焊接机器人操作系统总体方案

　　连接板是工程起重机常用的零部件，其结构如图1所示，主要由底板和四个销柱组成。销柱与底板之间采用环形角焊缝焊接方式进行固定，以往的焊接方法采用手工CO2气体保护加药芯焊丝焊接工艺，由于焊缝为环形角焊缝，因而手工作业时容易造成焊缝外观质量差，焊接作业效率低、焊缝环线与焊接部位环线结合性差等缺点，容易造成“脱焊”等情况，同时为保证焊缝外观质量，焊接后需要采用砂轮机对焊缝进行打磨，也容易造成焊接成本的增加。通过分析，决定该工件采用焊接机器人进行焊接作业，关键是需要设计合理的焊接机器人操作系统和制定合理的焊接工艺，确保成本质量的有效统一。

 

 

　　图1 连接板结构

　　1. 焊接机器人总体方案

　　根据连接板的尺寸、结构特点以及焊缝的形式，考虑到底板和四个销柱是采用单面焊缝形式，焊缝在工件上呈规则性均匀分布，焊接过程不需要变位即可满足所有焊缝的焊接。为降低成本和提高效率，在进行焊接机器人整体方案设计时，决定不采用翻转工装等机器人周边设备，而采用固定平台方式实现工件的焊接定位，同时为提高焊接效率，焊接机器人系统方案采取一机双工位的模式，H型布置方式，如图2所示，即机器人本体固定在两自制焊接工作定位平台之间，工作时一工位焊接机器人对人一侧工件进行自动焊接，另一工位可以装卸工件，交替进行作业，保证机器人连续不停工作。

 

 

　　图2 焊接机器人整体方案

　　为确保工件安装定位精度，减少机器人焊接寻踪次数，确保机器人焊接运行轨迹与工件所需焊接轨迹一致，在工件和焊接定位平台上设计有定位销孔，通过一面两销形式实现连接板在焊接作业平台上的精确定位。

　　2. 机器人本体选用

　　机器人本体采用唐山松下具有六自由度的关节式焊接机器人，配套松下全数字化脉冲焊机电源，并加设自动清枪剪丝喷油装置和弧光安全防护装置，满足机器人使用过程中安全防护和清枪需要。

　　3. 焊接工艺的确定

　　焊接工艺采用富氩混合气体+实芯焊丝代替原有的CO2气体+药芯焊丝，富氩保护焊接具有熔池可见度好，操作方便、适宜于全位置焊接，同时电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池小，热影响区窄，焊接变形小，抗裂性能好，焊接过程中在惰性气体保护下，具有焊接质量好的特点，非常利于焊接过程中的机械化和自动化。但由于电弧的光辐射较强，因此在焊接机器人总体方案设计中，需要设计弧光安全防护装置进行安全保护。为提高焊接效率，采用一次施焊成形的工艺方法，避免由于焊接机器人重复定位而造成生产效率的降低。

　　4. 焊接电源的选用

　　通过对多种电源的试用，并针对试用过程中出现的问题，结合工件的材质、形状特性、尺寸精度要求、焊缝长度及位置特点，焊接工作量及机器人的工作效率，该焊接机器人系统采用全数字脉冲气体保护焊电源，即脉冲 MIG 焊接工艺电源。众所周知，焊接过程中电弧控制精确程度，决定着焊接质量越好好坏，而全数字脉冲气体保护焊电源由于采用了数字化技术，因此控制系统的反馈时间比传统的焊机减少了几个数量级，提高了反馈的精确性和灵敏性。在采用脉冲焊接时，能提供相适宜的脉冲波形，还可有效控制每个脉冲只过渡一个熔滴，这使得整个焊接过程中弧长保持不变，焊接过程几乎没有飞溅，而且可以实现超低热输入的焊接，同时还可以克服传统的 GMA 焊机焊接结束后，焊丝的末端会形成一个影响再引弧结球的缺陷，实现焊接质量和焊接效率的最佳匹配。

　　5. 焊丝直径选择

　　结合焊接质量和焊接效率的需要，焊丝采用f1.6mm的实芯焊丝，可以满足连接板的实际焊接需要，同时也便于焊接效率的提高。

　　6. 焊接参数确定

　　（1）电弧电压及焊接电流 电弧电压是短路过渡时的关键参数，电弧电压与焊接电流相匹配，可以实现飞溅小、焊缝成形良好和稳定的焊接过程。通过多次试验，电弧电压确定为20~25V，焊接电流确定为200~260A。

　　（2）焊接速度 焊接速度提高，焊缝熔宽、熔深和余高均减小，容易产生咬边、气孔和未焊透等缺陷；焊速过低，容易产生烧穿、组织粗大、焊接变形大等问题。

　　通过多次试验，焊接速度定为400~800mm/min ，焊接起弧时间为点/0.5s、收弧时间点/0.5s，机器人空走时间平均点/1.5s。

　　（3）气体混合比和流量确定 采用80%Ar和20%CO2混合气体，CO2气体的纯度≥99.5%。气体流量的确定要充分考虑室内、室外作业地点的差别，气体流量过低，保护气体挺度不足，焊缝易产生气孔；流量过大，容易浪费气体，同时由于有可能出现紊流，而造成保护性变差，在焊缝表面形成灰色氧化层，使焊缝质量降低，一般气体流量应定为15~25L/min。

　　（4）焊丝伸出长度 焊丝伸出长度增加时，焊丝上的电阻热增加，焊丝熔化加快，生产效率高，但伸出长度过大时，焊丝容易产生过热，造成成段熔断、飞溅严重，从而使焊接过程不稳定，合适的伸出长度应为焊丝直径的10~12倍，因此本焊接工艺焊丝的伸出长度确定为16mm。

　　7. 连接板的机器人实际焊接应用

　　采用上述方案设计的焊接机器人实际焊接作业，连接板按照每组四个的固定位置安装在定位平台上。在定位过程中，为避免增加辅助定位基准而造成的成本增加和工序增加，在定位方式选择上充分利用连接板自身的结构作为定位基准（见图3），该定位方法以销柱的内孔和事先按照工件尺寸在定位平台上已加工出的定位孔为基准，插入两个定位销，即可以实现连接板在定位平台上“一面两销”精确定位。焊接机器人按照固定的运行轨迹和坐标数据进行编程，可以有效实现连接板的精确自动焊接作业。

　　8. 效果

　　焊接机器人采用上述工艺及方案进行连接板焊接作业，工件定位精度高，机器人动作精度准确，焊接轨迹与焊缝重合度高，采用传统焊接工艺和机器人焊接工艺焊缝成形情况如图4、图5所示。由图可以明显看出采用机器人的焊缝成形美观、饱满，因而焊接效率和焊接质量得到明显提高；且使用实芯焊丝后，无需清理焊渣，对改善作业环境、降低工人劳动强度带来了明显的效果，也为企业自动化、智能化和高效化焊接机器人的全面投入使用，奠定的良好的应用基础。