OTC機械臂自動化焊接工藝研究

孫雨峰

摘要： 本文首先簡要介紹OTC機械臂的結(jié)構(gòu)和動作原理，然后結(jié)合橫梁鋼管與連接座焊接實例，具體研究OTC機械臂的自動化焊接技術(shù)原理和參數(shù)控制要求，為OTC機械臂在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進(jìn)行有益的探索和實踐。

Abstract： In this paper， the structure and operation principle of OTC manipulator are briefly introduced. Then， combining with the steel pipe and connecting seat welding example， welding principle and parameter control requirements of OTC manipulator are studied in detail to carry out useful exploration and practice for wide use of OTC manipulator in industrial field.

關(guān)鍵詞： OTC機械臂；自動化焊接工藝；參數(shù)控制

Key words： OTC manipulator；automated welding process；parameter control

中圖分類號：P755.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0131-02

0 引言

橫梁鋼管與連接座為內(nèi)外對接環(huán)焊縫，人工焊接內(nèi)腔焊縫時，必須邊旋轉(zhuǎn)工件邊焊接，作業(yè)有一定難度，并且由于內(nèi)腔熔池可見性差，很難確保焊縫質(zhì)量達(dá)到生產(chǎn)要求。采用機器人施焊，首先能保證焊接質(zhì)量，而且相比于人工焊接來說作業(yè)效率更高，因而機械焊接在近些年被廣泛用在工業(yè)生產(chǎn)中，特別是在軌道裝備制造業(yè)中取得了很好的應(yīng)用效果。本文首先簡要介紹OTC機械臂的結(jié)構(gòu)和動作原理，然后結(jié)合橫梁鋼管與連接座焊接實例，具體研究OTC機械臂的自動化焊接技術(shù)原理和參數(shù)控制要求，為OTC機械臂在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進(jìn)行有益的探索和實踐。

1 OTC機械臂的結(jié)構(gòu)和動作原理

OTC機械手臂又稱關(guān)節(jié)機器人，多數(shù)有6軸，6個關(guān)節(jié)可聯(lián)動、也可以單個的運動、也可沿著X＼Y＼Z三個坐標(biāo)方向移動，從而實現(xiàn)三維柔性工作。如圖1所示，OTC機械手包括控制裝置、懸式示教作業(yè)操縱按鈕臺、操作箱和機器人主體等幾個部分。除此以外，機械手上還配裝了兩軸旋轉(zhuǎn)變位機，適用于350公里轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管與連接座、橫向止擋座的焊接作業(yè)。

OTC自動化焊接機械臂的主體結(jié)構(gòu)及動作原理如下：控制系統(tǒng)：由微型計算機和控制箱組成?？刂葡渲饕ê笜屛恢每刂颇０濉⑤斎?輸出接口電路以及功率驅(qū)動電路等組件；微型計算機不單單是指主機和鍵盤，還應(yīng)該有配套的顯示器和輸入/輸出設(shè)備。

焊槍位置控制模板：焊槍位置由相應(yīng)的機械電弧擺動模板、弧壓控制模板以及調(diào)控信號等組件進(jìn)行調(diào)控。在管道360度自動焊接的過程中，操作員應(yīng)該多注意焊槍位置，根據(jù)焊接需要隨時調(diào)整焊槍的位置。

焊槍焊接方式：用來調(diào)控焊接工藝參數(shù)的旋鈕由專用的焊接電源進(jìn)行控制，調(diào)控按鍵主要分布在機頭或?qū)ｉT的箱盒內(nèi)。在焊接時，可對照所需的工藝參數(shù)，用旋鈕和相應(yīng)的按鍵進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

2 OTC機械臂焊接工藝

經(jīng)濟型點焊機器人適用于任務(wù)量和勞動強度較大、焊點分布相對簡單的工況，并且對作業(yè)環(huán)境不挑剔。通常要求焊接機器人的傳動精度要高于其周邊設(shè)備。要實現(xiàn)高效率焊接，需要兩個前提：一是下料精度要，產(chǎn)品一致性高，才能更好的實現(xiàn)自動化焊接。二是工件的裝配精度要高，裝配誤差小于焊絲的直接。

2.1 OTC機械臂自動化焊接操作流程

OTC機械臂自動化焊接的操作流程如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)運動方式的確定

按照焊接要求，焊接機械臂須采用5軸聯(lián)動式運動模式。其伺服系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)、擺動部件通過快速步進(jìn)電機的開環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行操控。開環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造單一，易于調(diào)整和維護，既經(jīng)濟又實用。

