機(jī)器人焊接頭在挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承座焊接中的應(yīng)用

機(jī)器人焊接頭是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭安裝焊鉗或焊（割）槍，使之能進(jìn)行焊接、切割或熱噴涂，主要包括機(jī)器人本體和焊接設(shè)備兩部分。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人焊接頭技術(shù)已日益成熟。

2 徠斯焊接機(jī)器人工作站

機(jī)器人焊接頭工作站主要由弧焊機(jī)器人、焊機(jī)+送絲機(jī)、焊槍及清槍裝置、保護(hù)氣體設(shè)備、控制柜、工裝夾具、變位機(jī)、安全系統(tǒng)（圍欄、光柵、自動門、門鎖等）及排煙系統(tǒng)等組成（見圖1）。

圖1 焊接工作站

徠斯機(jī)器人產(chǎn)自德國，質(zhì)量可靠，運行穩(wěn)定。本體由6個軸組成，主要有單軸、世界、工具三種坐標(biāo)模式。兩個傾翻式變位機(jī)與機(jī)器人聯(lián)動，各有兩個外部軸，由內(nèi)部PLC程序控制，可以旋轉(zhuǎn)以及上下傾翻。焊接電源采用的是奧地利福尼斯TransPlus系列MIG/MAG焊機(jī)，該焊機(jī)采用全數(shù)字化控制的逆變電源。系統(tǒng)內(nèi)置了智能化參數(shù)組合，采用一元化調(diào)節(jié)模式并可存放多組焊接專家程序，極大地簡化了操作。

3 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺支承座

挖掘機(jī)支承座又稱挖掘機(jī)底座、挖掘機(jī)支承圈、挖掘機(jī)連接座及回轉(zhuǎn)支承座等，它是連接挖掘機(jī)上車架與下車架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、回轉(zhuǎn)支承的外圈。挖掘機(jī)支承座質(zhì)量的好壞直接影響挖掘機(jī)的使用安全和壽命。因此，挖掘機(jī)支承座是較為重要的結(jié)構(gòu)件。挖掘機(jī)支承座在下車架中的位置如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)支承座在下車架中的位置

挖掘機(jī)支承座常見的加工方式有：鈑金焊接、鑄造、部分鍛造+部分鈑金焊接及整體鍛造。

3.1 鍛造式支承座

鍛造式支承座（見圖3）采用整體鍛造工藝，提供的是成品，螺孔和機(jī)加工均處理完畢，直接與行走架焊接即可。

圖3 鍛造支承座

相對于其他方式加工，鍛造式支承座具有以下特點。

1）增加挖掘機(jī)的整體可靠性和安全性。由于采用整體鍛造工藝，整體鍛造的支承座無論強(qiáng)度、耐受性等均優(yōu)于鈑金合圍等方式加工的支承座。

2）降低挖掘機(jī)支承座故障率，從而減少售后服務(wù)成本。實際使用表明，整體鍛造的支承座發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)低于其他方式加工的支承座。

3）減少鈑金焊接等繁瑣的加工環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。整體鍛造的支承座為成品，直接焊接即可，極大地減少廠家復(fù)雜的鈑金焊接加工過程，提高生產(chǎn)效率。

4）鍛造式支承座是目前較為先進(jìn)的加工工藝，但是，采用整體鍛造的挖掘機(jī)支承座的加工成本上略有增加。

3.2 鈑金焊接式支承座

VOLVO等廠家的許多支承座仍采用鈑金焊接的制造工藝。圓環(huán)工藝路線：下料校平加工坡口矯形成形（預(yù)彎、卷板、焊接、矯形）；底圈工藝路線：下料校平組對（專用工裝）焊接。兩部分用專用工裝組對、焊接，焊后再加工端面及圓周、鉆孔，即得到鈑金焊接式支承座（見圖4）。

圖4 鈑金焊接式支承座

鈑金焊接式支承座工藝特點主要包括以下幾方面。

1）成本低、投資小、通用性強(qiáng)，車間的普通即可滿足加工要求，不需要采購復(fù)雜的鍛造設(shè)備，可減少采購費用。

2）雖然工序復(fù)雜，但是工藝流程相對簡單可控，不需要復(fù)雜的模具，在種類多、批量小的情況效率更高，成本更低。

3）焊接結(jié)構(gòu)剛度大，整體性能好，焊接工藝適應(yīng)性廣，容易實現(xiàn)自動化。

4）焊接加工也存在一些不足之處，如焊接使工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力及變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量，需要焊后加工；焊縫及熱影響區(qū)因工藝或操作不當(dāng)會產(chǎn)生多種缺陷，使結(jié)構(gòu)的承載能力下降，需要進(jìn)行無損檢測，不合格處需要碳弧氣刨清除后重新補(bǔ)焊。

