工程机械构件弧焊机器人应用技术

工程机械构件弧焊机器人应用技术

0解决焊接组件性能与制造能力问题作为一个领先的制造业国家，其工业经济的增长在一定程度上取决于工业设备的提高。在工业装备中,工程机械占有重要地位,而工程机械产品中焊接结构件较多,约占整机重量的50%~70%,所以焊接结构件的优劣直接影响产品的质量、性能与使用可靠性。目前,国内外知名的工程机械制造厂商把焊接结构件的设计与制造能力作为竞争的焦点之一。对于任何一个企业,要提升产品的市场竞争力,提高生产效率,保证焊接过程的稳定性和焊接质量,降低工人的劳动强度,改善作业环境已成为产业发展的迫切需求,采用弧焊机器人进行自动焊接生产是解决此问题的有效途径。为此,结合工程机械结构件的制造特点,本文尝试采用Panasonic-TA1400六自由度弧焊机器人进行中厚板典型接头自动焊工艺试验摸索,为机器人焊接技术在工程机械行业的推广、普及提供技术支持。1焊接特点：该项目的工艺结构1.1铸钢件材料目前,国内工程机械结构件使用的材料主要是碳素结构钢、低合金结构钢等,一些零部件采用铸钢件,材质本身具有良好的焊接性能,产生冷、热裂纹倾向小,焊前母材毋需预热,焊后也毋需特殊保温措施。1.2厚板件焊接工程机械结构件包括薄板件(如驾驶室、机罩、盖板等),板厚2~4mm;中板件(如车架、行走架、动臂、斗杆、铲斗等),板厚6~20mm;厚板件(如压路机前、后轮),板厚20mm以上。通常结构件由板材拼焊而成,以箱形结构为主,上面焊接附件,包括一些机座铸钢件,结构较复杂,焊缝密集。部分结构件采用型材,如矩形管、型槽钢等,以简化结构并减轻自重。工程机械结构件角焊缝居多,通常只检验焊缝外观质量,只有重要的受力结构件需做磁粉探伤和超声波探伤,分别检验表面裂纹和焊缝内部缺陷。1.3埋弧自动焊与气体保护焊在国内工程机械结构件制造中,板材以Q235、Q345和Q390为主,板材厚度以中厚板δ≥6mm为主。目前普遍采用的焊接方法是埋弧自动焊与CO2/MAG气体保护焊。埋弧自动焊电流密度大,焊接熔深大,焊接速度是手工电弧焊的5~6倍,焊缝成型美观,焊接质量稳定可靠,无弧光、烟尘,劳动条件较好,多用于中厚板长直焊缝或环焊缝,其他场合多采用CO2/MAG气体保护焊。气体保护焊同样具有电流密度大、熔深大的特点,焊接速度是手工电弧焊的2倍左右,但辅助工作时间少,特别是采用富Ar混合气体时,熔渣和飞溅很少,节省了清理时间,总体效率高。对应焊材以气体保护焊碳钢实心焊丝ER50-6为主,焊丝规格以ϕ1.0mm、ϕ1.2mm和ϕ1.6mm为主。2焊接设备部分Panasonic-TA1400弧焊机器人是一款从事焊接加工的工业机器人,主要包括机器人系统和焊接设备两部分。机器人系统由机器人本体、变压器、控制柜和示教器组成(见图1)。焊接设备由焊接电源、送丝机、焊枪、工作台、夹具等部分组成。该工作站还配备了清枪机构,具备焊缝始端寻位和电弧焊缝跟踪功能,以提高机器人工作站的焊接自动化水平,提高轨迹精确度和焊缝质量,减少操作人员的介入。2.1清除焊枪、防飞工具图2所示为德国宾采尔(BINZEL)清枪剪丝装置。清枪机构的主要作用:①在焊接程序执行前,可以对焊枪进行清理,通过气动旋刀将上个程序焊接残留在焊枪喷嘴内的飞溅清除,再喷入防飞溅硅油;②附加传感装置,在程序执行前,剪掉多余长度的焊丝,使伸出导电嘴焊丝至一定长度,保证传感的准确性。2.2工件发生之际短路焊缝始端寻位功能对于公差较大或装配精度较差的工件是必不可少的。寻位装置有一个线包,可产生几十V电压。寻位就是通过焊丝接触工件发生瞬间短路,即机器人系统发现实际工件焊缝该点的空间三维坐标,通过这种方式,机器人系统检测多个点后,根据这几个点计算得出偏差值,用该偏差值修改原示教焊缝的位置数据,从而得出实际焊缝起始点的位置,如图3所示。一个焊缝起始点需要进行2或3次的寻位,并形成一个数据矩阵。焊接时机器人自动计算该起始点矩阵相对TCP(工具坐标点)的位置,使焊枪到达该实际焊缝的起始点。2.3焊缝准确位置的确定电弧传感跟踪功能是通过测量焊接过程中焊接电流的变化,并由专用的软件程序计算焊接过程中因电弧摆动而产生的数据,指明焊缝的确切位置并修正程序路径,如图4所示。在焊接过程中可以通过短路过渡、射流过渡和脉冲焊接识别出准确的焊接位置。