機(jī)器人工作站薄壁回轉(zhuǎn)體焊件焊接質(zhì)量控制

胡 英，馬信春

（1.新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.阿拉爾市南疆碳素新材料有限公司，新疆 阿拉爾 843300）

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，要求企業(yè)推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，向智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)。以機(jī)器人焊接為標(biāo)志的零部件焊接生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化、柔性化與智能化生產(chǎn)的重要保障。由于機(jī)器人焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，在汽車焊接領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用成熟，部分農(nóng)機(jī)具零部件焊接生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)涉及，如天誠(chéng)對(duì)農(nóng)機(jī)具產(chǎn)品焊接生產(chǎn)線進(jìn)行投資改建，采用機(jī)器人焊接，焊接質(zhì)量和效率有所提高。

對(duì)機(jī)器人焊接質(zhì)量控制的研究主要有：陳大艷等從弧焊機(jī)器人工作站中夾具定位不準(zhǔn)、焊接參數(shù)缺陷、配套設(shè)施不合格為改善重點(diǎn)，優(yōu)化了焊裝夾具和焊接參數(shù)，提出了行之有效的改善策略，李慧敏、劉偉斌等針對(duì)焊接過程中影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行深入分析，提出從供氣系統(tǒng)調(diào)整、焊接電流、電壓參數(shù)優(yōu)化、焊接程序優(yōu)化著手改進(jìn)，有效控制了焊接質(zhì)量，陳海初、謝昌安等通過示校器程序設(shè)計(jì)對(duì)焊接路徑進(jìn)行校正優(yōu)化，有效提高了焊接準(zhǔn)確性。

排種器作為精量播種的核心部件，其穩(wěn)定的排種性能除受設(shè)計(jì)質(zhì)量影響外，還與制造質(zhì)量密切相關(guān)?，F(xiàn)有的研究以設(shè)計(jì)質(zhì)量研究居多，如何亞豪、耿端陽等對(duì)排種器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)分析研究，以排種器腰帶焊接為例的制造質(zhì)量控制研究較少。排種器腰帶總成焊接以及鴨嘴部件焊接作為薄壁回轉(zhuǎn)體零件，工件薄壁特征、曲面焊接特征，弧焊機(jī)器人施焊時(shí)難度較大，因此識(shí)別其焊接質(zhì)量影響因素并有針對(duì)性地提出控制策略，能夠有效提高焊接質(zhì)量以及作業(yè)效率，有益于促進(jìn)以排種器為例的精量播種機(jī)具向智能制造轉(zhuǎn)型。

1 薄壁回轉(zhuǎn)體焊接現(xiàn)狀

（1）焊件結(jié)構(gòu)特性。鴨嘴和定合頁分序焊接后形成鴨嘴部件，將焊合后的鴨嘴部件根據(jù)腰帶類型焊裝在腰帶單件外端面上，形成腰帶總成焊接件。焊件結(jié)構(gòu)如圖1所示，鴨嘴外端面與焊縫所在延長(zhǎng)線呈6.08°夾角，鴨嘴與定合頁中心對(duì)稱布置并焊接，鴨嘴底端與腰帶結(jié)合處呈圓弧結(jié)構(gòu)。鴨嘴部件焊接在腰帶外端面上，鴨嘴通道與腰帶排種口重合，焊接作業(yè)區(qū)空間較小。焊接件壁厚均為2mm，材質(zhì)為Q235，由于腰帶總成焊接時(shí)，腰帶需要回轉(zhuǎn)依次完成鴨嘴部件的總成焊裝，其薄壁、回轉(zhuǎn)特征加大了焊接質(zhì)量控制難度，焊接熱影響區(qū)對(duì)焊件形變影響較大。

圖1 鴨嘴零部件以及腰帶總成結(jié)構(gòu)示意圖

（2）焊接質(zhì)量現(xiàn)狀。排種器腰帶總成焊接和鴨嘴部件分序焊接在弧焊機(jī)器人焊接工作站內(nèi)完成焊接作業(yè)，工作站弧焊機(jī)器人采用ABB系列IRB1410型號(hào)，第五軸最遠(yuǎn)距離1.44m，焊絲直徑0.8mm，焊絲身處長(zhǎng)度8mm，弧焊機(jī)器人無焊縫識(shí)別與跟蹤性能，鴨嘴部件與腰帶總成的焊接有改型弧焊機(jī)器人完成焊接作業(yè)。

