淺談裝載機前車架焊接機器人工藝優(yōu)化方法

梁為國，李榮軍

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著柳工的快速發(fā)展，裝載機銷量已經(jīng)連續(xù)多年居中國首位，但是，市場競爭日益加劇，有的國內(nèi)裝載機焊接生產(chǎn)線還是沿用半自動焊或手工焊作業(yè)，很大程度上制約著裝載機制造的發(fā)展。因此，發(fā)展和掌握更高的焊接機器人技術(shù)就可以在激烈的市場競爭中搶占先機。工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程和多功能的、用來搬運物料、零件、工具的機械手，可進行弧焊、點焊、裝配、搬運、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)，機器人焊接（圖1）由于具有安全、快速、方便、變形小等特性被機械制造企業(yè)廣泛使用。在柳工結(jié)構(gòu)件廠，從1992年第一次使用IGM焊接機器人（圖2）進行結(jié)構(gòu)件的焊接生產(chǎn)，到現(xiàn)在的唐山開元焊接機器人系統(tǒng)作業(yè)，焊接機器人已使結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量大大提升，并且在員工保護方面，也降低了勞動強度，減少了焊工職業(yè)健康的危害。

圖1 機器人焊接

圖2 IGM焊接機器人

1 前車架焊接特點（問題描述）

前車架（圖3）都是由鋼板焊接而成的組合結(jié)構(gòu)，焊接量較大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接尺寸大小不等，容易發(fā)生焊接變形，控制前車架制造質(zhì)量的關(guān)鍵，在于焊縫成型和焊接變形。這就對車架的生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求，催生了焊接機器人在柳工生產(chǎn)制造中深入廣泛的應(yīng)用。雖說焊接機器人在車架生產(chǎn)制造中得到廣泛應(yīng)用，焊接質(zhì)量與半自動焊和手工焊對比得到了極大的改善，而且有效提高了生產(chǎn)效率，但目前焊接機器人在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用仍有諸多問題有待解決，經(jīng)過以下對原前車架焊接生產(chǎn)線中唐山開元焊接機器人存在的問題進行工藝優(yōu)化和新技術(shù)的應(yīng)用，減少了機器人工位的生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率，編寫的程序能有效的進行焊接作業(yè)順序優(yōu)化。

圖3 前車架結(jié)構(gòu)圖

2 原因分析與工藝優(yōu)化

（1）問題1：焊縫接頭多、變位機翻轉(zhuǎn)次數(shù)過多，焊縫的外觀（起弧和收尾）沒有得到很好處理，手工補焊的外觀一致性也較差。

原因分析：編程沒有經(jīng)過有效的驗證對比，編制程序過程中一步到位，在機器人驗證過程中沒有持續(xù)改進程序，沒有形成一個良好的程序。

焊接程序優(yōu)化：與實際生產(chǎn)相結(jié)合，考慮機器人變位機的定位和裝夾部位，在設(shè)計時避免在焊槍沒有干涉的結(jié)構(gòu)下，提高機器人焊接可達率，經(jīng)過反復(fù)進行驗證對比，最后優(yōu)化程序，最后實現(xiàn)了焊縫數(shù)量、焊縫接頭、工裝翻身次數(shù)的減少，焊后達到了焊縫方向和焊縫外觀的統(tǒng)一（見圖4）[1]。

圖4 焊接程序優(yōu)化后的焊縫

（2）問題2：起始點檢測報警平均次數(shù)過多和出現(xiàn)焊接跟蹤偏移的現(xiàn)象。

原因分析：三方向傳感起始點、焊槍角度和焊槍位置選擇錯誤。

焊縫工藝優(yōu)化：根據(jù)拼搭造成的尺寸誤差來調(diào)整三方向傳感起始點，通過驗證來調(diào)整焊槍角度和焊槍位置，基本消除傳感起始點跟蹤偏移造成的焊接缺陷和報警[2]。

（3）問題3：清槍次數(shù)過多。

原因分析：子程序過多。

接頭設(shè)計優(yōu)化：在滿足強度要求的條件下，盡量設(shè)計焊縫的連續(xù)焊接，采用最少的焊道進行焊接，焊縫全部翻轉(zhuǎn)成船型焊縫進行焊接，提高了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量及效率，子程序數(shù)量從8個降到了4個。

