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基于 KUKA 弧焊机器人的盾构机关键部件焊接工作站
&&&&&& & & 摘要：针对盾构机关键零部件的焊接特点，基于 KUKA 弧焊机器人研制了自动化焊接工作站。利用焊接机器人接触寻位、多层多道焊和电弧跟踪等功能实现盾构机联体刀座工件的自动焊接。焊接实验结果表明，所研制的盾构机关键零部件焊接工作站能够满足离散制造企业的零部件小批量自动化焊接生产。&&& & &关键词：盾构机；弧焊机器人；电弧传感跟踪；接触寻位；多层多道焊&&& & &0 前言&&& & 盾构机刀盘是盾构机的核心部件，因其工作环境恶劣，受力情况复杂，对其设计和制造加工过程有较高的要求[1]。刀箱、刀座是刀盘上安装滚刀的关键部件，一般采用厚板拼接组焊而成，焊接工序是其加工的关键工序，焊接工作量大，但因为盾构机为非标定制产品，难以形成流水式生产作业模式。国内盾构机制造厂家在处理此类产品时还是采用手工生产作业，焊工劳动强度大，焊接质量一致性差，同时伴随着熟练焊工数量逐年减少，给盾构机厂家提出了较大的挑战。&& & &本研究以 KUKA 弧焊机器人为基础，开发盾构机刀箱、刀座焊接工作站，以期探索盾构机等类似行业部件制造新模式，推进离散制造企业自动化、智能化水平的提升。&&& & 1、 焊接工作站系统构成&&& & 刀箱、刀座多为箱形部件，由厚板拼接而成，采用熔化极气体保护焊方法，需要进行多层多道焊接，同时为了减小变形，尽可能对称焊接[2-3]，工件在焊接加工过程中需要反复变换空间位置。&&& & 根据刀箱、刀座焊接加工特点和要求，焊接工作站采用六轴关节机器人配合移动导轨和旋转变位机组合协同方案。机器人采用 KUKA 5 arc 型六轴弧焊机器人，其最大臂展 1.41 m①，不能直接用于较大部件的焊接，通过搭载移动导轨扩大机器人焊接工作范围，以适应不同大小工件的自动化焊接；旋转变位机夹持待焊工件，并可带动工件 0～360&旋转，为机器人焊接创造合适的空间位置。六轴机器人、移动导轨和旋转变位机的各驱动轴可以协同联动，方便弧焊机器人统一编程、协同作业。&&& & &刀箱、刀座焊接工作站布置如图 1 所示。&&& & && & & & & & & & &&&& & & & & & & & & & & & & & & & 图 1 &焊接机器人工作站&&& & &2、 焊接关键技术&&& & &2.1 焊接工序&&& & &以联体刀座焊接为例，因涉及厚板焊接，在考虑对称施焊的同时，需要将厚板多层多道焊接技术、机器人离线编程技术等技术相结合完成工件施焊。如图 2所示，借助离线编程技术，焊接机器人先行完成 1～12 打底焊缝及 26/27/30/31/34/ 35/38/39/42/43/46/47 角焊缝第一道。完成后，利用旋转变位机搭载工件旋转 180&后，再借助离线编程技术和多层多道焊接技术按照顺序完成 13～24 焊缝以及 25/28/29/32/33/37/40/41/44/45/48 角焊缝的焊接。&&& & &然后，变位机再反向旋转 180&，工件位置恢复到初始位置，机器人再按顺序焊完 1～12 焊缝及 26/27/30/31/34/35/38/39/42/43/46/47 角焊缝剩下的焊道，从而减小刀座焊接施工中产生的变形量和焊接应力。&&& & && & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图 2 联体刀座的焊接顺序& && & &2.2 接触寻位&&& & &盾构机刀座等部件由多个零件拼装而成，因拼装误差等原因，每个部件的焊道可能会存在差异，不能直接调用已编好的程序进行焊接，在焊接前需要通过接触寻位来获得当前焊缝的信息，以实现自动焊接。