鴨嘴部件焊縫位置和腰帶總成焊接焊縫位置如圖2、3所示，其中，鴨嘴與定合頁的焊接位置是鴨嘴兩側(cè)端面與定合頁結(jié)合處，焊縫2處，長(zhǎng)度為10mm，采用直線焊縫；腰帶總成過程中，單個(gè)鴨嘴部件的焊接位置是定合頁側(cè)端面與腰帶結(jié)合處，鴨嘴弧形測(cè)端面與腰帶弧形接縫處，焊縫共4條，焊縫長(zhǎng)度均為10mm。

圖2 鴨嘴部件焊合圖

鴨嘴&定合頁分序焊接時(shí)采用直線焊縫，但部分焊縫貼合不緊密，焊接后出現(xiàn)錯(cuò)位變形，無法完成總成焊裝，焊縫偏離設(shè)計(jì)位置，形成假焊，焊縫成型不均勻，飛濺較大。腰帶總成焊接時(shí)，主要的質(zhì)量缺陷表現(xiàn)在：焊接完成后，鴨嘴部件與腰帶外端面既定位置偏移，定位不準(zhǔn)；部分焊縫偏離設(shè)計(jì)位置，形成假焊，焊槍未起弧，腰帶單件母材燒穿。焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，需要操作工人進(jìn)行修補(bǔ)，降低了產(chǎn)品質(zhì)量同時(shí)，制約著工作站高效運(yùn)行，造成額外的成本支出和制造資源的浪費(fèi)。

圖3 腰帶總成焊件焊合圖

2 焊接質(zhì)量影響因素識(shí)別

（1）工裝夾具問題?，F(xiàn)有的機(jī)器人焊接時(shí)無法跟蹤監(jiān)測(cè)焊縫，因此工裝夾具的精度是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。鴨嘴&定合頁分序焊接夾具部分存在裝夾松動(dòng)，定位不準(zhǔn)等缺陷，導(dǎo)致施焊后鴨嘴和定合頁變形失效；鴨嘴部件與腰帶單件貼合不緊密，焊接完成后，焊縫間隙較大，影響機(jī)械性能；腰帶單件為薄壁回轉(zhuǎn)體工件，腰帶總成焊接夾具對(duì)腰帶單件采用三抓卡盤由內(nèi)向外施力裝夾，由于卡盤與腰帶的接觸面積較小，導(dǎo)致腰帶薄壁件受力產(chǎn)生一定的形變，圓度差異較大，導(dǎo)致總成焊裝時(shí)鴨嘴部件與腰帶單件總成焊合時(shí)個(gè)別鴨嘴部件與腰帶單件焊縫寬度超出弧焊機(jī)器人許用標(biāo)準(zhǔn)，引起虛焊假焊等質(zhì)量缺陷，個(gè)別位置飛濺較大，焊接質(zhì)量缺陷的累積影響著作業(yè)效率以及使用性能，造成客戶滿意度難以提高。

（2）焊接路徑問題?；『笝C(jī)器人對(duì)鴨嘴分序焊接和腰帶總成焊接的焊縫軌跡通過示校器手動(dòng)校準(zhǔn)完成，通過手動(dòng)示教，每條焊縫路徑參考點(diǎn)位置被自動(dòng)插補(bǔ)形成指令文件保存于主程序中。在手動(dòng)示教時(shí)，弧焊機(jī)器人定位不準(zhǔn)，焊縫位置判斷不準(zhǔn)導(dǎo)致記錄的焊縫路徑程序在執(zhí)行時(shí)偏離既定位置形成虛焊、假焊等缺陷。通過調(diào)研，在鴨嘴&定合頁分序焊接中，焊接路徑引起的主要缺陷是焊縫位置偏離設(shè)計(jì)位置以及焊槍距離焊件較遠(yuǎn)無法起?。谎鼛Э偝珊附又?，部分焊縫存在燒穿現(xiàn)象，有較大的質(zhì)量缺陷。

（3）焊接參數(shù)問題。焊接電流、電壓、焊接速度等參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，電流過大容易燒穿工件，電流較小導(dǎo)致焊接不牢固，據(jù)試驗(yàn)分析，三者對(duì)焊接熔深、熔寬、余高等影響較大，科學(xué)地參數(shù)設(shè)置是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。通過分序腰帶總成焊合后焊縫成形情況，其焊接電流、焊接電壓等參數(shù)取值需要進(jìn)一步優(yōu)化，從而保證鴨嘴分序焊接、腰帶總成焊接質(zhì)量。

