机器人焊接头在挖掘机回转支承座焊接中的应用

机器人焊接头是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰安装焊钳或焊（割）枪，使之能进行焊接、切割或热喷涂，主要包括机器人本体和焊接设备两部分。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，机器人焊接头技术已日益成熟。

2 徕斯焊接机器人工作站

机器人焊接头工作站主要由弧焊机器人、焊机+送丝机、焊枪及清枪装置、保护气体设备、控制柜、工装夹具、变位机、安全系统（围栏、光栅、自动门、门锁等）及排烟系统等组成（见图1）。

图1 焊接工作站

徕斯机器人产自德国，质量可靠，运行稳定。本体由6个轴组成，主要有单轴、世界、工具三种坐标模式。两个倾翻式变位机与机器人联动，各有两个外部轴，由内部PLC程序控制，可以旋转以及上下倾翻。焊接电源采用的是奥地利福尼斯TransPlus系列MIG/MAG焊机，该焊机采用全数字化控制的逆变电源。系统内置了智能化参数组合，采用一元化调节模式并可存放多组焊接专家程序，极大地简化了操作。

3 挖掘机转台支承座

挖掘机支承座又称挖掘机底座、挖掘机支承圈、挖掘机连接座及回转支承座等，它是连接挖掘机上车架与下车架的关键结构件、回转支承的外圈。挖掘机支承座质量的好坏直接影响挖掘机的使用安全和寿命。因此，挖掘机支承座是较为重要的结构件。挖掘机支承座在下车架中的位置如图2所示。

图2 挖掘机支承座在下车架中的位置

挖掘机支承座常见的加工方式有：钣金焊接、铸造、部分锻造+部分钣金焊接及整体锻造。

3.1 锻造式支承座

锻造式支承座（见图3）采用整体锻造工艺，提供的是成品，螺孔和机加工均处理完毕，直接与行走架焊接即可。

图3 锻造支承座

相对于其他方式加工，锻造式支承座具有以下特点。

1）增加挖掘机的整体可靠性和安全性。由于采用整体锻造工艺，整体锻造的支承座无论强度、耐受性等均优于钣金合围等方式加工的支承座。

2）降低挖掘机支承座故障率，从而减少售后服务成本。实际使用表明，整体锻造的支承座发生故障的概率远低于其他方式加工的支承座。

3）减少钣金焊接等繁琐的加工环节，提高生产效率。整体锻造的支承座为成品，直接焊接即可，极大地减少厂家复杂的钣金焊接加工过程，提高生产效率。

4）锻造式支承座是目前较为先进的加工工艺，但是，采用整体锻造的挖掘机支承座的加工成本上略有增加。

3.2 钣金焊接式支承座

VOLVO等厂家的许多支承座仍采用钣金焊接的制造工艺。圆环工艺路线：下料校平加工坡口矫形成形（预弯、卷板、焊接、矫形）；底圈工艺路线：下料校平组对（专用工装）焊接。两部分用专用工装组对、焊接，焊后再加工端面及圆周、钻孔，即得到钣金焊接式支承座（见图4）。

图4 钣金焊接式支承座

钣金焊接式支承座工艺特点主要包括以下几方面。

1）成本低、投资小、通用性强，车间的普通即可满足加工要求，不需要采购复杂的锻造设备，可减少采购费用。

2）虽然工序复杂，但是工艺流程相对简单可控，不需要复杂的模具，在种类多、批量小的情况效率更高，成本更低。

3）焊接结构刚度大，整体性能好，焊接工艺适应性广，容易实现自动化。

4）焊接加工也存在一些不足之处，如焊接使工件产生残余应力及变形，影响产品质量，需要焊后加工；焊缝及热影响区因工艺或操作不当会产生多种缺陷，使结构的承载能力下降，需要进行无损检测，不合格处需要碳弧气刨清除后重新补焊。

总之，上述两种方法各有利弊，本文主要探讨后一种加工方式。

4 某机型支承座机器人焊接应用

4.1 工作范围及负载确认

查阅机器人运动范围图可知，其最大垂直运动范围、最大水平运动范围、最大动作范围均可满足工作要求。其中，最大垂直运动范围超过极限值的80%。为确保焊接可达，需要移动机器人进行测试，模拟焊接最高点（外道焊缝）、最低点（内道焊缝）的位置，如图5所示。由图5可看出，工作范围能够满足要求。

a）内道焊缝 b）外道焊缝

图5 工作范围确认

为保证焊接时的安全，设计时充分考虑变位机的负载，在保证工装强度、刚性的基础上，进行镂空设计，将整体重量（工装夹具+工件）控制在500kg以内，小于变位机负载1100kg的一半。

4.2 工装夹具设计

倾翻式变位机可以绕水平轴倾翻式旋转，也可以绕变位机中心轴（垂直于上平面）旋转。变位机在安装调试完后标定了原点，工装安装到变位机上也要保证工件中心与中心轴重合。这样才能保证工件旋转时的轨迹是圆或者趋近于圆，为后续简化寻位程序、提高寻位效率提供支撑。

如图6所示，芯轴通过与变位机中心孔及工装底板（绿色六边形工件，上下铣面）中心孔配合，来实现工装中心与变位机中心轴重合。安装紧固螺栓的8个沉头孔、安装定位块的12个螺纹孔由加工中心以中心孔为基准一次加工完成；定位块增加5mm高的弧形凸台（半径比底圈大0.75mm），两个相对的定位块圆弧中心与底板中心孔同心，进而保证工件与工装同心（单边预留0.75mm的装配间隙）。此设计最终保证工件中心与变位机中心轴重合。

