磁極鐵心機(jī)器人高效焊接技術(shù)的應(yīng)用

蔣彥坤 金寶 龔春源 郭松葉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

機(jī)器人是一種可以通過程序指令半自動(dòng)或自動(dòng)地完成自主工作的機(jī)器設(shè)備，因其對(duì)生產(chǎn)條件和環(huán)境的高度適應(yīng)性、自身的靈活性和穩(wěn)定性，目前，工業(yè)機(jī)器人在整個(gè)現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域中有著不可或缺的地位，機(jī)械制造、汽車、化工、服裝、電子、食品和醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展都逐步采用工業(yè)機(jī)器人作為主導(dǎo)，焊接機(jī)器人在汽車、工程機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)已逐漸取代人工焊接。但在大型基礎(chǔ)裝備制造業(yè)領(lǐng)域，因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的巨大差異，機(jī)器人焊接的研究和應(yīng)用仍處于起步階段[1]。文中基于水輪發(fā)電機(jī)磁極鐵心的焊接，開展了機(jī)器人高效焊接研究并成功應(yīng)用。

1 水電磁極鐵心結(jié)構(gòu)介紹

磁極是水輪發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁磁場(chǎng)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)磁感應(yīng)部件，需要具備良好的機(jī)械和電氣性能。磁極由磁極鐵心、磁極線圈和極身絕緣等組成。磁極鐵心常采用疊片磁極，有利于降低磁極表面的齒脈振損耗。疊片磁極鐵心由磁極沖片、磁極壓板、磁極拉緊螺桿等零件組成，螺桿和螺母不得凸出磁極壓板表面，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 磁極鐵心結(jié)構(gòu)示意圖

水輪發(fā)電機(jī)的磁極沖片需關(guān)注材料的磁導(dǎo)率，常選用1.5 mm或2 mm厚的冷軋或熱軋鋼板。磁極沖片的制造可采用模具沖壓和激光切割，各有其固有的優(yōu)缺點(diǎn)。激光切割時(shí)鋼板為自由狀態(tài)，受激光頭的定位誤差和鋼板翹曲變形誤差的雙重影響，中心孔定位誤差可達(dá)±0.20 mm，其孔對(duì)外緣輪廓的誤差可達(dá)±0.25 mm；模具沖壓時(shí)，中心孔誤差一般可達(dá)±0.05 mm，其孔對(duì)外緣輪廓的誤差可達(dá)±0.15 mm，其沖片一致性好[2]。另外磁極沖片尺寸較小，數(shù)量一般都在數(shù)千片以上，成本分?jǐn)偤竽＞哔M(fèi)用不高，所以從技術(shù)和成本分析，目前常采用模具沖壓的方式制造磁極沖片。

另外，在磁極沖片T尾、檐部及極身等位置常沖有3 mm的半圓，磁極鐵心疊壓后，沿磁極鐵心軸向長(zhǎng)度方向滿焊R3半圓槽以提高磁極鐵心的整體性和剛性。焊接位置主要為平焊和橫焊，要求焊縫美觀，焊縫不凸出工件以便不影響裝配，焊縫咬邊及余高均小于1 mm，如圖2所示。

圖2 磁極鐵心焊接位置及焊接要求示意圖

2 磁極鐵心焊接中的常見問題

2.1 磁極鐵心焊縫外觀質(zhì)量差

磁極鐵心片間壓力分布的測(cè)量試驗(yàn)一般采用感壓紙測(cè)量方法，磁極鐵心裝壓過程中在長(zhǎng)度等距間隔的5個(gè)不同的片間位置安裝感壓紙，感壓紙根據(jù)區(qū)域壓力的大小呈現(xiàn)不同的發(fā)色濃度，通過掃描儀對(duì)收集完壓力信息的彩色感壓紙進(jìn)行掃描再通過軟件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后檢測(cè)壓力大小和壓力平衡。結(jié)果表明，磁極鐵心疊壓系數(shù)雖要求較高，但沖片壓緊主要通過沖片中部的拉緊螺桿受力把緊，受力集中，同時(shí)沖片本身鋼板有同板差，沖片外緣、遠(yuǎn)離拉緊螺桿的磁極沖片檐部及T尾受力相對(duì)較差，如圖3所示。沖片外緣緊度不一致，沖片在R3槽焊接部位可能存在間隙，最大可達(dá)0.30 mm。