&&& & &焊接机器人的接触寻位通过机器人在焊丝上叠加一个 24 V 信号，当焊丝接触到工件，则通过焊丝形成电流回路，通过传感器发送回机器人，机器人记录下焊丝与工件接触时所处点的位置。&&& & 重复动作使机器人在一个平面上获取三点（不在同一条直线上），就能获得工件平面的坐标位置，同样利用接触寻位的传感方式，可获得待焊坡口位置、方向和起始点，方便机器人自动搜寻焊缝位置并进行自动焊接。&&& & 2.3 多层多道焊&&& & 盾构机的许多零部件均是由厚板拼接而成，由于材质和焊接质量等要求，不能采用效率较高的埋弧焊，通常采用熔化极气体保护焊，在单个焊缝实施多层多道焊接。&&& & &手工进行多层多道焊接时，需要基于焊工的经验规划焊道并保持合适的焊枪位姿。机器人进行多层多道焊时，关键也是要保证合理的焊道规划和合适的焊枪位姿。&&& & &本研究基于KUKA弧焊机器人提供的多层多道焊软件包 KUKA.Multi-Layer 工艺程序包，以根部焊道轨迹为基础，通过编程的偏移量计算出新的焊道轨迹，并根据坡口形式优化焊接机器人的位姿。&&& & &基于 KUKA.Multi Layer 工艺程序包编写的一段自动完成两道焊缝焊接的程序如下。&&& & && & & & & &&& & & & &&& & &2.4 电弧传感跟踪&&& & &盾构机零部件在加工、装配过程中的尺寸误差，位置偏差以及工件加热变形等因素会造成接头位置偏离示教路径，有时需修正原有的轨迹。KUKA 提供的 Arc Sense 工艺程序包借助电弧传感提供焊缝高低和左右信息，修正原来示教轨迹以适应工件实际焊接需求。Arc Sense 通过焊接过程中电流变化获得实际焊接过程中电弧的变化记录，结合焊枪的摆动可以确定和纠正其与实际轨迹中心的偏差。电弧跟踪框图如图 3 所示&&& & &&&& & &3 、焊接实验&&& & &采用研制的焊接工作站进行联体刀座的实际焊接，采用交替焊接顺序进行对称施焊，利用接触寻位技术初始定位，将电弧跟踪和多层多道自动焊技术相结合，完成一个五联体刀座的焊接，焊接完成的工件如图 4 所示。&&& & &实验证明，开发的焊接工作站系统能够满足相对复杂的工件多焊缝、多层多道对称施焊。同时配合不同的安装卡具，焊接工作站可以进行其他种类工件的自动化焊接，从而适应离散制造企业进行零部件小批量自动化焊接生产的需求。&&& & && & &&&& && & & & & & & & & & & & & & 图 4 &拼焊完成的联体刀座& & 4 、结论&&& &（1）针对盾构机关键零部件的焊接特点，以KUKA弧焊机器人为核心，研制出盾构机零部件自动化焊接工作站。& &（2）利用焊接机器人接触寻位、多层多道焊和电弧跟踪等功能实现盾构机联体刀座工件的自动焊接，验证了所研制的盾构机关键零部件焊接工作站能够满足离散制造企业的零部件小批量自动化焊接生产。&&&
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焊接操作机的技术有什么要求
很多人对焊机操作机不了解,其实焊机操作机就是与焊接滚轮架、焊接变位机等的组合,所形成的一种全新的功能形式,但它绝不是简单的外部组合.下面小编就为您介绍一下焊机操作机的几点技术要求,通过这几点要求,希望您能对焊机操作机有一个大概的了解.
??与焊接变位机相似焊接操作机对技术方面的要求也大致相同. 内容如下:
??1、焊机操作机的第一点技术要求是回转驱动
??(1)回转驱动应实现无级调速,并可逆转.
??(2)在回转速度范围内,承受最大载荷时转速波动不超过5%.
??2、焊机操作机的第二点技术要求其次是倾斜驱动
??(1)倾斜驱动应平稳,在最大负荷下不抖动,整机不得倾覆.最大负荷Q超过25kg的,应具有动力驱动功能.
??(2)应设有限位装置,控制倾斜角度,并有角度指示标志.
??(3)倾斜机构要具有自锁功能,在最大负荷下不滑动,安全可靠.