總之，上述兩種方法各有利弊，本文主要探討后一種加工方式。

4 某機(jī)型支承座機(jī)器人焊接應(yīng)用

4.1 工作范圍及負(fù)載確認(rèn)

查閱機(jī)器人運動范圍圖可知，其最大垂直運動范圍、最大水平運動范圍、最大動作范圍均可滿足工作要求。其中，最大垂直運動范圍超過極限值的80%。為確保焊接可達(dá)，需要移動機(jī)器人進(jìn)行測試，模擬焊接最高點（外道焊縫）、最低點（內(nèi)道焊縫）的位置，如圖5所示。由圖5可看出，工作范圍能夠滿足要求。

a）內(nèi)道焊縫 b）外道焊縫

圖5 工作范圍確認(rèn)

為保證焊接時的安全，設(shè)計時充分考慮變位機(jī)的負(fù)載，在保證工裝強(qiáng)度、剛性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鏤空設(shè)計，將整體重量（工裝夾具+工件）控制在500kg以內(nèi)，小于變位機(jī)負(fù)載1100kg的一半。

4.2 工裝夾具設(shè)計

傾翻式變位機(jī)可以繞水平軸傾翻式旋轉(zhuǎn)，也可以繞變位機(jī)中心軸（垂直于上平面）旋轉(zhuǎn)。變位機(jī)在安裝調(diào)試完后標(biāo)定了原點，工裝安裝到變位機(jī)上也要保證工件中心與中心軸重合。這樣才能保證工件旋轉(zhuǎn)時的軌跡是圓或者趨近于圓，為后續(xù)簡化尋位程序、提高尋位效率提供支撐。

如圖6所示，芯軸通過與變位機(jī)中心孔及工裝底板（綠色六邊形工件，上下銑面）中心孔配合，來實現(xiàn)工裝中心與變位機(jī)中心軸重合。安裝緊固螺栓的8個沉頭孔、安裝定位塊的12個螺紋孔由加工中心以中心孔為基準(zhǔn)一次加工完成；定位塊增加5mm高的弧形凸臺（半徑比底圈大0.75mm），兩個相對的定位塊圓弧中心與底板中心孔同心，進(jìn)而保證工件與工裝同心（單邊預(yù)留0.75mm的裝配間隙）。此設(shè)計最終保證工件中心與變位機(jī)中心軸重合。

圖6 工裝夾具三維模型及局部放大圖

底板主要靠8個緊固螺栓固定到變位機(jī)上平面，芯軸靠緊固螺栓及兩個配鉆的定位銷固定及定位，每個定位塊由3個沉頭螺栓固定，壓板由長螺桿支撐和定位。工件安裝到定位塊上，實現(xiàn)定心的同時也可以約束其在圓周方向的移動；4塊壓板壓緊，防止其軸向移動，同時也可防止向圓周方向滑動。

4.3 焊接方案分析

（1）第一種方案

變位機(jī)處于原點位置（上平面水平），裝夾工件，移動焊槍，調(diào)整焊槍角度及姿態(tài)，尋位并編制圓弧焊接程序。該方案存在的缺點是：焊縫的空間位置會使液態(tài)熔池流向底圈一側(cè)，很難在圓環(huán)一側(cè)形成較大的熔寬，難以達(dá)到圖7所示的焊縫要求。需要尋找較多的尋位點，尋位花費的時間較長，效率較低。焊槍姿態(tài)一直在變化，需多次調(diào)整。優(yōu)點是對組對精度要求較低。

（2）第二種方案

焊槍不動，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)完成焊接。圖7所示的焊縫形式不宜采用船位焊方式，焊外道焊縫宜采用工件相對于垂直方向傾斜10°～15°、內(nèi)道焊縫傾斜15°～20°的姿態(tài)，焊槍夾角為25°～30°。焊接時，調(diào)整好工件位置，移動機(jī)器人，調(diào)整好焊槍角度及姿態(tài)，焊槍不動，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)實施焊接。此種方案容易達(dá)到焊縫要求，而且只需幾個尋位點甚至不需尋位。但對組對精度要求比較高。