（4）其他方面。引起焊接質(zhì)量缺陷的其他原因主要包括作業(yè)水平、設(shè)備維護(hù)、保護(hù)氣體等，腰帶及零部件在工件下料時(shí)不符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸，擺放時(shí)沒有裝夾到位，工件夾緊后檢查不仔細(xì)，導(dǎo)致焊合后出現(xiàn)焊縫間隙寬，焊裝變形等缺陷，其次是對(duì)焊槍設(shè)備、電路控制設(shè)備的維護(hù)不及時(shí)，接觸不良導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，焊槍設(shè)備維護(hù)不及時(shí)，施焊時(shí)存在較大飛濺；單一的二氧化碳保護(hù)氣體不純等導(dǎo)致焊縫成形不美觀等。

3 工作站焊接質(zhì)量控制

鑒于上述原因?qū)ε欧N器腰帶焊裝的質(zhì)量影響，根據(jù)焊裝實(shí)際有針對(duì)性地對(duì)其提出改善策略并控制，保證焊接質(zhì)量，提高焊接質(zhì)量的同時(shí)，減少返工作業(yè)，降低制造資源浪費(fèi)和人工成本浪費(fèi)，提高工作站運(yùn)行效率。焊接質(zhì)量的控制主要從工裝夾具優(yōu)化、焊接路徑規(guī)劃、焊接參數(shù)優(yōu)化方面著手實(shí)施，全面提升質(zhì)量控制能力，保障焊接質(zhì)量。

3.1 工裝夾具改進(jìn)

對(duì)工裝夾具的改進(jìn)主要包含三個(gè)方面，分別是鴨嘴分序焊接夾具調(diào)整，鴨嘴部件定位夾具調(diào)整，腰帶總成焊接夾具調(diào)整，提高夾具對(duì)工件的裝夾定位水平，保證焊縫位置準(zhǔn)確性。

（1）鴨嘴分序焊接夾具優(yōu)化?，F(xiàn)有的鴨嘴夾具在制造時(shí)未充分考慮鴨嘴結(jié)構(gòu)特征，鴨嘴外端面與焊縫所在線存在6.08°的夾角，而制作的夾具與鴨嘴外端面的接觸為線接觸，導(dǎo)致夾具對(duì)鴨嘴外端面的裝夾貼合存在縫隙，壓緊后夾具難以準(zhǔn)確定位并夾緊工件，焊合后的部分鴨嘴存在焊縫間隙大，以及焊接變形等，鑒于此，優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖4所示。壓板與鴨嘴外端面采用面接觸形式，鴨嘴左右兩端由壓板限位，充分貼合焊件，將焊接變形控制到最小。依據(jù)對(duì)稱中心定位，定位塊將定合頁準(zhǔn)確定位在卡槽內(nèi)。為保證夾具的通用性以及柔性適應(yīng)性，定位塊和壓板零件可以根據(jù)焊件尺寸的大小和結(jié)構(gòu)特征更換并調(diào)整，最大限度地貼合焊接件，提高定位裝夾水平。

圖4 鴨嘴分序焊接夾具

圖5 腰帶總成焊接夾具

（2）腰帶回轉(zhuǎn)體總成焊接夾具優(yōu)化。腰帶回轉(zhuǎn)體總成焊接夾具是將腰帶回轉(zhuǎn)體用三爪卡盤從內(nèi)端面向外撐緊，完成腰帶回轉(zhuǎn)體的裝夾定位工作，采用面接觸形式，三爪卡盤外端面設(shè)有彈簧頂尖，彈簧頂尖通過腰帶定位孔將腰帶回轉(zhuǎn)體固定在三爪卡盤外端面上，避免縱向位移，提高了定位精度。通過焊接實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三爪卡盤增設(shè)的加固板在夾緊腰帶薄壁回轉(zhuǎn)體后，存在一定的裝夾變形，導(dǎo)致在焊接過程中部分鴨嘴部件與設(shè)計(jì)的焊縫位置間隙過大焊槍無法起弧，形成焊接質(zhì)量缺陷，為此，設(shè)計(jì)了優(yōu)化的腰帶回轉(zhuǎn)體夾具，如圖5所示。新設(shè)計(jì)的加固板增大了與腰帶薄壁回轉(zhuǎn)體的接觸面積，增加了與腰帶曲率的貼合程度，有效控制了裝夾形變，對(duì)弧焊機(jī)器人焊縫定位以及起弧起到關(guān)鍵作用。為提高夾具柔性適應(yīng)性與應(yīng)用效率，加固板可以根據(jù)腰帶等薄壁回轉(zhuǎn)體不同尺寸大小進(jìn)行更換調(diào)整，最大限度貼合焊接件，提高焊件剛性的同時(shí)，減小焊接變形。

