焊接機器人在挖掘機回轉支承座焊接中的應用

閆章建，徐晶晶，李勇，劉磊，侯玉鵬，徐宗磊，胡傳峰，李新華，賈志強

1.山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

2.南通振華重型裝備制造有限公司 江蘇南通 226000

1 序言

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

2 徠斯焊接機器人工作站

徠斯焊接機器人工作站主要由弧焊機器人、焊機+送絲機、焊槍及清槍裝置、保護氣體設備、控制柜、工裝夾具、變位機、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

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

3 挖掘機轉臺支承座

挖掘機支承座又稱挖掘機底座、挖掘機支承圈、挖掘機連接座及回轉支承座等，它是連接挖掘機上車架與下車架的關鍵結構件、回轉支承的外圈。挖掘機支承座質量的好壞直接影響挖掘機的使用安全和壽命。因此，挖掘機支承座是較為重要的結構件。挖掘機支承座在下車架中的位置如圖2所示。

圖2 挖掘機支承座在下車架中的位置

挖掘機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）降低挖掘機支承座故障率，從而減少售后服務成本。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)，提高生產效率。整體鍛造的支承座為成品，直接焊接即可，可極大地減少廠家復雜的鈑金焊接加工過程，提高生產效率。

4）鍛造式支承座是目前較為先進的加工工藝，但是，采用整體鍛造的挖掘機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，車間的普通設備即可滿足加工要求，不需要采購復雜的鍛造設備，可減少采購費用。

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

3）焊接結構剛度大，整體性能好，焊接工藝適應性廣，容易實現(xiàn)自動化。

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

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 某機型支承座機器人焊接應用

4.1 工作范圍及負載確認

查閱機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，需要移動機器人進行測試，模擬焊接最高點（外道焊縫）、最低點（內道焊縫）的位置，如圖5所示。由圖5可看出，工作范圍能夠滿足要求。

圖5 工作范圍確認

為保證焊接時的安全，設計時充分考慮變位機的負載，在保證工裝強度、剛性的基礎上，進行鏤空設計，將整體重量（工裝夾具+工件）控制在500kg以內，小于變位機負載1100kg的一半。

4.2 工裝夾具設計

傾翻式變位機可以繞水平軸傾翻式旋轉，也可以繞變位機中心軸（垂直于上平面）旋轉。變位機在安裝調試完后標定了原點，工裝安裝到變位機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，進而保證工件與工裝同心（單邊預留0.75mm的裝配間隙）。此設計最終保證工件中心與變位機中心軸重合。

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 變位機處于原點位置（上平面水平），裝夾工件，移動焊槍，調整焊槍角度及姿態(tài)，尋位并編制圓弧焊接程序。

該方案存在的缺點是：①焊縫的空間位置會使液態(tài)熔池流向底圈一側，很難在圓環(huán)一側形成較大的熔寬，難以達到圖7所示的焊縫要求。②需要尋找較多的尋位點，尋位花費的時間較長，效率較低。③焊槍姿態(tài)一直在變化，需多次調整。優(yōu)點是對組對精度要求較低。

（2）第二種方案 焊槍不動，變位機旋轉完成焊接。

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°、內道焊縫傾斜15°～20°的姿態(tài)，焊槍夾角為25°～30°。焊接時，調整好工件位置，移動機器人，調整好焊槍角度及姿態(tài)，焊槍不動，變位機旋轉實施焊接。此種方案容易達到焊縫要求，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，根據工裝夾具的設計精度，選擇第二種方案比較合適。

4.4 機器人焊接程序編制

（1）焊接質量要求 焊縫尺寸符合圖7要求，焊接質量符合一級焊縫要求，即對每條焊縫長度的100%進行超聲波檢測；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、抗剪強度均與母材相同。

（2）焊接工藝及參數(shù) 采用氣體保護焊（MAG/CO2）工藝，焊接設備采用徠斯焊接機器人，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。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定軌跡進行焊接，容易導致各種形式的焊接缺陷出現(xiàn)。利用徠斯機器人接觸傳感功能和電弧傳感功能可實現(xiàn)對焊縫位置的精準尋位和過程跟蹤。

調整變位機（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。使用世界坐標系移動機器人至待焊位置（外道焊縫）上方一空間安全點，旋轉第八軸開始尋位（見圖8）。由于工裝夾具以及工件組對控制較好，所以旋轉時端面圓跳動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旋轉轉化為線性點，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。內道程序同理，只是傾斜角度不同。

圖8 外道和內道焊接

（4）機器人姿態(tài)控制 機器人本體在焊接時的運動方式為六軸聯(lián)動的柔性運動。機器人各關節(jié)的運動都有一定的活動范圍，為避免機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整內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

5 機器人焊接出現(xiàn)的問題及解決方法

在機器人焊接時也出現(xiàn)了一些問題，主要有未熔合、氣孔、飛濺嚴重及尋位時不導電等。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，根部易產生熔合不良。對此，可以采取以下幾種工藝措施：①增加銑面工序，保證無間隙或間隙均勻。②增加組對間隙（2～3mm），增大熔深。③增加坡口角度，增加熔深。④注意坡口兩側及焊層之間的清理。其他問題及解決辦法見表2。

表2 機器人焊接問題及解決方法

6 結束語

應用焊接機器人焊接挖掘機支承座，顯著提高了焊接質量，檢測合格率達到了99%以上。相比于人工焊接，不僅降低了勞動強度，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的要求。本文的工裝夾具配合變位機，焊槍不動，工件相對于焊槍做圓周運動，減少了焊槍姿態(tài)調整的頻次，提高了編程及焊接效率。此種方法已經推廣到推土機引導輪的焊接中，取得了良好的效果。