引弧后,只需几次摆弧就可以找到准确的焊缝位置。当此技术与焊缝始端寻位功能联合使用时优点更加明显,这种情况下,焊缝始端寻位功能首先确定焊缝的起始位置,电弧(在设定的干伸长条件下)在准确位置引燃,通过比较电弧参数,引导焊枪沿实际焊缝轨迹进行焊接。3机器人编程点属性说明机器人从上世纪60年代诞生至今经历了示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。因技术尚未成熟,目前在国内外生产中应用的机器人系统多数处于示教再现编程阶段。Panasonic机器人的示教编程主要是在示教器上进行,内容包括选择坐标系、移动机器人、登录确认轨迹点的属性、设置焊接参数等,最后进行实际跟踪手动检查试运行。Panasonic机器人示教主要是确认点的属性,即编程时只需确定各段轨迹起始点和终点即可。弧焊机器人主要实现直线、圆弧、直线摆动和圆弧摆动4种焊接功能,其他任何复杂的焊接轨迹都可拆分为这4种基本方式。编程基本规则:①焊接一段直线需要2个属性点;②焊接一段圆弧需要3个属性点;③焊接一段直线摆动需要4个属性点;④焊接一段圆弧摆动需要5个属性点。机器人编程点的属性说明如表1所示。通过在示教器上选择点的属性来完成对机器人的示教编程。以图5轨迹示意为例,进行实际编程并对程序进行分析。主体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空走点,空间定位点,蓝色圆标记●MOVECP6,3.00m/min//P6焊接起始点,红色圆标记ARC-SETAMP=170VOLT=22.3S=0.20//焊接电流170A,电压22.3V,速度0.20m/minARC-ONArcStart1.prgRETRY=0//调用系统内部起弧程序●MOVECP7,3.00m/min//P7焊接中间点,红色圆标记●MOVECP8,0.50m/min//P8焊接结束点(空走点),蓝色圆标记CRATERAMP=165VOLT=20.8T=0.00//收弧电流165A,电压20.8V,收弧时间0.00sARC-OFFArcEnd1.prgRELEASE=0//调用系统内部收弧程序●MOVELP9,3.00m/min●MOVELP10,3.00m/min●MOVEPP11,3.00m/min4搭接接头的选用在对工程机械结构件施焊时,考虑工件厚度、结构形式以及对质量要求的不同,其接头形式也不相同,主要有对接接头、搭接接头、角接接头和T行接头4种。其中对接接头和T形接头承受载荷能力强,在焊接结构中经常用到。因此,利用实验室现有的Panasonic-TA1400弧焊机器人工作站(YD-350GR3数字IGBT控制弧焊电源),将工件尺寸为300mm×100mm×10mm的Q235钢组成对接和T形接头角焊缝,坡口形式如图6所示。4.1企业自动焊过程对接焊缝的单面焊双面成形技术在机械工程行业得到普遍应用。与双面焊相比,单面焊双面成形可提高焊接生产效率2.5~3.0倍以上,节省材料10%左右,节约电能约40%~50%,且简化装配工序。为此,经过仔细焊前准备(如清除工件待焊部位及两侧10~20mm范围内的油污、锈迹等污物;在工件表面喷涂飞溅防黏剂等),尝试采用机器人自动焊实现中厚板图6(a)的单面焊双面成形工艺。图7大致展示了整个焊接流程及焊缝成形效果。不难看出,在合理的焊接工艺参数配置下(见表2),机器人自动焊完成的焊缝正、反面均成形美观、一致,表面波纹细密,焊接质量好。4.2工艺参数设置鉴于对接平焊缝或角焊缝船型位置焊接最为方便,焊接质量也易于保证,在对接平焊缝试验基础上,通过合理装夹工件,并适当调整工艺参数设置,具体配置如下:焊接电流220A,电弧电压23.0V,焊接速度0.20m/min,CO2保护气流量12L/min。图8大致展示了整个焊接流程及焊缝成形效果。同理,不难发现,机器人自动焊完成的焊缝成形美观、熔宽一致,波纹细密,取得了满意的焊接效果。5机器人自动焊在工程机械结构焊接中的应用节能、环保、高效、可靠作为未来工程机械发展的主流趋势,现有的工程机械产品将逐步升级换代,工程机械结构件的焊接工艺水平也将随之不断提高。而国内工程机械行业大多还在延续手工焊接的生产方式,工人劳动强度大、作业条件差、生产效率低、产品质量不易控