工程機(jī)械構(gòu)件弧焊機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

工程機(jī)械構(gòu)件弧焊機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

0解決焊接組件性能與制造能力問題作為一個(gè)領(lǐng)先的制造業(yè)國家，其工業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長在一定程度上取決于工業(yè)設(shè)備的提高。在工業(yè)裝備中,工程機(jī)械占有重要地位,而工程機(jī)械產(chǎn)品中焊接結(jié)構(gòu)件較多,約占整機(jī)重量的50%~70%,所以焊接結(jié)構(gòu)件的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、性能與使用可靠性。目前,國內(nèi)外知名的工程機(jī)械制造廠商把焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造能力作為競爭的焦點(diǎn)之一。對于任何一個(gè)企業(yè),要提升產(chǎn)品的市場競爭力,提高生產(chǎn)效率,保證焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量,降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善作業(yè)環(huán)境已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求,采用弧焊機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接生產(chǎn)是解決此問題的有效途徑。為此,結(jié)合工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件的制造特點(diǎn),本文嘗試采用Panasonic-TA1400六自由度弧焊機(jī)器人進(jìn)行中厚板典型接頭自動(dòng)焊工藝試驗(yàn)摸索,為機(jī)器人焊接技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)的推廣、普及提供技術(shù)支持。1焊接特點(diǎn)：該項(xiàng)目的工藝結(jié)構(gòu)1.1鑄鋼件材料目前,國內(nèi)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件使用的材料主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等,一些零部件采用鑄鋼件,材質(zhì)本身具有良好的焊接性能,產(chǎn)生冷、熱裂紋傾向小,焊前母材毋需預(yù)熱,焊后也毋需特殊保溫措施。1.2厚板件焊接工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件包括薄板件(如駕駛室、機(jī)罩、蓋板等),板厚2~4mm;中板件(如車架、行走架、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等),板厚6~20mm;厚板件(如壓路機(jī)前、后輪),板厚20mm以上。通常結(jié)構(gòu)件由板材拼焊而成,以箱形結(jié)構(gòu)為主,上面焊接附件,包括一些機(jī)座鑄鋼件,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,焊縫密集。部分結(jié)構(gòu)件采用型材,如矩形管、型槽鋼等,以簡化結(jié)構(gòu)并減輕自重。工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件角焊縫居多,通常只檢驗(yàn)焊縫外觀質(zhì)量,只有重要的受力結(jié)構(gòu)件需做磁粉探傷和超聲波探傷,分別檢驗(yàn)表面裂紋和焊縫內(nèi)部缺陷。1.3埋弧自動(dòng)焊與氣體保護(hù)焊在國內(nèi)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件制造中,板材以Q235、Q345和Q390為主,板材厚度以中厚板δ≥6mm為主。目前普遍采用的焊接方法是埋弧自動(dòng)焊與CO2/MAG氣體保護(hù)焊。埋弧自動(dòng)焊電流密度大,焊接熔深大,焊接速度是手工電弧焊的5~6倍,焊縫成型美觀,焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠,無弧光、煙塵,勞動(dòng)條件較好,多用于中厚板長直焊縫或環(huán)焊縫,其他場合多采用CO2/MAG氣體保護(hù)焊。