連接板是工程起重機(jī)常用的零部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底板和四個(gè)銷柱組成。銷柱與底板之間采用環(huán)形角焊縫焊接方式進(jìn)行固定，以往的焊接方法采用手工CO2氣體保護(hù)加藥芯焊絲焊接工藝，由于焊縫為環(huán)形角焊縫，因而手工作業(yè)時(shí)容易造成焊縫外觀質(zhì)量差，焊接作業(yè)效率低、焊縫環(huán)線與焊接部位環(huán)線結(jié)合性差等缺點(diǎn)，容易造成“脫焊”等情況，同時(shí)為保證焊縫外觀質(zhì)量，焊接后需要采用砂輪機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，也容易造成焊接成本的增加。通過(guò)分析，決定該工件采用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)，關(guān)鍵是需要設(shè)計(jì)合理的焊接機(jī)器人操作系統(tǒng)和制定合理的焊接工藝，確保成本質(zhì)量的有效統(tǒng)一。
焊接機(jī)器人總體方案
根據(jù)連接板的尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及焊縫的形式，考慮到底板和四個(gè)銷柱是采用單面焊縫形式，焊縫在工件上呈規(guī)則性均勻分布，焊接過(guò)程不需要變位即可滿足所有焊縫的焊接。為降低成本和提高效率，在進(jìn)行焊接機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)時(shí)，決定不采用翻轉(zhuǎn)工裝等機(jī)器人周邊設(shè)備，而采用固定平臺(tái)方式實(shí)現(xiàn)工件的焊接定位，同時(shí)為提高焊接效率，焊接機(jī)器人系統(tǒng)方案采取一機(jī)雙工位的模式，H型布置方式，如圖2所示，即機(jī)器人本體固定在兩自制焊接工作定位平臺(tái)之間，工作時(shí)一工位焊接機(jī)器人對(duì)人一側(cè)工件進(jìn)行自動(dòng)焊接，另一工位可以裝卸工件，交替進(jìn)行作業(yè)，保證機(jī)器人連續(xù)不停工作。
為確保工件安裝定位精度，減少機(jī)器人焊接尋蹤次數(shù)，確保機(jī)器人焊接運(yùn)行軌跡與工件所需焊接軌跡一致，在工件和焊接定位平臺(tái)上設(shè)計(jì)有定位銷孔，通過(guò)一面兩銷形式實(shí)現(xiàn)連接板在焊接作業(yè)平臺(tái)上的精確定位。
機(jī)器人本體選用
機(jī)器人本體采用大呈焊接機(jī)器人具有六自由度的關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人，配套麥格米特全數(shù)字化脈沖焊機(jī)電源，并加設(shè)自動(dòng)清槍剪絲噴油裝置和弧光安全防護(hù)裝置，滿足機(jī)器人使用過(guò)程中安全防護(hù)和清槍需要。
焊接工藝的確定
焊接工藝采用富氬混合氣體 實(shí)芯焊絲代替原有的CO2氣體 藥芯焊絲，富氬保護(hù)焊接具有熔池可見(jiàn)度好，操作方便、適宜于全位置焊接，同時(shí)電弧在保護(hù)氣體的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，抗裂性能好，焊接過(guò)程中在惰性氣體保護(hù)下，具有焊接質(zhì)量好的特點(diǎn)，非常利于焊接過(guò)程中的機(jī)械化和自動(dòng)化。但由于電弧的光輻射較強(qiáng)，因此在焊接機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)弧光安全防護(hù)裝置進(jìn)行安全保護(hù)。為提高焊接效率，采用一次施焊成形的工藝方法，避免由于焊接機(jī)器人重復(fù)定位而造成生產(chǎn)效率的降低。
焊接電源的選用
通過(guò)對(duì)多種電源的試用，并針對(duì)試用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合工件的材質(zhì)、形狀特性、尺寸精度要求、焊縫長(zhǎng)度及位置特點(diǎn)，焊接工作量及機(jī)器人的工作效率，該焊接機(jī)器人系統(tǒng)采用全數(shù)字脈沖氣體保護(hù)焊電源，即脈沖MIG焊接工藝電源。眾所周知，焊接過(guò)程中電弧控制精確程度，決定著焊接質(zhì)量越好好壞，而全數(shù)字脈沖氣體保護(hù)焊電源由于采用了數(shù)字化技術(shù)，因此控制系統(tǒng)的反饋時(shí)間比傳統(tǒng)的焊機(jī)減少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了反饋的精確性和靈敏性。在采用脈沖焊接時(shí)，能提供相適宜的脈沖波形，還可有效控制每個(gè)脈沖只過(guò)渡一個(gè)熔滴，這使得整個(gè)焊接過(guò)程中弧長(zhǎng)保持不變，焊接過(guò)程幾乎沒(méi)有飛濺，而且可以實(shí)現(xiàn)超低熱輸入的焊接，同時(shí)還可以克服傳統(tǒng)的GMA焊機(jī)焊接結(jié)束后，焊絲的末端會(huì)形成一個(gè)影響再引弧結(jié)球的缺陷，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量和焊接效率的最佳匹配。