圖7 焊縫要求

綜上所述，根據(jù)工裝夾具的設(shè)計精度，選擇第二種方案比較合適。

4.4 機(jī)器人焊接程序編制

（1）焊接質(zhì)量要求

焊縫尺寸符合圖7要求，焊接質(zhì)量符合一級焊縫要求，即對每條焊縫長度的100%進(jìn)行超聲波檢測；為全焊透的焊縫，不允許存在表面氣孔、夾渣、 弧坑裂紋及電弧擦傷等缺陷；其抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度均與母材相同。

（2）焊接工藝及參數(shù)

采用氣體保護(hù)焊（MAG/CO2）工藝，焊接設(shè)備采用徠斯焊接機(jī)器人，配備福尼斯TPS5000焊接電源，林肯ER50-6、φ1.2mm的焊絲，100%CO2氣體保護(hù)。具體支承座焊接參數(shù)見表1。

表1 支承座焊接參數(shù)

（3）焊接程序編制

由于工件誤差和裝配誤差將會出現(xiàn)示教編程步點與焊縫實際空間位置偏差的現(xiàn)象，使焊縫在焊接過程中不能按照預(yù)定軌跡進(jìn)行焊接，容易導(dǎo)致各種形式的焊接缺陷出現(xiàn)。利用徠斯機(jī)器人接觸傳感功能和電弧傳感功能可實現(xiàn)對焊縫位置的精準(zhǔn)尋位和過程跟蹤。調(diào)整變位機(jī)（即示教器外部第七軸），使支承座底圈平面與豎直方向呈10°～15°夾角。使用世界坐標(biāo)系移動機(jī)器人至待焊位置（外道焊縫）上方一空間安全點，旋轉(zhuǎn)第八軸開始尋位（見圖8）。

a）外道焊接 b）內(nèi)道焊接

圖8 外道和內(nèi)道焊接

由于工裝夾具以及工件組對控制較好，所以旋轉(zhuǎn)時端面圓跳動2mm，可以簡化尋位程序，只需4～8個尋位點即可，尋位點由一般的圓弧點通過變位機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為線性點，大大提高了尋位效率。工件相對于焊槍做圓周運動，焊接（打底）程序為一般的圓弧程序。蓋面程序可以由打底程序自動生成。內(nèi)道程序同理，只是傾斜角度不同。

（4）機(jī)器人姿態(tài)控制

機(jī)器人本體在焊接時的運動方式為六軸聯(lián)動的柔性運動。機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運動都有一定的活動范圍，為避免機(jī)器人在運動過程中發(fā)生限位，在編程時要注意各軸參數(shù)的變化，保證手臂姿態(tài)的舒展，便于焊接過程中焊槍角度的變化。焊接時焊槍角度是影響焊接質(zhì)量的主要因素之一。支承座焊接時，焊槍與工件的夾角保持在25°～30°，焊絲指向焊縫中心，以避免產(chǎn)生偏焊現(xiàn)象。焊槍與工件的傾角保持在80°～90° （見圖9），如焊槍傾角過于傾斜，電弧的吹力將會把熔化的鐵液推向焊縫前方，易造成焊縫根部的未熔合[1]。本文的編程方式只需調(diào)整內(nèi)外道各一次焊接姿態(tài)，簡化了程序編制。

圖9 焊槍傾角示意

機(jī)器人焊接頭出現(xiàn)的問題及解決方法

在機(jī)器人焊接時也出現(xiàn)了一些問題，主要有未熔合、氣孔、飛濺嚴(yán)重及尋位時不導(dǎo)電等。其中最大的問題是未熔合、未焊透。由于底板與圓環(huán)受平面度等影響，組對時存在間隙不均勻的問題，焊接時易在焊縫對面形成不均勻焊瘤，而再焊對面焊縫時，根部易產(chǎn)生熔合不良。對此，可以采取以下幾種工藝措施：增加銑面工序，保證無間隙或間隙均勻。增加組對間隙（2～3mm），增大熔深。增加坡口角度，增加熔深。注意坡口兩側(cè)及焊層之間的清理。其他問題及解決辦法見表2。

表2機(jī)器人焊接頭問題及解決方法

6 結(jié)束語

應(yīng)用機(jī)器人焊接頭挖掘機(jī)支承座，顯著提高了焊接質(zhì)量，檢測合格率達(dá)到了99%以上。相比于人工焊接，不僅降低了勞動強(qiáng)度，由兩人配合減為一人獨立操作，效率翻倍，而且降低了對焊接技能要求。本文的工裝夾具配合變位機(jī)，焊槍不動，工件相對于焊槍做圓周運動，減少了焊槍姿態(tài)調(diào)整的頻次，提高了編程及焊接效率。此種方法已經(jīng)推廣到推土機(jī)引導(dǎo)輪的焊接中，取得了良好的效果。