焊接机器人如何保障工件质量
作为示教一再现式机器人，要求工件的装配质量和精度必须有较好的一致性。
应用焊接机器人应严格控制零件的制备质量，提高焊件装配精度。零件表面质量、坡口尺寸和装配精度将影响焊缝跟踪效果。可以从以下几方面来提高零件制备质量和焊件装配精度。
(1)编制焊接机器人专用的焊接工艺，对零件尺寸、焊缝坡口、装配尺寸进行严格的工艺规定。一般零件和坡口尺寸公差控制在±0．8mm，装配尺寸误差控制在±1．5mm以内，焊缝出现气孔和咬边等焊接缺陷机率可大幅度降低。
(2)采用精度较高的装配工装以提高焊件的装配精度。
(3)焊缝应清洗干净，无油污、铁锈、焊渣、割渣等杂物，允许有可焊性底漆。否则，将影响引弧成功率。定位焊由焊条焊改为气体保护焊，同时对点焊部位进行打磨，避免因定位焊残留的渣壳或气孔，从而避免电弧的不稳甚至飞溅的产生。
说说选购弧焊机器人的基本原则
针对不同的焊接技术，机器人也比设计成不同的形式，弧焊机器人就是专门用于弧焊作业的一种智能化设备。为了获得理想的弧焊质量，弧焊机器人的选购一定要符合实际使用的要求，以下几方面是最基本的。
首先，是为了使机器人自由的到达工作空间内的任一位置，它只要有五个自由度；当然如果有六个自由度的话就更好了，这样弧焊机器人就能躲避障碍。由于机器人的空间机构构形不同，而相比之下平行四边形结构的机器人空间运动范围要小于关节型机器人，所以建议大家选用关节型机器人。
而且在价格相近的情况下，尽量选择精度高，运动速度大的产品，这才能更加有助于弧焊机器人功能的发挥。另外，对弧焊机器人内部的控制系统也提出了相应的要求，主要是性能要可靠。为了完成模仿人焊接的动作而得到高质量的焊缝，机器人还被要求有摆动
机器人切割工作站整套作业流程完全由机器人配以等离子切割电源来完成，只有上、下料和工件定位需要人工辅助，如此，一台机器人的切割工作效率相当于 2-3 个熟练工人，更重要的是相对人工切割，切割效率大大提高、劳动强度极大降低，同时保证割口规整、干净，极大降低了对割口的后续打磨处理，切割质晕和割口的一致性、精度都明显优于人工切割，同样还可以实现坡口，异型口等难度较大的切割工作。这些优势对后续的 组对和焊接的高质顺利实施至关重要。
机器人弧焊工作站整套作业流程完全由机器人配以弧焊焊接系统来完成，小件只需要人工辅助上件、下件和定位夹紧，大件可实现搬运机器人自动上件、下件和定位夹紧，大大降低劳动成本，提高焊接效率，一致性、精度高，极大降低出现焊接废件的频率。
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机器人弧焊在汽车焊接应用中的研究
　　[摘 要]近些年来，我国汽车制造业发展十分迅速，而且随着人们的需求不断地增大，对于汽车的生产质量也提出了更高的要求，汽车生产厂家也在想方设法提高其生产效率以满足人们日益增长的需求。而随着我国科学技术的不断发展，越来越多的高新技术被应用在了汽车制造领域中，比如说机器人弧焊，汽车的焊装对于汽车质量和生产效率都有着重要的影响。 中国论文网 /1/view-8380106.htm　　[关键词]机器人弧焊；汽车焊接；应用分析 　　中图分类号：TG409；U466 文献标识码：A 文章编号：X（6-01 　　引言：我国的汽车焊装大都是依靠人工焊装，而人工焊装有着许多的缺陷，首先是焊装的效率较低，其次焊装的成本也较高，而且还不能够有效地保证焊装的质量。而随着近些年来我国科学技术和汽车工业的不断发展，我国已经将焊装机器人应用在了汽车焊装领域之中。特别是机器人弧焊在汽车焊接应用中的研究，显得尤为重要。 　　1.弧焊机器人的特点 　　（1）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。采用机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。（2）改善了工人的劳动条件.采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾私飞溅等。（3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24h连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。（5）可缩短产品换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 　　2.