氣體保護(hù)焊同樣具有電流密度大、熔深大的特點(diǎn),焊接速度是手工電弧焊的2倍左右,但輔助工作時(shí)間少,特別是采用富Ar混合氣體時(shí),熔渣和飛濺很少,節(jié)省了清理時(shí)間,總體效率高。對應(yīng)焊材以氣體保護(hù)焊碳鋼實(shí)心焊絲ER50-6為主,焊絲規(guī)格以?1.0mm、?1.2mm和?1.6mm為主。2焊接設(shè)備部分Panasonic-TA1400弧焊機(jī)器人是一款從事焊接加工的工業(yè)機(jī)器人,主要包括機(jī)器人系統(tǒng)和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、變壓器、控制柜和示教器組成(見圖1)。焊接設(shè)備由焊接電源、送絲機(jī)、焊槍、工作臺(tái)、夾具等部分組成。該工作站還配備了清槍機(jī)構(gòu),具備焊縫始端尋位和電弧焊縫跟蹤功能,以提高機(jī)器人工作站的焊接自動(dòng)化水平,提高軌跡精確度和焊縫質(zhì)量,減少操作人員的介入。2.1清除焊槍、防飛工具圖2所示為德國賓采爾(BINZEL)清槍剪絲裝置。清槍機(jī)構(gòu)的主要作用:①在焊接程序執(zhí)行前,可以對焊槍進(jìn)行清理,通過氣動(dòng)旋刀將上個(gè)程序焊接殘留在焊槍噴嘴內(nèi)的飛濺清除,再噴入防飛濺硅油;②附加傳感裝置,在程序執(zhí)行前,剪掉多余長度的焊絲,使伸出導(dǎo)電嘴焊絲至一定長度,保證傳感的準(zhǔn)確性。2.2工件發(fā)生之際短路焊縫始端尋位功能對于公差較大或裝配精度較差的工件是必不可少的。尋位裝置有一個(gè)線包,可產(chǎn)生幾十V電壓。尋位就是通過焊絲接觸工件發(fā)生瞬間短路,即機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際工件焊縫該點(diǎn)的空間三維坐標(biāo),通過這種方式,機(jī)器人系統(tǒng)檢測多個(gè)點(diǎn)后,根據(jù)這幾個(gè)點(diǎn)計(jì)算得出偏差值,用該偏差值修改原示教焊縫的位置數(shù)據(jù),從而得出實(shí)際焊縫起始點(diǎn)的位置,如圖3所示。一個(gè)焊縫起始點(diǎn)需要進(jìn)行2或3次的尋位,并形成一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣。焊接時(shí)機(jī)器人自動(dòng)計(jì)算該起始點(diǎn)矩陣相對TCP(工具坐標(biāo)點(diǎn))的位置,使焊槍到達(dá)該實(shí)際焊縫的起始點(diǎn)。2.3焊縫準(zhǔn)確位置的確定電弧傳感跟蹤功能是通過測量焊接過程中焊接電流的變化,并由專用的軟件程序計(jì)算焊接過程中因電弧擺動(dòng)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù),指明焊縫的確切位置并修正程序路徑,如圖4所示。在焊接過程中可以通過短路過渡、射流過渡和脈沖焊接識(shí)別出準(zhǔn)確的焊接位置。引弧后,只需幾次擺弧就可以找到準(zhǔn)確的焊縫位置。當(dāng)此技術(shù)與焊縫始端尋位功能聯(lián)合使用時(shí)優(yōu)點(diǎn)更加明顯,這種情況下,焊縫始端尋位功能首先確定焊縫的起始位置,電弧(在設(shè)定的干伸長條件下)在準(zhǔn)確位置引燃,通過比較電弧參數(shù),引導(dǎo)焊槍沿實(shí)際焊縫軌跡進(jìn)行焊接。3機(jī)器人編程點(diǎn)屬性說明機(jī)器人從上世紀(jì)60年代誕生至今經(jīng)歷了示教再現(xiàn)階段、離線編程階段和自主編程階段。因技術(shù)尚未成熟,目前在國內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人系統(tǒng)多數(shù)處于示教再現(xiàn)編程階段。Panasonic機(jī)器人的示教編程主要是在示教器上進(jìn)行,內(nèi)容包括選擇坐標(biāo)系、移動(dòng)機(jī)器人、登錄確認(rèn)軌跡點(diǎn)的屬性、設(shè)置焊接參數(shù)等,最后進(jìn)行實(shí)際跟蹤手動(dòng)檢查試運(yùn)行。Panasonic機(jī)器人示教主要是確認(rèn)點(diǎn)的屬性,即編程時(shí)只需確定各段軌跡起始點(diǎn)和終點(diǎn)即可?；『笝C(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、直線擺動(dòng)和圓弧擺動(dòng)4種焊接功能,其他任何復(fù)雜的焊接軌跡都可拆分為這4種基本方式。編程基本規(guī)則:①焊接一段直線需要2個(gè)屬性點(diǎn);②焊接一段圓弧需要3個(gè)屬性點(diǎn);③焊接一段直線擺動(dòng)需要4個(gè)屬性點(diǎn);④焊接一段圓弧擺動(dòng)需要5個(gè)屬性點(diǎn)。機(jī)器人編程點(diǎn)的屬性說明如表1所示。