焊絲直徑選擇
結(jié)合焊接質(zhì)量和焊接效率的需要，焊絲采用f1.6mm的實(shí)芯焊絲，可以滿足連接板的實(shí)際焊接需要，同時(shí)也便于焊接效率的提高。
焊接參數(shù)確定
電弧電壓及焊接電流電弧電壓是短路過(guò)渡時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，電弧電壓與焊接電流相匹配，可以實(shí)現(xiàn)飛濺小、焊縫成形良好和穩(wěn)定的焊接過(guò)程。通過(guò)多次試驗(yàn)，電弧電壓確定為20~25V，焊接電流確定為200~260A。
焊接速度。焊接速度提高，焊縫熔寬、熔深和余高均減小，容易產(chǎn)生咬邊、氣孔和未焊透等缺陷；焊速過(guò)低，容易產(chǎn)生燒穿、組織粗大、焊接變形大等問(wèn)題。通過(guò)多次試驗(yàn)，焊接速度定為400~800mm/min，焊接起弧時(shí)間為點(diǎn)/0.5s、收弧時(shí)間點(diǎn)/0.5s，機(jī)器人空走時(shí)間平均點(diǎn)/1.5s。
氣體混合比和流量確定采用80%Ar和20%CO2混合氣體，CO2氣體的純度≥99.5%。氣體流量的確定要充分考慮室內(nèi)、室外作業(yè)地點(diǎn)的差別，氣體流量過(guò)低，保護(hù)氣體挺度不足，焊縫易產(chǎn)生氣孔；流量過(guò)大，容易浪費(fèi)氣體，同時(shí)由于有可能出現(xiàn)紊流，而造成保護(hù)性變差，在焊縫表面形成灰色氧化層，使焊縫質(zhì)量降低，一般氣體流量應(yīng)定為15~25L/min。
焊絲伸出長(zhǎng)度焊絲伸出長(zhǎng)度增加時(shí)，焊絲上的電阻熱增加，焊絲熔化加快，生產(chǎn)效率高，但伸出長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，焊絲容易產(chǎn)生過(guò)熱，造成成段熔斷、飛濺嚴(yán)重，從而使焊接過(guò)程不穩(wěn)定，合適的伸出長(zhǎng)度應(yīng)為焊絲直徑的10~12倍，因此本焊接工藝焊絲的伸出長(zhǎng)度確定為16mm。
連接板的機(jī)器人實(shí)際焊接應(yīng)用
采用上述方案設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人實(shí)際焊接作業(yè)，連接板按照每組四個(gè)的固定位置安裝在定位平臺(tái)上。在定位過(guò)程中，為避免增加輔助定位基準(zhǔn)而造成的成本增加和工序增加，在定位方式選擇上充分利用連接板自身的結(jié)構(gòu)作為定位基準(zhǔn)（見(jiàn)圖3），該定位方法以銷柱的內(nèi)孔和事先按照工件尺寸在定位平臺(tái)上已加工出的定位孔為基準(zhǔn)，插入兩個(gè)定位銷，即可以實(shí)現(xiàn)連接板在定位平臺(tái)上“一面兩銷”精確定位。焊接機(jī)器人按照固定的運(yùn)行軌跡和坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，可以有效實(shí)現(xiàn)連接板的精確自動(dòng)焊接作業(yè)。
效果
焊接機(jī)器人采用上述工藝及方案進(jìn)行連接板焊接作業(yè)，工件定位精度高，機(jī)器人動(dòng)作精度準(zhǔn)確，焊接軌跡與焊縫重合度高，采用傳統(tǒng)焊接工藝和機(jī)器人焊接工藝焊縫成形情況如圖4、圖5所示。由圖可以明顯看出采用機(jī)器人的焊縫成形美觀、飽滿，因而焊接效率和焊接質(zhì)量得到明顯提高；且使用實(shí)芯焊絲后，無(wú)需清理焊渣，對(duì)改善作業(yè)環(huán)境、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度帶來(lái)了明顯的效果，也為企業(yè)自動(dòng)化、智能化和高效化焊接機(jī)器人的全面投入使用，奠定的良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。