机器人弧焊在汽车焊接应用中的研究 　　2.1 连续焊缝造成的焊接变形控制方法 　　对于连续焊缝的情况，通常的方法是，首先将这些连续的焊缝进行拆分，根据具体的情况将其拆成200mm以内长度的多段小焊缝；然后，对这些焊缝进行重新排序，原则是以单位时间在单位面积内的焊接量最小进行分配焊接的顺序；手工焊接不可能实现这种跳跃式焊接顺序，而其机器人可以根据示教程序的变化，任意调整焊接顺序，并确保稳定执行。 　　对于单道连续直焊缝，分配的方式是由中部起始，然后向两端跳跃式扩展的方式焊接，其引起的焊接变形就远远小于从一端起始连续焊向另一端的方式。对于两道并列的连续焊缝，由中部分界，两台机器人分别从端头和中部起始，然后交叉跳跃式双边同时前进，然后回返完成焊接。通过实际验证发现，对于连续焊缝的焊接变形控制，这种将长焊缝进行拆分，然后调整焊接顺序的方法。可以非常有效地将焊接的变形降低至最小。 　　2.2 夹具进行反变形对焊接变形的影响 　　机器人弧焊一个巨大的优势就是稳定性好，无论是焊接顺序、手法和时间，对相同部件的焊接基本上是一致的，?@就使焊接变形具有良好的一致性和规律性。因此，可以先在夹具上连续焊接5台份或更多工件，统计其变形的规律性，然后在夹具上，通过夹具的强制变形的方式，将焊接前的工件状态按焊接后变形的反方向进行反变形处理。通过反变形的方式，可以有效地降低焊接变形对最终部件造成的尺寸误差影响；经过实际验证，这种方式对于一些形状较为规则的零部件作用最为明显，但对于一些结构较复杂零部件的焊接变形校正效果较差。 　　3.弧焊机器人在汽车焊接中的发展方向 　　3.1 柔性化 　　大型自动化焊接装备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接装备时必须考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。 　　3.2 数字化 　　弧焊机器人焊接电源的发展方向是采用全数字化焊机，该焊机可实现远程诊断、升级和维修，能为焊接制造业信息化提供强大的技术支撑。 　　3.3 智能化 　　应用广泛的焊接机器人大多属于示教再现型机器人，操作者通过示教盒在直角坐标系和极坐标系中移动机器人各关节，使焊矩沿焊接轨迹运动，在焊矩路径上记录示教的位置、焊矩姿态、运动参数和工艺参数，并生成一个连续执行全部操作的示教程序。此类机器人不具备对工件装配误差、焊接过程中的热变形等环境和对工作对象变化自适应能力。而弧焊机器人对末端执行器（焊枪）的运动轨迹要求有严格的精度，空间位置焊接时的焊枪姿态及焊接规范在整个轨迹上都需要连续调整。因此具有视觉传感功能的，能够自动制定运动轨迹、焊矩姿态和焊矩参数的新一代的智能机器人成为未来的发展方向。开发弧焊机器人智能化应用技术，发展激光视觉跟踪、熔池视觉自适应焊接技术、焊接工艺专家系统技术等智能化技术来克服因装配、变形等因素引起的位置和精度误差。 　　3.4 集成化 　　计算机制造集成系统，亦称全集成自动化制造系统，它是将焊接机器人或焊接操作机、焊接电源、工件变位机械、输送辊道、半成品库、零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制、工作参数的设置、生产过程的监控、数据处理、人机界面和通讯网络集成在一台计算机上，通过现场总线等联结成完整的集成自动化系统。企业的技术管理将经验变为技术，变为可执行的规则，尽量减小工艺不合理和操作不当引起的焊接产品的不合格。利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM计算机软件可以实现产品图纸设计、制造工艺编制、生产计划安排、生产过程监控、生产和物料管理等一体化。而机器人技术的广泛应用又将推动制造业信息化技术的进一步发展。 　　3.5 特殊化 　　当前焊接机器人的应用多局限于结构化环境中，而在一些非结构化环境如大型球罐制造、长输油管道焊接及水电站水轮机叶片修复等野外作业中，传统的固定式机器人已无法满足要求，开发适合于特殊非结构化工作环境的特种机器人成为机器人应用研究的重要发展方向。 　　总结：人们的生活水平正在不断地提高，汽车是一种重要的交通工具，当前人们的出行已经离不开汽车，所以当前我国的汽车市场有着非常好的发展前景。而要使得汽车产业能够实现更加高速的发展，就必须要提高汽车生产的自动化水平，将焊接机器人应用在汽车焊装领域之中改变了传统的汽车焊装生产方式，使得汽车焊装效率得到了有效的提高，并且还保证了汽车的质量。 　　参考文献 　　[1] 刘圣祥，高洪明，张广军，吴林，何广忠.弧焊机器人离线编程与仿真技术的研究现状及发展趋势[J].焊接，-27+66. 　　[2] 苏金远.基于故障树的弧焊工业机器人系统可靠性研究[D].南华大学，2013.
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