焊接機(jī)器人技術(shù)在鐵路車輛轉(zhuǎn)向架側(cè)梁枕梁等部件上的應(yīng)用

張海濤

齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 齊齊哈爾 161002

焊接機(jī)器人技術(shù)在鐵路車輛轉(zhuǎn)向架側(cè)梁枕梁等部件上的應(yīng)用

張海濤

齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 齊齊哈爾 161002

介紹了機(jī)器人技術(shù)在鐵路機(jī)車車輛焊接制造中的應(yīng)用，并以轉(zhuǎn)向架側(cè)梁、枕梁焊接系統(tǒng)作為應(yīng)用的實(shí)例。

機(jī)器人技術(shù)；機(jī)車車輛部件；焊接制造

前言

為適應(yīng)我國(guó)高速貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展需要，齊車公司成功開發(fā)研制了高速貨車轉(zhuǎn)向架，通過了測(cè)試鑒定投入生產(chǎn)。

高速貨車轉(zhuǎn)向架為焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架由2個(gè)箱形結(jié)構(gòu)側(cè)梁和2個(gè)橫梁組焊而成，枕梁是由鋼板焊接成的魚腹形的箱形結(jié)構(gòu)梁。

為了保證高速轉(zhuǎn)向架在長(zhǎng)期運(yùn)行中動(dòng)力學(xué)性能的穩(wěn)定性，確保鐵路貨物高速運(yùn)輸?shù)陌踩訌?qiáng)轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件搖枕、側(cè)梁、焊接構(gòu)架等焊接質(zhì)量及可靠性是非常必要的。

為此，將機(jī)器人焊接技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁、搖枕的焊接生產(chǎn)是保證焊接質(zhì)量，提高可靠性的有效方法。

一、工件信息

產(chǎn)品名稱：2E軸構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架側(cè)梁及枕梁

母材材質(zhì)：Q345E

工件重量：307Kg、339 Kg

工藝要求：焊接腹板與上、下蓋板之間的焊縫，坡口形式為全焊透Y型坡口或角焊縫，角焊縫焊腳尺寸為8mm。組裝間隙控制在1～3mm，定位焊間距200mm，定位焊每段長(zhǎng)度10～20mm。

二、生產(chǎn)流程

側(cè)梁、枕梁：組對(duì)→焊接→探傷

三、焊接工藝

所有焊縫均采用MAG焊，焊絲牌號(hào)SM-70，直徑Φ1.2mm，保護(hù)氣體Ar80%+CO220%。每條焊縫分兩層焊接完成，第一層打底采、第二層填充蓋面,單槍單絲焊接。

四、焊接質(zhì)量要求

要求焊縫外觀成型良好，焊縫與母材圓滑過渡，焊縫不應(yīng)有裂紋、弧坑、夾渣等缺陷。每100mm范圍內(nèi)氣孔數(shù)不得多于2個(gè)，且單個(gè)氣孔直徑不得大于2mm。

五、機(jī)器人焊接系統(tǒng)配置

整個(gè)系統(tǒng)由德國(guó)KUKA KR16工業(yè)機(jī)器人、龍門式移動(dòng)滑臺(tái)裝置、L型雙軸變位機(jī)2臺(tái)、焊接電源TS5000（奧地利福尼斯）、水冷焊槍系統(tǒng)（德國(guó)賓采爾）及清槍剪絲裝置等構(gòu)成,電壓穩(wěn)壓器，并預(yù)留焊煙排塵接口。

整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器人控制柜集中統(tǒng)一控制；自動(dòng)按照設(shè)定的程序完成焊縫尋找定位、焊縫跟蹤、焊接參數(shù)控制、焊接質(zhì)量控制、焊接順序、清槍等功能。

CLV03 1-單軸移動(dòng)龍門式移動(dòng)滑臺(tái),行程為7米，適用于機(jī)器人的懸掛安裝，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，通過獨(dú)有的齒輪齒條無間隙傳動(dòng)技術(shù)，使驅(qū)動(dòng)溜板在兩組直線滑軌上滑行。龍門架運(yùn)動(dòng)采用的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)為機(jī)器人的外部軸，由KRC2機(jī)器人控制器控制實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