圖3 磁極鐵心片間壓力分布測(cè)量

同時(shí)R槽因疊片磁極鐵心固有的平直度、對(duì)齊情況不佳和磁極鐵心沖片殘留的少量模具潤(rùn)滑油等因素，R槽焊接時(shí)采用傳統(tǒng)手把焊易產(chǎn)生焊接飛濺，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)手把焊難以維持較好的焊接姿態(tài)、焊接速度和穩(wěn)定的收弧、斷弧時(shí)機(jī)，移動(dòng)焊條的速度過快，從而使得氣泡尚未排出焊縫便已冷卻，形成氣孔；焊接電流、焊接電壓過大或者焊接速度較慢，電弧熱量高與焊接速度不協(xié)調(diào)，使被焊材料在融化之后無(wú)法與焊材金屬相熔，形成咬邊[3]；在焊接的過程中由于收弧、斷弧的時(shí)機(jī)控制得不合適而使得焊縫末端出現(xiàn)因填充物不足形成的低洼部分造成弧坑[4]；焊縫余高因手把焊穩(wěn)定性較差也無(wú)法控制。磁極鐵心手把焊焊接后出現(xiàn)氣孔、咬邊、弧坑和余高參差不齊等問題，焊接外觀質(zhì)量較差，需進(jìn)行打磨，打磨后外觀質(zhì)量仍不滿足要求，如圖4所示。

圖4 鐵心R槽使用手把焊焊接打磨后外觀情況

為消除上述傳統(tǒng)手把焊焊接發(fā)生表面氣孔、咬邊、弧坑等焊縫缺陷和打磨后外觀質(zhì)量差的問題，改進(jìn)方法是焊接時(shí)有意識(shí)地使焊縫余高增大，打磨時(shí)去除表面氣孔和弧坑等焊縫缺陷，但導(dǎo)致焊接量增大、同時(shí)焊接過后焊縫打磨量大，勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步提高，如圖5所示。

圖5 R槽焊縫余高增大，焊接及打磨情況

2.2 磁極鐵心焊接位置多

磁極鐵心R槽主要分布在磁極鐵心T尾、檐部及極身等位置，焊接位置主要為平焊和橫焊。T尾正面為平焊，R槽焊接點(diǎn)處于水平位置，焊接操作人員通過正向俯視焊接工件來(lái)進(jìn)行焊接。因?yàn)楹附涌p處于水平位置，熔滴主要是靠自重進(jìn)行過渡處理，焊接姿態(tài)較易保證。T尾側(cè)面、極身及檐部部位為橫焊，R槽垂直于水平位置進(jìn)行焊接，焊接工作過程中所產(chǎn)生的熔池液態(tài)金屬及焊接產(chǎn)生的熔渣，在自身重力作用條件下會(huì)出現(xiàn)下落情況，更易造成焊道表面出現(xiàn)咬邊、焊接下側(cè)區(qū)域出現(xiàn)凸起等情況容易造成焊瘤、夾渣等缺陷[5]。焊接過程中，常采用將磁極鐵心側(cè)傾、多次變位的方式改橫焊為平焊完成焊接進(jìn)行改善，如圖6所示。

圖6 磁極鐵心通過側(cè)傾、多次變位完成焊接

2.3 磁極鐵心尺寸差異大

磁極主要是提供勵(lì)磁磁場(chǎng)，磁極鐵心各尺寸的設(shè)計(jì)除了滿足機(jī)械強(qiáng)度，還需進(jìn)行磁路計(jì)算。磁極極弧系數(shù)通過磁場(chǎng)的諧波分析和電動(dòng)勢(shì)波形的定量計(jì)算確定，磁極極靴寬度能夠根據(jù)極弧系數(shù)相應(yīng)得出。磁極極身高度由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組匝數(shù)和導(dǎo)線的尺寸確定，極身寬度受極身磁通密度的限制，極靴高度和T尾的尺寸及數(shù)量根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)磁極的強(qiáng)度要求計(jì)算確定[6]。不同的水輪發(fā)電機(jī)組因水頭、機(jī)組容量、機(jī)型結(jié)構(gòu)等不同，電磁方案和機(jī)械強(qiáng)度要求均不一樣，磁極鐵心尺寸差異較大，磁極鐵心長(zhǎng)度從1 m到4 m不等，寬度從150 mm到650 mm不等，R槽焊接位置也相應(yīng)差異較大。