2.2.2 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定

為確保主機傳動精度和作業(yè)過程的穩(wěn)定性符合設(shè)計要求，應(yīng)參考以下幾點來裝配設(shè)計機械傳動裝置：一是傳動元件和導(dǎo)向元件的摩擦系數(shù)盡可能最??；二是傳動間隙盡可能為零；三是傳動鏈不宜過長。通過適當(dāng)縮短傳動鏈來提高傳動剛度，可有效縮小傳動誤差。實際作業(yè)中，可預(yù)緊執(zhí)行機構(gòu)來提高其傳動精度。常見的操作是在絲杠的承端進(jìn)行軸向固定，同時借助預(yù)緊拉伸結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作。

2.2.3 確定機械臂的整體結(jié)構(gòu)及布局

①確定機械臂的外觀尺寸以及各局部結(jié)構(gòu)的尺寸和結(jié)構(gòu)布局。②將運動部件放開到極限自由度，對其位置進(jìn)行調(diào)校。③確定控制系統(tǒng)、驅(qū)動部件和執(zhí)行部件的間距及相對位置。

2.2.4 協(xié)調(diào)控制

按焊接要求對各機械臂和變位機進(jìn)行操控，保持工件與焊槍的相對姿態(tài)，嚴(yán)防焊接過程中工件與焊槍之間發(fā)生磕碰。

2.2.5 精確焊縫軌跡跟蹤

機械臂的視覺傳感器和激光傳感器支持離線作業(yè)功能，焊接時應(yīng)該擅用這一功能，通過激光傳感器跟蹤監(jiān)控對焊縫的焊接過程，以實時調(diào)整機械臂焊接動作的柔性，特別是提高機械臂對復(fù)雜工件的適用性。通過視覺傳感器監(jiān)控并統(tǒng)計焊縫跟蹤的殘余偏差，再通過對機械臂工藝參數(shù)進(jìn)行補償來修正機械臂的運動軌跡，從而使機械臂的焊接精度更加有保障。

3 實踐研究——OTC機械臂在梁管焊接中的應(yīng)用

下文以O(shè)TC機械臂在橫梁鋼管和連接座焊接工藝中的應(yīng)用為例，對OTC機械臂的焊接工藝進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.1 坡口及焊縫型式

橫梁鋼管與連接座為對接雙面環(huán)焊縫，內(nèi)側(cè)焊縫型式為5V，外側(cè)焊縫型式為10U。橫梁鋼管與連接座的坡口為對稱結(jié)構(gòu)。

3.2 焊絲與保護氣體

橫梁鋼管與連接座的焊絲選用ISO 14341-A-G 42 4 M G3Si1，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

3.3 工藝參數(shù)及焊接順序

將橫梁管與連接座放在工裝內(nèi)點固，點固四處，每處點固30～40mm，點固后需將點固焊縫兩側(cè)打磨呈至少50°的斜坡，清除點固焊縫中存在的氣孔、表面裂紋等焊接缺陷。先用機械手對稱焊接橫梁鋼管與連接座內(nèi)腔焊縫，背面清根后對稱交替焊接橫梁鋼管與連接座的打底層、填充層、蓋面層。保證層間溫度低于200℃，焊接參數(shù)如表3所示。

3.4 焊后無損探傷

為進(jìn)一步檢測焊縫內(nèi)部是否存在缺陷，需對焊縫進(jìn)行無損檢測。磁粉探傷對于表面和近表面存在的裂紋、未熔合等面積型缺陷具有較高的探測度。射線探傷可以檢測出氣孔、夾渣等體積型缺陷，而且可以檢測出缺陷的具體位置、大小。橫梁鋼管與連接座焊接結(jié)束24h后進(jìn)行100%表面磁粉探傷，要將焊縫表面打磨后再進(jìn)行探傷檢測。檢測后發(fā)現(xiàn)焊縫表面沒有磁痕等結(jié)構(gòu)缺陷，焊接質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

OTC機械手對于橫梁鋼管和連接座的內(nèi)外環(huán)焊縫具有良好的焊接工藝性。焊縫表面成形美觀、均勻，焊接參數(shù)合理。機械手電弧跟蹤系統(tǒng)有助于提高焊接質(zhì)量。打磨焊縫后進(jìn)行磁粉探傷檢測，焊縫表面沒有磁痕和其它缺陷點，焊縫質(zhì)量達(dá)標(biāo)。本文僅僅針對OTC機械手對于橫梁鋼管和連接座的自動化焊接工藝進(jìn)行了研究，實際上OTC機械臂在自動化焊接工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的適用性，在具體操作時需要結(jié)合實際工況對其技術(shù)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以提高其適用性。

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