（4）問題4：拐角處焊縫只有少量工件能達到質(zhì)量要求，焊接過程質(zhì)量不穩(wěn)定，補焊后外觀質(zhì)量較差。

原因分析：機械手焊接順序沒有考慮焊縫外觀統(tǒng)一，焊接參數(shù)和焊槍姿態(tài)不對。

焊接順序的優(yōu)化：利用機器人焊接的穩(wěn)定性，對焊接順序進行了統(tǒng)一優(yōu)化。如利用焊縫覆蓋上一道焊縫的起弧和收尾，提高了焊縫外觀質(zhì)量；取消一部分聯(lián)系焊縫，以消除焊縫外觀缺陷，降低了焊接應(yīng)力，減少焊接變形對結(jié)構(gòu)件的影響[3]。

（5）存在問題5：焊接時間過長（結(jié)構(gòu)件前車架機器人焊接前車架（30D1746）時間為118 min/臺）。

原因分析：機器人三方向傳感次數(shù)過多，變位重復(fù)翻轉(zhuǎn)位置次數(shù)多，無弧光時間較長。

焊接方法優(yōu)化：通過減少焊縫三方向?qū)の患夹g(shù)運用和減短焊槍空間過渡移動軌跡，通過合理的翻轉(zhuǎn)位置來減少重復(fù)翻轉(zhuǎn)，避免翻轉(zhuǎn)次數(shù)過多，減少了無弧光時間，提高了機器人焊接的效率。

（6）存在問題6：焊縫出現(xiàn)焊接缺陷（咬邊、氣孔、飛濺、弧坑、焊偏）。

原因分析：焊接數(shù)據(jù)庫參數(shù)和焊槍姿態(tài)欠佳。

焊接工藝參數(shù)優(yōu)化：選用合理的工藝參數(shù)，對數(shù)據(jù)庫進行專人管理和定期維護。

（7）存在問題7：系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障（報警）。

原因分析：培訓力度不夠，系統(tǒng)維護不到位。

焊接工藝文件優(yōu)化：專門編制了《焊接機器人日常保養(yǎng)作業(yè)規(guī)范》、《弧焊機器人操作與編程初級教材》、《焊接機械手校正作業(yè)指導(dǎo)書》、《焊接機械手冷卻系統(tǒng)的保養(yǎng)和檢修指導(dǎo)書》、《機械手送絲系統(tǒng)保養(yǎng)和檢修作業(yè)指導(dǎo)書》，對操作者進行了相關(guān)的培訓，定期對機器人進行系統(tǒng)保養(yǎng)和檢修。

3 實施驗證及結(jié)果

為了實現(xiàn)分析中提出的工藝優(yōu)化，我們進行了首件樣件試制、針對出現(xiàn)的相關(guān)問題進行了程序修改，修正完畢樣件程序之后，我們又進行了9臺的小批量驗證。驗證結(jié)果顯示，焊縫的質(zhì)量均滿足工藝要求。這說明前車架機器人工藝優(yōu)化方案可行，根據(jù)小批量驗證的數(shù)據(jù)再對補焊過程、焊后變形進行驗證之后，我們的前車架機器人工藝優(yōu)化效果良好，可以落實到批量生產(chǎn)上面。

4 效果對比

（1）成型的改善。通過對焊接機器人的工藝優(yōu)化，接頭數(shù)量減少8處，降低焊接缺陷存在的點數(shù)14個，焊接過程質(zhì)量穩(wěn)定，質(zhì)量波動范圍比程序工藝優(yōu)化前要小很多，焊縫外觀質(zhì)量較好，焊縫均勻、飽滿、無缺陷等，手工焊焊縫外觀在機械手焊后基本能形成統(tǒng)一，焊縫達到了工藝要求。

（2）效率的提升。在焊接效率上，單臺前車架機械手焊接時間降低了20分鐘，效率提升了16%，機械手報警現(xiàn)象平均為一次/每臺，減低了50%的報警現(xiàn)象，生產(chǎn)節(jié)拍能滿足各工序的時間需求。

（3）收益。如果按每年生產(chǎn)5 000臺，每臺節(jié)約20 min，則節(jié)約成本20×5 000×0.28=25 000元。減少返修效益=（改善前返修率－改善后返修率）×年生產(chǎn)臺量×單臺返修工時×小時工繳費－投入費用=（30%-10%）×5 000×20×0.28-1 200=4 400元。

[1]熊 薄，高 鵬，裴續(xù)東.弧焊機器人操作與編程初級教材[M].唐山:唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司出版，2012.

[2]鄧洪軍.焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]賈安東.焊接結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)設(shè)計[M].天津：天津大學出版社，1989.