3.2 焊接路徑規(guī)劃

單一的夾具改進(jìn)與優(yōu)化不能系統(tǒng)地提升焊接質(zhì)量，焊接機(jī)器人路徑優(yōu)化是另一保障焊接質(zhì)量的關(guān)鍵措施。由于目前采用的ABB機(jī)器人不具備焊縫跟蹤技術(shù)，只能單一的通過示教的焊接路徑完成焊接作業(yè)，因此示教的焊接路徑越貼合實(shí)際焊縫軌跡，焊縫成形質(zhì)量越好，能夠有效減少薄壁件燒穿、熄弧等質(zhì)量缺陷。排種器零部件的焊接路徑優(yōu)化主要涉及鴨嘴分序焊接以及排種器腰帶總成焊接兩部分路徑規(guī)劃，通過調(diào)整焊槍姿態(tài)，直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)增加焊接參考點(diǎn)，提高運(yùn)動(dòng)軌跡與焊縫路徑的重合度。

（1）鴨嘴分序焊接路徑優(yōu)化。鴨嘴和定合頁的焊接有兩條焊縫，通過示校器調(diào)整焊接路徑，優(yōu)選焊接參考點(diǎn)，形成焊接程序，如下所示：

（2）腰帶總成焊接路徑優(yōu)化。腰帶總成焊接主要是將焊合后的鴨嘴部件焊接到腰帶單件外端面上，設(shè)計(jì)焊縫4條，兩條為直線焊縫，焊縫長(zhǎng)度為10mm，兩條為圓弧焊縫，增加焊縫長(zhǎng)度至15mm，優(yōu)化后的焊接程序如下文所示，插補(bǔ)圓弧焊縫兩條，提高焊槍與焊縫貼合度。

3.3 焊接參數(shù)優(yōu)化

焊接件的熔深、熔寬與焊接電流、電壓以及焊接速度密切相關(guān)，各因素的交互作用對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。通過對(duì)腰帶及零部件焊接參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，當(dāng)焊接電流選擇155A，電壓選擇為18.8V，焊接速度30m/h時(shí)焊縫成形較好，焊接過程穩(wěn)定，焊接質(zhì)量可靠。

3.4 其他方面

（1）提高作業(yè)水平。農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件產(chǎn)品長(zhǎng)期采用手工作業(yè)，焊裝作業(yè)相對(duì)粗放，其下料精度難以滿足機(jī)器人焊裝作業(yè)要求，應(yīng)加強(qiáng)焊件切割與加工精度，滿足焊接標(biāo)準(zhǔn)；機(jī)器人焊接對(duì)工件的裝夾要求較高，準(zhǔn)確的焊縫位置是保障機(jī)器人正常起弧并施焊的關(guān)鍵，因此要加強(qiáng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)，提高操作人員裝件意識(shí)，確保每個(gè)工件裝夾符合焊接作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量控制的目的。

（2）供氣系統(tǒng)優(yōu)化。采用80%Ar+20%CO2混合保護(hù)氣體代替原有單一的CO2氣體，提高弧焊機(jī)器人起弧能力，保障弧焊機(jī)器人穩(wěn)定順暢施焊。

4 結(jié)語

文章重點(diǎn)從路徑優(yōu)化、工裝夾具改進(jìn)、焊接參數(shù)調(diào)整三方面對(duì)工作站焊接質(zhì)量實(shí)施改善控制，經(jīng)過綜合改善，焊接機(jī)器人工作站運(yùn)行效果較好，克服了機(jī)器人焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，所焊的排種器腰帶總成工件及鴨嘴部件焊縫成形美觀，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，有效了提高生產(chǎn)效率。

（1）通過機(jī)器人示校器能夠方便快捷的進(jìn)行直線、圓弧插補(bǔ)程序指令添加，優(yōu)化焊接路徑，提高焊縫貼合度，間隙誤差在可允許誤差范圍內(nèi)，保證了良好的焊接質(zhì)量。

（2）工裝夾具的優(yōu)化能夠有效提高工件的裝夾定位能力，有效配合弧焊機(jī)器人完成焊縫定位并施焊。

（3）以人為本的作業(yè)培訓(xùn)以及作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化能夠有效降低工件裝夾質(zhì)量誤差，減少焊接缺陷，焊接設(shè)備的有效維護(hù)提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，減少焊接故障停機(jī)、焊接飛濺等缺陷。

［1］周濟(jì).智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2015，（17）：2273-2284.

［2］黃春輝.兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造智能技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］.新疆農(nóng)墾科技，2014，（9）：62-63.

［3］陳大艷.弧焊機(jī)器人工作站焊接質(zhì)量影響因素分析及改進(jìn)措施［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2013，（6）：96-98.