图6 工装夹具三维模型及局部放大图

底板主要靠8个紧固螺栓固定到变位机上平面，芯轴靠紧固螺栓及两个配钻的定位销固定及定位，每个定位块由3个沉头螺栓固定，压板由长螺杆支撑和定位。工件安装到定位块上，实现定心的同时也可以约束其在圆周方向的移动；4块压板压紧，防止其轴向移动，同时也可防止向圆周方向滑动。

4.3 焊接方案分析

（1）第一种方案

变位机处于原点位置（上平面水平），装夹工件，移动焊枪，调整焊枪角度及姿态，寻位并编制圆弧焊接程序。该方案存在的缺点是：焊缝的空间位置会使液态熔池流向底圈一侧，很难在圆环一侧形成较大的熔宽，难以达到图7所示的焊缝要求。需要寻找较多的寻位点，寻位花费的时间较长，效率较低。焊枪姿态一直在变化，需多次调整。优点是对组对精度要求较低。

（2）第二种方案

焊枪不动，变位机旋转完成焊接。图7所示的焊缝形式不宜采用船位焊方式，焊外道焊缝宜采用工件相对于垂直方向倾斜10°～15°、内道焊缝倾斜15°～20°的姿态，焊枪夹角为25°～30°。焊接时，调整好工件位置，移动机器人，调整好焊枪角度及姿态，焊枪不动，变位机旋转实施焊接。此种方案容易达到焊缝要求，而且只需几个寻位点甚至不需寻位。但对组对精度要求比较高。

图7 焊缝要求

综上所述，根据工装夹具的设计精度，选择第二种方案比较合适。

4.4 机器人焊接程序编制

（1）焊接质量要求

焊缝尺寸符合图7要求，焊接质量符合一级焊缝要求，即对每条焊缝长度的100%进行超声波检测；为全焊透的焊缝，不允许存在表面气孔、夹渣、 弧坑裂纹及电弧擦伤等缺陷；其抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均与母材相同。

（2）焊接工艺及参数

采用气体保护焊（MAG/CO2）工艺，焊接设备采用徕斯焊接机器人，配备福尼斯TPS5000焊接电源，林肯ER50-6、φ1.2mm的焊丝，100%CO2气体保护。具体支承座焊接参数见表1。

表1 支承座焊接参数

（3）焊接程序编制

由于工件误差和装配误差将会出现示教编程步点与焊缝实际空间位置偏差的现象，使焊缝在焊接过程中不能按照预定轨迹进行焊接，容易导致各种形式的焊接缺陷出现。利用徕斯机器人接触传感功能和电弧传感功能可实现对焊缝位置的精准寻位和过程跟踪。调整变位机（即示教器外部第七轴），使支承座底圈平面与竖直方向呈10°～15°夹角。使用世界坐标系移动机器人至待焊位置（外道焊缝）上方一空间安全点，旋转第八轴开始寻位（见图8）。

a）外道焊接 b）内道焊接

图8 外道和内道焊接

由于工装夹具以及工件组对控制较好，所以旋转时端面圆跳动2mm，可以简化寻位程序，只需4～8个寻位点即可，寻位点由一般的圆弧点通过变位机旋转转为线性点，大大提高了寻位效率。工件相对于焊枪做圆周运动，焊接（打底）程序为一般的圆弧程序。盖面程序可以由打底程序自动生成。内道程序同理，只是倾斜角度不同。

（4）机器人姿态控制

机器人本体在焊接时的运动方式为六轴联动的柔性运动。机器人各关节的运动都有一定的活动范围，为避免机器人在运动过程中发生限位，在编程时要注意各轴参数的变化，保证手臂姿态的舒展，便于焊接过程中焊枪角度的变化。焊接时焊枪角度是影响焊接质量的主要因素之一。支承座焊接时，焊枪与工件的夹角保持在25°～30°，焊丝指向焊缝中心，以避免产生偏焊现象。焊枪与工件的倾角保持在80°～90° （见图9），如焊枪倾角过于倾斜，电弧的吹力将会把熔化的铁液推向焊缝前方，易造成焊缝根部的未熔合[1]。本文的编程方式只需调整内外道各一次焊接姿态，简化了程序编制。

图9 焊枪倾角示意

机器人焊接头出现的问题及解决方法

在机器人焊接时也出现了一些问题，主要有未熔合、气孔、飞溅严重及寻位时不导电等。其中最大的问题是未熔合、未焊透。由于底板与圆环受平面度等影响，组对时存在间隙不均匀的问题，焊接时易在焊缝对面形成不均匀焊瘤，而再焊对面焊缝时，根部易产生熔合不良。对此，可以采取以下几种工艺措施：增加铣面工序，保证无间隙或间隙均匀。增加组对间隙（2～3mm），增大熔深。增加坡口角度，增加熔深。注意坡口两侧及焊层之间的清理。其他问题及解决办法见表2。

表2机器人焊接头问题及解决方法

6 结束语

应用机器人焊接头挖掘机支承座，显著提高了焊接质量，检测合格率达到了99%以上。相比于人工焊接，不仅降低了劳动强度，由两人配合减为一人独立操作，效率翻倍，而且降低了对焊接技能要求。本文的工装夹具配合变位机，焊枪不动，工件相对于焊枪做圆周运动，减少了焊枪姿态调整的频次，提高了编程及焊接效率。此种方法已经推广到推土机引导轮的焊接中，取得了良好的效果。