 机器人的运动、点焊设备的操作和定位器的运动,以便卡车驾驶室将每个焊接点理想的位置向机器人对准。

  “该系统提供了一个受控且精密的零件运动。”在该项目中与 Petersen 和 Crenlo 一起工作的ABB经理Dave Minkebige说,“除了地面定位器上的驾驶室与机器人的协调运动,伺服点焊还有很多其它好处,比如节拍时间比气动焊枪快 30%,改进了焊接工艺控制,降低了运营成本,延长了焊嘴寿命。”

  典型的气动焊枪的焊嘴压力控制范围在正负10%以内,这是由工厂气源直接决定的。正确调节的伺服焊枪的喷嘴压力控制范围在正负 2% 以内或者更精确。举例来说,假如一个焊接工艺要求 1000 磅的焊嘴压力,气动焊枪输出的压力在 900 至 1100 磅范围内,而伺服焊枪输出的压力在 980 至 1020 磅范围内。

  除成本收益外,更精确的压力输出使焊接参数得到了更加严格的调节,从而焊接工艺更易控制,焊点质量总体提高。

  “管理层对该项目一直不予推行,直到他们后来清楚意识到固定驾驶室其实不需要那么复杂。” Petersen 说,“实际上驾驶室只需用销子固定在转盘底部。当整个系统的相对简易性显现出来时,它才逐渐获得了整个团队的支持。”

  大家的认可和支持也算是水到渠成。当系统最初安装时,它能够完成 2000 个点焊中的 488 个,剩下不能完成的焊接点是固定驾驶室时被挡住的小部件或接头。

  通过项目中经验的累积,不断寻找移动机器人和移动驾驶室的特有路径,伺服点焊系统现在能够在一个节拍中直接在驾驶室上焊接大约 600 个点。这种加工方法在点焊行业可谓是真正独具特色。

  许多机器人无法在驾驶室上直接完成的焊接点,可由另一工作站上的机器人以批处理的方式完成。

 

  “在驾驶室上完成 600 个焊接点需要 14.5 分钟,” Petersen 说。“如果人工焊接,我们还真不知道要多久。但为了进行比较,我们最初测试的车顶加强件有98个焊接点,两人用了 90 分钟才焊完,而机器人只用了 3 分 10 秒,而且不需考虑人体工学问题。”

  机器人点焊还带来了许多其他附加益处。没有什么比安全更重要,机器人焊接几乎消除了焊工在手工焊接中可能遭受的安全隐患和持久重复动作的烦恼。

  为了靠近焊接点,在驾驶室内部和周围扛着焊接设备弯腰爬来爬去是不可避免的,长期如此劳作会给身体带来难以承受的压力。幸运的是,机器人可以完成大部分难焊的焊接点,留给焊接工人的是比较符合人体工学的位置。“Crenlo 长期以来都愿意将工业机器人引入他们的生产车间,产生积极的收益。这次虽说是新技术,但他们很开明地引入了机器人伺服单元。”Minkebige 说,“在手动处理非常困难的情况下采用此操作,有效地减少了节拍时间,大大提高了焊接质量和一致性,并提供了将来应对不同驾驶室结构的柔性。”

  Petersen 总结道:“我们认为每个节拍 600 个焊接点是对我们资源的巨大利用,因为典型的汽车点焊系统每个节拍只能完成 10 到 12 个焊接点。我们一天能完成八到九个驾驶室的焊接,外加几个组件,而且质量很好,不需要焊工在驾驶室内爬来爬去。”

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