通過在示教器上選擇點(diǎn)的屬性來完成對機(jī)器人的示教編程。以圖5軌跡示意為例,進(jìn)行實(shí)際編程并對程序進(jìn)行分析。主體示教程序及分析如下:●MOVEPP1,5.00m/min●MOVEPP2,5.00m/min●MOVEPP3,5.00m/min●MOVELP4,5.00m/min●MOVELP5,5.00m/min//P1~P5空走點(diǎn),空間定位點(diǎn),藍(lán)色圓標(biāo)記●MOVECP6,3.00m/min//P6焊接起始點(diǎn),紅色圓標(biāo)記ARC-SETAMP=170VOLT=22.3S=0.20//焊接電流170A,電壓22.3V,速度0.20m/minARC-ONArcStart1.prgRETRY=0//調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部起弧程序●MOVECP7,3.00m/min//P7焊接中間點(diǎn),紅色圓標(biāo)記●MOVECP8,0.50m/min//P8焊接結(jié)束點(diǎn)(空走點(diǎn)),藍(lán)色圓標(biāo)記CRATERAMP=165VOLT=20.8T=0.00//收弧電流165A,電壓20.8V,收弧時(shí)間0.00sARC-OFFArcEnd1.prgRELEASE=0//調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部收弧程序●MOVELP9,3.00m/min●MOVELP10,3.00m/min●MOVEPP11,3.00m/min4搭接接頭的選用在對工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件施焊時(shí),考慮工件厚度、結(jié)構(gòu)形式以及對質(zhì)量要求的不同,其接頭形式也不相同,主要有對接接頭、搭接接頭、角接接頭和T行接頭4種。其中對接接頭和T形接頭承受載荷能力強(qiáng),在焊接結(jié)構(gòu)中經(jīng)常用到。因此,利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Panasonic-TA1400弧焊機(jī)器人工作站(YD-350GR3數(shù)字IGBT控制弧焊電源),將工件尺寸為300mm×100mm×10mm的Q235鋼組成對接和T形接頭角焊縫,坡口形式如圖6所示。4.1企業(yè)自動(dòng)焊過程對接焊縫的單面焊雙面成形技術(shù)在機(jī)械工程行業(yè)得到普遍應(yīng)用。與雙面焊相比,單面焊雙面成形可提高焊接生產(chǎn)效率2.5~3.0倍以上,節(jié)省材料10%左右,節(jié)約電能約40%~50%,且簡化裝配工序。為此,經(jīng)過仔細(xì)焊前準(zhǔn)備(如清除工件待焊部位及兩側(cè)10~20mm范圍內(nèi)的油污、銹跡等污物;在工件表面噴涂飛濺防黏劑等),嘗試采用機(jī)器人自動(dòng)焊實(shí)現(xiàn)中厚板圖6(a)的單面焊雙面成形工藝。圖7大致展示了整個(gè)焊接流程及焊縫成形效果。不難看出,在合理的焊接工藝參數(shù)配置下(見表2),機(jī)器人自動(dòng)焊完成的焊縫正、反面均成形美觀、一致,表面波紋細(xì)密,焊接質(zhì)量好。4.2工藝參數(shù)設(shè)置鑒于對接平焊縫或角焊縫船型位置焊接最為方便,焊接質(zhì)量也易于保證,在對接平焊縫試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過合理裝夾工件,并適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)設(shè)置,具體配置如下:焊接電流220A,電弧電壓23.0V,焊接速度0.20m/min,CO2保護(hù)氣流量12L/min。圖8大致展示了整個(gè)焊接流程及焊縫成形效果。同理,不難發(fā)現(xiàn),機(jī)器人自動(dòng)焊完成的焊縫成形美觀、熔寬一致,波紋細(xì)密,取得了滿意的焊接效果。5機(jī)器人自動(dòng)焊在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠作為未來工程機(jī)械發(fā)展的主流趨勢,現(xiàn)有的工程機(jī)械產(chǎn)品將逐步升級(jí)換代,工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件的焊接工藝水平也將隨之不斷提高。而國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)大多還在延續(xù)手工焊接的生產(chǎn)方式,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)條件差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不易控