大型工件中小圓弧機器人聯(lián)動焊接方法研究

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

目前自動化技術的主要發(fā)展趨勢是數(shù)控化和智能化[1]，在設備的高頻更新?lián)Q代中，原有的自動焊接率無法滿足高節(jié)奏節(jié)拍化生產需求。由于大型工件中的小尺寸弧形焊縫在非自動焊中占比較大，因此通過建立弧形焊縫的聯(lián)動焊接模型來解決該問題，對于標準化數(shù)字化生產線的建立具有積極意義。

自動化焊接設備已經突破了自動弧焊機器人只焊長大焊縫的局限。王克軍[2]等分析了馬鞍形焊縫在四軸聯(lián)動下的槍姿，但未分析焊接參數(shù)與聯(lián)動的關系；楊彩芳[3]等分析了數(shù)控系統(tǒng)通過三軸聯(lián)動保持焊槍恒定線速度與焊接角度完成異性沖壓件焊接，該項研究對于工業(yè)機器人程序編制方面指導性較低；黎文航[4]等介紹了曲面（線）焊接機器人的應用，該型式焊接機器人使用面較窄，介于專機與智能機器人之間，所以技術的可推廣性略低；張志強[5]等提出了兩軸聯(lián)動完成空間三維曲線的理論，兩軸的聯(lián)動對于工業(yè)制造中用于大型工件焊接的11軸焊接機器人借鑒性略有不足；崔巖[6]等就地鐵轉向架側梁自動焊提出了優(yōu)化焊接參數(shù)、制定嚴格焊接順序，結合定制工裝來提高焊接質量和自動焊效率，但未對小尺寸圓弧的聯(lián)動焊接實施建模，對于自動焊程序中空間軌跡與參數(shù)配比指導性略有不足。

基于上述研究成果，本文以軌道交通客車轉向架側梁帽筒外焊縫為研究對象，通過弧形聯(lián)動焊接建立數(shù)學模型，并進一步推導大型工件中小尺寸的弧形焊縫，最后通過幾何數(shù)學對聯(lián)動焊接程序運行了穩(wěn)定性的計算，實現(xiàn)了大型工件中小圓弧聯(lián)動焊接時程序的穩(wěn)定運行及焊縫高度的一致，以期對自動化焊接機器人設計及程序編制起到一定的借鑒作用。

1 建立弧形焊縫的聯(lián)動焊接模型

1.1 聯(lián)動焊接同比降速的數(shù)學模型

客車轉向架側梁帽筒外焊縫坡口形式為11HY，焊接工藝為自動焊聯(lián)動焊接，該道焊縫由連續(xù)6個共5種不同半徑的圓弧組成。聯(lián)動焊接過程中，設備允許焊槍移動速度上限值為42 cm/min，脈沖焊接電流工藝范圍為250～300 A。

填充HY型坡口時，單道填充量V、焊縫截面積S為常數(shù)，自動焊接機器人中的熔敷速度v和焊接速度L為變量。焊縫填充量V=SL，同時滿足V=vt，即

為了達到不超越機器人本身各軸運動極限的速度，要在保證單道焊縫高度的前提下降低焊槍移動速度，得出等式SL1=v1t和SL2=v2t，由于S為常數(shù)，所以

在了解原有焊槍移動速度L1、送絲速度v1以及要達到的焊槍移動速度L2后，計算出降速后的送絲速度v2為

脈沖電流的計算方法為I=v×26，根據(jù)脈沖電流工藝范圍,計算出送絲速度上下限值如表1所示。

表1 脈沖參數(shù)極限值下送絲速度的對比

以構架側梁帽筒中的11HY+a4焊縫打底層焊接參數(shù)為研究對象，根據(jù)式（1）將參數(shù)進行同比降速后如表2所示。

表2 同比降速前后參數(shù)對照

同比降速后參數(shù)的前后對照如圖1所示。可以看出，同比降速前后電流、送絲速度均在工藝范圍內，且移動速度得到優(yōu)化。

1.2 “輪廓模糊法”、“大臂取中法”可以優(yōu)化弧形焊縫聯(lián)動焊接模型中的數(shù)據(jù)

（1）虛化輪廓后對外部軸移動速度的影響。

客車轉向架側梁帽筒處的小尺寸圓弧虛化輪廓后，半徑由62 mm增大為68 mm，以1/4圓弧為基礎進行計算，根據(jù)L=πd/4得出，相同速度下1/4圓弧焊槍需要多移動9.42 mm，變位機移動速度降低9.68%，配合同比降速法使用，共降低變位機移動速度20.79%，使得程序可用穩(wěn)定運行?！拜喞：ā笔褂们昂髨A弧半徑對比如圖2所示。

（2）“大臂取中法”在聯(lián)動焊接過程中對外部軸移動的影響。

圖1 同比降速后參數(shù)的前后對照

圖2 “輪廓模糊法”使用前后圓弧半徑對比

程序編制時選取聯(lián)動最高點和最底點的中間位置將外部軸正對該位置，機器人軸自然舒展，在6個機器人軸與3個外部軸聯(lián)動焊接過程中（外部軸十軸在聯(lián)動過程中始終保持不動），盡量保持支撐機器人軸的兩個外部軸不動或者少動，將九軸聯(lián)動降至七軸聯(lián)動，保證了焊接的穩(wěn)定性。

1.3 聯(lián)動程序空間步點的設置

聯(lián)動焊接程序運行的穩(wěn)定性在受參數(shù)影響的同時也受步點空間位置的影響，熔池位置全程保證水平。圓弧的移動方式如圖3所示，將一個圓弧均分三個點，第一個點外部軸逆時針旋轉的角度為90°-β，第二個點旋轉的角度為α/2，第三個點的旋轉角度同樣為α/2。這樣在保證了圓弧在聯(lián)動焊接時熔池始終水平的同時，也保證了聯(lián)動過程中外部軸轉動的穩(wěn)定性。

圖3 圓弧的移動方式

2 實驗驗證

側梁焊接時機械手臂的擺放如圖4所示。首先利用“大臂取中法”將支撐機械手臂的外部軸正對帽筒連續(xù)圓弧的中部，第一個圓弧起點利用外部軸沿逆時針方向旋轉45°，第二個圓弧點沿順時針方向旋轉30°，第三個圓弧點再次沿順時針方向旋轉30°，完成第一個圓弧的聯(lián)動，參數(shù)的設置通過“同比降速法”，將參數(shù)庫打底層的焊接速度45 cm/min、送絲速度11.25 m/min轉換為焊接速度40 cm/min、送絲速度10 m/min。經驗證，焊接過程焊槍移動速度穩(wěn)定，各軸運行均未超越機械臂運動極限；焊縫填充量一致，焊角相同。

圖4 側梁焊接時機械手臂的擺放

4 結論

基于MAG焊弧形焊縫的聯(lián)動模型，研究焊絲熔敷速度與焊槍移動速度以及設備極限速度之間的關系。在此基礎上使用包含弧形焊縫聯(lián)動焊接模型的轉向架側梁帽筒小尺寸圓弧聯(lián)動模型，得出以下結論：

（1）要在焊接工藝范圍內得到統(tǒng)一的填充量，焊接速度與熔敷速度成正比，最高可優(yōu)化焊接速度16.6%。

（2）在聯(lián)動焊接圓弧過程中，圓弧直徑可以向大虛化10%，傳感功能會幫助焊槍找正軌跡，且優(yōu)化外部軸移動速度最大降低10%。

（3）“大臂取中法”可將九軸聯(lián)動焊接降至七軸聯(lián)動焊接，焊接過程更加穩(wěn)定。