六、操作流程

6.1 工件裝夾

操作人員使用行車將組對(duì)好的工件安裝在變位機(jī)上的焊接夾具，按“加緊”按鈕將工件定位夾緊，退出機(jī)器人工作區(qū)域，雙手按下操作臺(tái)上的“開始”按鈕，向機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)出“工件到位，開始自動(dòng)焊接”的指令，機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行程序開始自動(dòng)焊接。

6.2 機(jī)器人焊接

自1962年美國(guó)推出世界第一臺(tái)Unimat型和Versatra型工業(yè)機(jī)器人以來，2005年底全世界已有大約260萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人投入生產(chǎn)應(yīng)用。這其中大約半數(shù)是焊接機(jī)器人[1]。隨著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的需求不斷提高，以焊接機(jī)器人為核心的焊接自動(dòng)化技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展。近25年來，焊接技術(shù)的發(fā)展比任何時(shí)期都快，從過程的控制到焊接工藝和裝備都不斷有新的突破，為焊接生產(chǎn)向優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的方向發(fā)展提供了前所未有的良好條件。焊接過程的自動(dòng)化、機(jī)械化是機(jī)械制造企業(yè)焊接生產(chǎn)技術(shù)改造的主要方向[2]。因?yàn)椴捎昧藱C(jī)械化、自動(dòng)化的焊接設(shè)備會(huì)使焊接車間的生產(chǎn)效率提高2～4倍，改善及穩(wěn)定焊接質(zhì)量，減少?gòu)U品或返修量，降低成本，并能形成一個(gè)比較清潔文明和安全衛(wèi)生的勞動(dòng)環(huán)境。同時(shí)由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，產(chǎn)品趨向個(gè)性化，生產(chǎn)批量越來越短，使得常規(guī)的生產(chǎn)方式難以適應(yīng)。出路只有一條，那就是加速技術(shù)改造，用生產(chǎn)的柔性化和自動(dòng)化解決這一矛盾[3]。

目前我國(guó)焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平還很低，根據(jù)1995和1997年我國(guó)焊接材料生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全年焊接材料總產(chǎn)量已達(dá)70～80萬噸，而各種焊絲的產(chǎn)量才約為8萬噸[4]。我國(guó)的焊接機(jī)械化自動(dòng)化率，按熔敷金屬量來計(jì)算，近幾年一致徘徊在20%左右。既使再考慮各廠自行進(jìn)口的那部分氣電焊和埋弧焊焊絲的話，自動(dòng)化率也不會(huì)超過25%，仍達(dá)不到日本1973的35%的水平，而和世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)前的60%相比，差距是明顯的[5]。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)及聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，1996年到2000年期間，工業(yè)機(jī)器人的需求量以每年13%的速度增長(zhǎng)，到2002年，全世界將有近140萬臺(tái)機(jī)器人投入使用。從世界上工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，主要應(yīng)用領(lǐng)域是焊接。所以說，從現(xiàn)在開始到2010年，將會(huì)是我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)改造的又一個(gè)高潮時(shí)期，尤其焊接生產(chǎn)技術(shù)的改造。因?yàn)橹挥羞@樣，才能在21世紀(jì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，使我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)能在世界市場(chǎng)上有立足之地。

焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均勻；

2）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)；

3）改善工人的勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下工作；

4）降低對(duì)工人操作技術(shù)的要求；

5）縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；

6）可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化；

7）能在空間站建設(shè)、核能設(shè)備維修、深水焊接等極限條件下完成人工難以進(jìn)行的焊接作業(yè)；

8）為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。

焊接機(jī)器人主要應(yīng)用于下面幾種情況：

1）應(yīng)用于機(jī)械化程度較高的組裝焊接流水線上。在組裝焊接流水線上生產(chǎn)的產(chǎn)品一般都年產(chǎn)量較高，例如，汽車生產(chǎn)企業(yè)。生產(chǎn)企業(yè)為了提高年生產(chǎn)量，擴(kuò)大本企業(yè)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的銷售份額，采用生產(chǎn)效率高的焊接機(jī)器人來生產(chǎn)產(chǎn)品。這也是焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)之一[6]。

