10kV 常压密封空气绝缘环网柜柜体机器人激光焊接工艺

吴文辉

（广东威恒输变电工程有限公司，广东 佛山 528000）

1 总体方案设计

机器人激光焊接生产线建设项目的基本要求是在提高产品焊接质量的基础上，通过软件及硬件组合实现多品种产品共线、产品快速换型。

为实现以上目的，生产线总体布局应贯穿精益生产的思维模式，实现物流合理、快捷。信息化系统应贯穿于生产线的各个工位，可实现信息的采集、传递、储存和动态管理，开放数据接口配合招标人实施相关的信息系统（包括但不限于ERP、工厂级MES 及WMS 等系统）无缝对接[1]。

本生产线具有一定的柔性，满足多种产品兼容性生产，工装夹具设计优先考虑自动调整。生产线的设备、工装、工具配置高起点，满足国家相关的安全、环保等生产标准要求。

1.1 系统整体布局

半封闭气箱激光焊接生产线（简称“半封闭气箱焊接”）设置箱体点拼系统，机器人螺柱焊接系统，机器人激光焊接系统，物料流转系统以及人工打磨/补焊系统，并配备机器人输送系统完成物料之间的流转。产品从钣金件到半封闭焊成品统一设计，采用自动化生产水平，实施交钥匙工程[2]。半封闭焊生产线设置在气体绝缘环网柜总装线前端，完成半封闭气箱焊接作业后与气体绝缘环网柜总装线对接。

生产线包含板材上料工位，侧板拼装工位，箱体点拼工位，机器人螺柱焊接系统，机器人气箱激光焊接系统，人工打磨/补焊工位，工位间物料流转系统，PLC 控制系统，MES 系统及接口，监控系统，除尘系统，安全防护系统等[3]。

1.2 详细工作流程

半封闭气箱激光焊接生产线规划2～3 位工作人员，单间隔气箱2 人，1 位负责箱体的烧角，小件焊接和打磨；1 位负责气箱的点拼工作及加强筋拼装。多间隔气箱需要2～3 人。详细工作流程如下。

（1）AGV 小车（或人工）把装载待焊接内部螺柱的工件送到指定位置，同时把其他需焊接板送到其他指定料台上。

（2）搬运机器人抓取待焊接内部螺柱的工件放在内部螺柱焊接工位的工装上，工装自动定位夹紧。螺柱焊接机器人开始在该工位焊接工件的内部螺柱。内螺柱焊接完成后，搬运机器人抓取焊接好的工件放到传送带上，传送带把工件送到人工点拼工位附近，等待人工取件。

（3）人工在侧板拼装工位把侧板和加强筋拼装完成（无须点拼），通过滑台把侧板送到侧板焊接工位，等待机器人焊接。侧板焊接完成后，通过滑台把侧板送到人工操作区域。

（4）人工从传送带和料台上拿取物料，在箱体点拼工位开始点拼箱体。点拼完成后，通过滑台传送到机器人工作区域等待机器人搬运。

（5）搬运机器人从点拼台上抓取点拼好的气箱放在气箱激光焊接工位上，工装定位夹紧。焊接机器人在该工位满焊气箱。

（6）气箱焊接完成后，搬运机器人抓取焊接好的气箱放置在外螺柱焊接工位的工装上，工装定位夹紧。螺柱焊接机器人在该工位焊接气箱外表面螺柱[4]。

（7）外表面螺柱焊接完成后，搬运机器人抓取焊接完成的气箱放在补焊打磨台上。工作台随着滑台运动到人工工作区域，人工开始打磨气箱，并焊接部分小件及气箱烧角；完成后通过滑台传送到机器人工作区域等待机器人搬运。

（8）搬运机器人抓取打磨好的气箱放在RGV 下料台上；RGV 把气箱送到装配线体处和生产线对接。

依次重复上述步骤进入下一个生产循环。

1.3 机器人螺柱焊接系统设备

1.3.1 焊接机器人

螺柱焊机器人功能是实现产品内、外螺柱焊接功能。

机器人末端法兰装载螺柱焊枪和视觉定位系统，先通过视觉系统对箱体的特性进行拍照定位，计算出打螺钉的位置，然后机器人和螺柱焊系统通信，螺柱焊机系统接收到指令后送出螺柱，并进行焊接[5]。