2.4 磁極鐵心焊接效率低

磁極鐵心R槽焊接常采用手把焊的焊接方式，焊接過程為高重復(fù)、低附加值作業(yè)，焊接過后焊縫打磨量大，勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)手把焊考慮焊工自身身體條件和外部高溫環(huán)境，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)，同時(shí)手把焊需頻繁更換焊條，焊接效率較低。另外焊接過程中的煙塵和氮氧化物等有害氣體會(huì)對(duì)焊工造成職業(yè)危害。

3 適合于磁極鐵心的機(jī)器人焊接系統(tǒng)

焊接電流、焊接電壓和焊接速度等因素均會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。相比人工長(zhǎng)期施焊，焊接機(jī)器人擁有完備的數(shù)控化的控制措施，始終能夠?qū)⒑附庸に噮?shù)自動(dòng)控制保持不變，降低人為因素對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，焊縫成型均勻，穩(wěn)定性高。磁極鐵心R槽焊接較為適宜采用弧焊機(jī)器人進(jìn)行改善。

3.1 磁極鐵心焊接工作站

磁極鐵心焊接工作站由焊接機(jī)器人主體、脈沖氬弧焊機(jī)、電器控制系統(tǒng)、防碰撞水冷焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、龍門倒掛行走系統(tǒng)和焊接平臺(tái)等組成。磁極鐵心長(zhǎng)度較長(zhǎng)(最大4 m)，兩側(cè)極身及檐部均需焊接，立柱式及地軌式安裝均不適宜。在保證機(jī)器人靈活性的同時(shí)，最大地增加機(jī)器人的有效工作范圍，采用倒掛安裝方式，如圖7所示。通過最大尺寸工件模擬，機(jī)器人選用工作半徑2000 mm，腕部負(fù)載8 kg，機(jī)器人的工具坐標(biāo)系每次重復(fù)精度不大于±0.05 mm。龍門倒掛行走系統(tǒng)采用機(jī)器人本體同品牌的伺服電機(jī)，受機(jī)器人控制器控制，實(shí)現(xiàn)外部軸和機(jī)器人本體聯(lián)動(dòng)。為提前發(fā)現(xiàn)機(jī)器人路徑干涉問題，保證焊接可達(dá)性，同時(shí)完善焊接平臺(tái)和龍門機(jī)構(gòu)、懸臂梁尺寸設(shè)計(jì)，通過PDPS仿真軟件進(jìn)行仿真虛擬驗(yàn)證，機(jī)器人的機(jī)械臂可以順暢同一工位實(shí)現(xiàn)全部大小尺寸磁極鐵心R槽平焊和橫焊，不需多次變位進(jìn)行焊接，如圖8所示。

圖7 焊接機(jī)器人布置示意圖

圖8 通過仿真軟件實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人仿真分析

焊接工作站同時(shí)具有防碰撞和自動(dòng)清槍、剪絲功能，通過防碰撞傳感器技術(shù)能夠防止由于操作不合理導(dǎo)致機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)與工件相撞，剪絲裝置采用焊槍自觸發(fā)結(jié)構(gòu)，按程序完成自動(dòng)清槍、剪絲。焊接工作站安裝完成后，通過對(duì)焊縫軌跡示教編程即可完成磁極鐵心自動(dòng)焊接，選用?1.2 mm實(shí)心焊絲單道焊接成形。

焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)焊縫余高控制，通過增加焊接電流和焊接速度，保證焊縫的熔深和熔合質(zhì)量，同時(shí)減少單層焊接的填充量，避免產(chǎn)生過高的余高[7]。R槽焊后焊縫飽滿均勻，焊縫余高小于1 mm同時(shí)不凸出工件，焊后不再對(duì)焊縫進(jìn)行打磨。針對(duì)橫焊熔滴因自重下垂的現(xiàn)象，通過調(diào)整焊槍姿態(tài)，調(diào)整工作角和行走角，消除熔滴自重造成的焊道下緣咬邊現(xiàn)象。焊接電流是影響焊縫成形的關(guān)鍵因素，尤其是橫焊位置焊接，電流過大極易引起熔池流淌造成咬邊或假焊，因此橫焊電流應(yīng)比平焊略小[8]。平焊及橫焊的焊接電壓、焊接電流、焊接速度和保護(hù)氣體流量等工藝參數(shù)通過多次試驗(yàn)優(yōu)化，滿足焊接需求。

3.2 磁極鐵心自動(dòng)焊接的定位

(1)定位銷機(jī)械定位

為提高焊接效率，基于焊接工作站數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的首件示教焊接程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)小批量同規(guī)格磁極鐵心無(wú)需重復(fù)示教的情況下完成自動(dòng)焊接，但對(duì)不同工件放置的位置定位要求較高。采用在焊接平臺(tái)設(shè)置定位銷，批量磁極鐵心通過從兩個(gè)相鄰方向靠近定位銷實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位，但因磁極鐵心重量較重(最重約10 t)，吊裝過程中無(wú)法精確控制，后續(xù)需要通過千斤頂實(shí)現(xiàn)精確定位調(diào)節(jié)，工作繁瑣且效率低，如圖9所示。

圖9 磁極鐵心在焊接平臺(tái)定位

(2)焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

水輪發(fā)電機(jī)磁極鐵心尺寸差異大，為適應(yīng)小批量、多品種快速焊接生產(chǎn)，僅采用定位銷的機(jī)械定位方式精度有限，無(wú)法適應(yīng)快速動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)需求，只有將焊縫特征進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別并將其提取轉(zhuǎn)換成焊接機(jī)器人認(rèn)可的數(shù)據(jù)信息，才能做到焊接過程中不依靠人工干預(yù)，使焊接機(jī)器人自行根據(jù)焊縫形式進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡調(diào)整，其核心在于焊縫特征的實(shí)時(shí)快速識(shí)別及其特征準(zhǔn)確提取。針對(duì)焊縫識(shí)別跟蹤，電弧傳感、接觸式傳感和非接觸式傳感均有應(yīng)用，其中非接觸式傳感中的視覺傳感主要依靠焊縫中反饋回的光源信息進(jìn)行特征識(shí)別，可以捕捉電弧狀態(tài)、熔池輪廓等信息，其獲取的焊縫特征信息豐富、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度和精度高，逐漸成為主流方式[9]。其中，工業(yè)應(yīng)用較多的是激光式結(jié)構(gòu)光傳感器，激光作為具有判別性特性的結(jié)構(gòu)光，具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)方法基于光學(xué)三角形測(cè)量原理，通過外部光源進(jìn)行投影可以準(zhǔn)確獲取被測(cè)物體的三維輪廓信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，能夠有效克服自然光下信息采集的問題，可快速準(zhǔn)確地提取焊縫中心位置，適用于磁極鐵心焊縫形式和軌跡簡(jiǎn)單的焊縫識(shí)別。本項(xiàng)目選用激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行定位輔助，焊縫信息能夠主動(dòng)采集和實(shí)時(shí)處理，并與工業(yè)機(jī)器人保持實(shí)時(shí)通信，同時(shí)具有尋位和跟蹤功能，滿足智能化焊接的需求，如圖10所示。

圖10 焊接機(jī)器人配置激光跟蹤器使用

焊接機(jī)器人采用激光跟蹤同步定位焊接技術(shù)配合定位銷定位，能有效修正依靠定位銷吊裝磁極鐵心的位置偏差，同時(shí)屏蔽了磁極鐵心疊片公差導(dǎo)致的固有位置偏移對(duì)R槽焊接軌跡的影響。相同規(guī)格磁極鐵心只需依靠定位銷進(jìn)行初定位后，調(diào)用首件示教好的程序，配合激光糾偏，自動(dòng)高效焊接。激光使用程序如下：