2）應(yīng)用于專業(yè)化程度高的企業(yè)。在許多微電子行業(yè)，如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等，大多數(shù)都采用了焊接機(jī)器人[7]。由于其專業(yè)化程度高，每個(gè)工序組裝焊接不同的零部件，生產(chǎn)工藝參數(shù)各不相同，這就要求不同的焊接機(jī)器人組焊不同的部件，完成不同的生產(chǎn)任務(wù)，以提高生產(chǎn)效率[8]。

3）應(yīng)用于對(duì)人體有毒、有害以及危險(xiǎn)的工作環(huán)境。大多數(shù)企業(yè)所采用的焊接方法一般為手工電弧焊及CO2混合氣體保護(hù)焊[9]。焊接過程中，焊條藥皮的反應(yīng)及保護(hù)氣體發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)和顆粒狀的物質(zhì)，即焊接煙塵與氣體。當(dāng)焊接煙塵和保護(hù)氣體超過允許濃度時(shí)，就會(huì)影響焊工的身體健康。一般在一些特殊行業(yè)，如油漆噴涂、焊接環(huán)境惡劣，以及存在潛在危險(xiǎn)的工序，一般會(huì)采用機(jī)器人進(jìn)行操作。機(jī)器人在這種環(huán)境下操作，避免了在工作中對(duì)人體的危害。

機(jī)器人使用接觸尋位功能尋找焊縫起始點(diǎn)位置，對(duì)需要焊接的每條焊縫進(jìn)行尋找；啟弧后自動(dòng)打開電弧跟蹤功能對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤，糾正部件在組對(duì)點(diǎn)固時(shí)所產(chǎn)生的精度偏差。完成工件的打底焊接后，機(jī)器人按事先設(shè)置的偏移量自動(dòng)生成蓋面焊接軌跡進(jìn)行蓋面焊（多層多道焊工藝）。

通過變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)變位保證工件的焊縫始終處于船型位置施焊，以防止熔池下陷、焊縫不對(duì)稱現(xiàn)象的發(fā)生，保證焊縫圓滑對(duì)稱且焊縫兩側(cè)與母材形成平滑過渡。

6.3 工件裝卸

當(dāng)機(jī)器人焊接完畢后，將自動(dòng)移動(dòng)到另一變位機(jī)處進(jìn)行焊接，這時(shí)操作人員可將焊后工件卸下，裝上新的待焊工件。由于系統(tǒng)內(nèi)布置有2臺(tái)變位機(jī)工位，操作人員可分別進(jìn)行工件裝卸的工作，而機(jī)器人始終處于工作狀態(tài)，可最大限度地提高生產(chǎn)效率。

結(jié)論

提高焊接技術(shù)水平是采用焊接機(jī)器人的主要出發(fā)點(diǎn)，即使對(duì)應(yīng)大型復(fù)雜的工件、難度大的焊縫也能獲得較好的焊接質(zhì)量并保持質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

采用機(jī)器人焊接傳感技術(shù)克服了焊接過程中隨時(shí)可能發(fā)生的變化，其可靠性與其他自動(dòng)化方式相比更具有優(yōu)勢(shì)，這也是采用機(jī)器人焊接的決定因素。

與手工焊接相比，不僅解決了勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣等問題，而且焊后再加工、修磨的工作量也會(huì)大大地減少，機(jī)器人焊接技術(shù)越來越多的應(yīng)用于更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，受到各界人士的普遍歡迎。

[1] 世界機(jī)器人最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù). 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2006，(6)：28～29

[2] 王彬. 中國(guó)焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展回顧. 焊接技術(shù).2000，(3)： 38～41

[3] 李濤. 國(guó)產(chǎn)機(jī)器人走向?qū)嵱没?機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用.1999，(11)：8～9

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.040