螺柱焊接机器人采用KUKAKR20R1810-2，配3个外部轴，同时为该款机器人配置有专用焊接软件包及与其他焊接设备通信用的控制卡以及通信软件包等辅助设备或程序，针对不同规格的气箱可实现参数化编程。

1.3.2 焊接机器人导轨

机器人安装在机器人导轨上，机器人可以在导轨上行走以加大机器人工作范围；导轨伺服电机作为机器人外部轴由机器人控制，可以和机器人协同工作。

1.3.3 单轴变位机

变位机带着工装和产品旋转，变换位置，可对箱体的4 个面进行焊接。变位机伺服电机作为机器人外部轴由机器人控制，可以和机器人协同工作。

1.4 机器人气箱激光焊接系统

1.4.1 激光焊接机器人

激光焊接机器人功能包括散件激光焊接和箱体激光焊接。

激光焊机器人装载激光焊接头和激光视觉跟踪系统，在焊接的过程中通过视觉系统对焊缝位置的精确定位，引导机器人进行激光焊接。

激光焊接机器人采用KUKAKR70R2100HA，配3 个外部轴。同时为该款机器人配置有专用焊接软件包及与其他焊接设备通信用的控制卡以及通信软件包等辅助设备或程序，针对不同规格的气箱可实现参数化编程。

1.4.2 激光焊接机器人导轨

机器人安装在机器人导轨上，机器人可以在导轨上行走以加大机器人工作范围；导轨伺服电机作为机器人外部轴由机器人控制，可以和机器人协同工作。

1.4.3 激光焊接系统

激光焊接系统包含激光发生器、光纤、焊接头、冷却系统等附件。

激光焊接系统功能是通过激光发生器产生的激光经过光纤以及光学系统聚焦到激光焊接头，产生激光，实现对产品的焊接[6]。

2 机器人激光焊接系统方案实施

2.1 PLC 电气控制系统方案说明

2.1.1 PLC 控制器

该PLC 系统的CPU 采用西门子CPU 1516-3 PN/DP 作为整个系统的控制核心，和三台机器人及4 套焊接夹具及现场的远程站通过PROFINET 通信。构成一整套完善的分布式控制系统。

其中CPU 1516-3 PN/DP 作为主站，远程站的ET200S 或工装夹具上的阀岛及KUKA 的控制柜KRC4作为从站通过PROFINET 现场总线进行通信；同时激光焊机器人也可以作为主站和作为从站的激光焊机通过PROFINET 现场总线进行通信；螺柱焊机器人利用EtherCatI/O 和螺柱焊机进行通信，搬运机器人通过EtherCatI/O 直接控制抓手[7]。

现场夹具的电磁阀和传感器等接入带PROFINET总线功能的阀岛，过PROFINET 总线和CPU 1516-3 PN/DP 进行通信，从而可使PLC 自由的控制夹具的自动打开和关闭。

现场工位的其他信号，如三色灯，卷帘门控制，现场操作和按钮等接入现场的远程站ET200SP 模块，过PROFINET 总线和CPU 1516-3 PN/DP 进行通信，从而可使PLC 自由的控制和采集信号。

CPU 1516-3 PN/DP 和KX-MES 管理系统通过TCP/IP 进行通信，传递数据。

整个PLC 系统可以预留和其他的设备通信的接口。以方便交换信息[8]。

2.1.2 现场主操作盘

本系统主操作盘包括触摸屏TP1200、手动/自动方式选择开关、机器人系统启动按钮、报警复位按钮、暂停按钮、急停按钮等。

触摸屏用于监控整个系统的工作状态。具体为：机器人程序执行状态、操作循环状态、产量统计，系统状态显示、压缩空气状态显示、焊接夹具的工作状态和显示，复位、急停按扭的显示、安全门开启状态显示及整个系统的故障显示及复位等。