RAD_SHIFT ON 2 1 2；激光開

MOVEL+P009,0.10m/min

ARC-SET AMP=170 VOLT=18 S=0.4；焊接參數(shù)設(shè)置

ARC-ON ArcStart1 PROCESS=0

MOVEL+ P010,10.0m/min

RAD_SHIFT KEEP 1 1 2；激光保持

MOVEL+ P011,10.0m/min

RAD_SHIFT OFF 101；激光關(guān)

MOVEL+ P012,10.0m/min

4 應(yīng)用效果

目前，水輪發(fā)電機(jī)磁極鐵心R槽焊接已實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接全覆蓋，通過大量的焊接應(yīng)用，達(dá)到以下效果：

(1)通過對(duì)焊接機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水輪發(fā)電機(jī)磁極鐵心同一工位下R槽的平焊和橫焊，不需多次變位進(jìn)行焊接。

(2)通過定位銷和焊縫跟蹤器技術(shù)的綜合應(yīng)用，同一規(guī)格的不同磁極，在放置時(shí)初步定位后，調(diào)用首件示教好的程序，激光糾偏輔助，即可實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)焊接。

(3)通過焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，磁極鐵心R槽使用焊接機(jī)器人后焊縫飽滿一致，外觀質(zhì)量較好。有研究表明，使用機(jī)器人焊接的焊縫，其出現(xiàn)未熔合、咬邊、氣孔、裂紋等缺陷的工件數(shù)量比手工焊工件焊接缺陷數(shù)量減少了80%[10]。

(4)通過焊接參數(shù)調(diào)整，焊縫余高控制較好，焊縫不高于工件表面，無(wú)需打磨，該環(huán)節(jié)減少焊縫打磨工人2名，如圖11所示。焊接機(jī)器人通過選配脈沖氬弧焊機(jī)，開啟“脈沖焊接”方式，焊接飛濺少，無(wú)直徑>2 mm飛濺顆粒，飛濺率1%以內(nèi)。

圖11 磁極鐵心R槽手把焊與機(jī)器人焊接焊縫對(duì)比

(5)焊接機(jī)器人相比于手工焊接生產(chǎn)效率優(yōu)勢(shì)顯著。通過生產(chǎn)測(cè)算，磁極鐵心機(jī)器人焊接效率較手把焊提高約3倍，同時(shí)通過采用焊絲代替手工藥芯焊條和焊縫余高控制，熔焊金屬用量減少約30%。

5 結(jié)論

機(jī)器人高效焊接技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)磁極鐵心的應(yīng)用，提高了焊接效率及外觀質(zhì)量，取消打磨工序，降低了焊接作業(yè)強(qiáng)度，改善了焊接作業(yè)環(huán)境。同時(shí)本文研究得出如下結(jié)論：

(1)針對(duì)磁極鐵心使用傳統(tǒng)人工焊接方式需要多次變位的一類工件，通過機(jī)器人選型、機(jī)器人布置方式、焊接軌跡規(guī)劃等的設(shè)計(jì)與仿真，利用機(jī)器人的高柔性可以實(shí)現(xiàn)尺寸差異大、焊接位置多的工件在同一工位下無(wú)需變位的自動(dòng)焊接需求。

(2)通過對(duì)傳統(tǒng)定位機(jī)構(gòu)和適用于機(jī)器人焊機(jī)的焊縫跟蹤器的研究、選型和應(yīng)用，設(shè)計(jì)了定位銷初步定位，激光焊縫跟蹤器自動(dòng)糾偏的定位模式，可操作性強(qiáng)，定位效率和可重復(fù)性高，適宜在多品類、小批量產(chǎn)品中進(jìn)行高效焊接的應(yīng)用。

(3)基于焊槍機(jī)器人的高穩(wěn)定性和一致性，通過焊接工藝參數(shù)、焊槍姿態(tài)和焊接方向等的設(shè)計(jì)，可以有效去除未熔合、咬邊、氣孔等缺陷，實(shí)現(xiàn)焊縫余高控制，解決橫焊熔滴下垂咬邊等問題，焊縫內(nèi)在缺陷減少，焊縫外部外觀質(zhì)量提高。