2.1.3 现场操作盒

在每个工位的附近配置一个现场操作盒，配置有双手启动按钮，夹具夹紧和释放按钮以及急停和复位按钮。

该操作盘用于工件装夹完毕的确认启动，故障复位，异常状况的紧急停止等。

2.1.4 控制柜和低压电气

控制柜采用威图标准的控制柜，为组合式，立柱为九折型材，并配备安装，文件袋，调试桌，灯照明系统，均从底部出线，防护等级为IP54。

低压电气均采用施耐德品牌，断路器为塑壳式，三级，主断路器带手柄外置。按钮为金属外壳式，平头，触点可独立安装[9]。

2.1.5 电缆

移动部分电缆如拖链和机器人上的活动部分电缆采德国和柔或者兰谱品牌的高柔电缆。

动力电缆绝缘为热缩性聚合物，导体为6 类标准导体，保护套为热塑性聚合物，额定电压3.6/1000V。

控制电缆绝缘为绝缘耐温90℃材料，导体为5 类标准导体，保护套为耐磨TPU 材料绕包带，额定电压0.6/1000V。

2.1.6 激光焊机控制系统

机器人通过PROFINET 主站和通快激光焊机进行通信和信号交换，用于调用和触发存储在焊机里的不同焊接文件，调节焊接参数。为该机器人配备的ServoRobot 激光跟踪系统通过KLI 接口和机器人进行通信，用于实时校正机器人的焊接轨迹。

2.1.7 螺柱焊机控制系统

机器人通过EtherCat 主站来控制螺柱焊机，来进行螺柱的焊接。为该工位配备的视觉相机系统直接和PLC 通过TCP/IP 传递采集到的数据，再通过PLC 传递给机器人，机器人根据采集到的视觉偏差数据进行相应的轨迹调整。

2.1.8 安全防护装置及附属设备

在现场操作盒上配有急停按钮，便于紧急情况下可以按下急停按钮来停止设备的运行。

在现场装卸件位置配安全光栅，当人处于安全光栅的区域，滑台无法运行，保护人在装卸件时候的安全；安全光栅旋转基恩士二级防护的安全光栅，光轴间距为40mm，保护高度为1500mm，保护长度（间距）为3m。

在安全门上配备电子安全锁，人一旦闯入，系统立即停止，可以防止自动运行时人员进入机器人的工作区域；安全门锁选用安士能品牌的NZ1VZ 系列安全电子锁，该电子锁符合EN50041 标准，防护等级为IP67，带有2 个回路4 副常闭触点，一个回路的常开触点，同时带有手柄锁定功能。

2.2 视频监控系统

整个系统配备海康威视的摄像系统，在每个焊接房内配有两个摄像头，并配备硬盘录像机，硬盘和显示器。硬盘选择1TB 的希捷硬盘，显示器采用戴尔品牌，70 寸。各个机器人工作状况可以分屏显示或全屏显示[10]。

2.3 上位机系统（KX-MES 系统）

本系统配备一个工控机作为整条线的上位机系统，该上位机系统和PLC 通过以太网的连接，将各位工位的生产数据，如产量等进行采集和整理，显示，并对耗材等进行统计和管理，并通过以太网和工厂MES 系统连接，通过MES 系统下单生产，同时也可给工厂MES 系统所需要的必要的信息。

MES 系统包含系统管理、工厂技术数据管理、物料基础信息、生产管理、数据接口等模块。

3 结语

综上所述，机器人激光焊接工艺的有效应用，能够在加强柜箱体焊接质量的同时，可实现对塑密封件焊接热损坏、气箱上橡等现象的有效预防，并实现将成本控制在预期范围内。鉴于此，需在明确10kV 常压密封空气绝缘环网柜焊接要求的基础上，积极利用机器人激光焊接工艺来提升环网柜焊接水平，继而为电力系统的可靠、稳定运行提供保障。