OTC機械臂自動化焊接工藝研究

孫雨峰

摘要： 本文首先簡要介紹OTC機械臂的結構和動作原理，然后結合橫梁鋼管與連接座焊接實例，具體研究OTC機械臂的自動化焊接技術原理和參數控制要求，為OTC機械臂在工業領域的廣泛應用進行有益的探索和實踐。

Abstract： In this paper， the structure and operation principle of OTC manipulator are briefly introduced. Then， combining with the steel pipe and connecting seat welding example， welding principle and parameter control requirements of OTC manipulator are studied in detail to carry out useful exploration and practice for wide use of OTC manipulator in industrial field.

關鍵詞： OTC機械臂；自動化焊接工藝；參數控制

Key words： OTC manipulator；automated welding process；parameter control

中圖分類號：P755.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0131-02

0 引言

橫梁鋼管與連接座為內外對接環焊縫，人工焊接內腔焊縫時，必須邊旋轉工件邊焊接，作業有一定難度，并且由于內腔熔池可見性差，很難確保焊縫質量達到生產要求。采用機器人施焊，首先能保證焊接質量，而且相比于人工焊接來說作業效率更高，因而機械焊接在近些年被廣泛用在工業生產中，特別是在軌道裝備制造業中取得了很好的應用效果。本文首先簡要介紹OTC機械臂的結構和動作原理，然后結合橫梁鋼管與連接座焊接實例，具體研究OTC機械臂的自動化焊接技術原理和參數控制要求，為OTC機械臂在工業領域的廣泛應用進行有益的探索和實踐。

1 OTC機械臂的結構和動作原理

OTC機械手臂又稱關節機器人，多數有6軸，6個關節可聯動、也可以單個的運動、也可沿著X＼Y＼Z三個坐標方向移動，從而實現三維柔性工作。如圖1所示，OTC機械手包括控制裝置、懸式示教作業操縱按鈕臺、操作箱和機器人主體等幾個部分。除此以外，機械手上還配裝了兩軸旋轉變位機，適用于350公里轉向架橫梁鋼管與連接座、橫向止擋座的焊接作業。

OTC自動化焊接機械臂的主體結構及動作原理如下：控制系統：由微型計算機和控制箱組成。控制箱主要包括焊槍位置控制模板、輸入/輸出接口電路以及功率驅動電路等組件；微型計算機不單單是指主機和鍵盤，還應該有配套的顯示器和輸入/輸出設備。

焊槍位置控制模板：焊槍位置由相應的機械電弧擺動模板、弧壓控制模板以及調控信號等組件進行調控。在管道360度自動焊接的過程中，操作員應該多注意焊槍位置，根據焊接需要隨時調整焊槍的位置。

焊槍焊接方式：用來調控焊接工藝參數的旋鈕由專用的焊接電源進行控制，調控按鍵主要分布在機頭或專門的箱盒內。在焊接時，可對照所需的工藝參數，用旋鈕和相應的按鍵進行參數調整。

2 OTC機械臂焊接工藝

經濟型點焊機器人適用于任務量和勞動強度較大、焊點分布相對簡單的工況，并且對作業環境不挑剔。通常要求焊接機器人的傳動精度要高于其周邊設備。要實現高效率焊接，需要兩個前提：一是下料精度要，產品一致性高，才能更好的實現自動化焊接。二是工件的裝配精度要高，裝配誤差小于焊絲的直接。

2.1 OTC機械臂自動化焊接操作流程

OTC機械臂自動化焊接的操作流程如圖1所示。

2.2 關鍵環節的設計

2.2.1 系統運動方式的確定

按照焊接要求，焊接機械臂須采用5軸聯動式運動模式。其伺服系統的旋轉、擺動部件通過快速步進電機的開環控制系統進行操控。開環控制系統構造單一，易于調整和維護，既經濟又實用。

2.2.2 執行機構傳動方式的確定

為確保主機傳動精度和作業過程的穩定性符合設計要求，應參考以下幾點來裝配設計機械傳動裝置：一是傳動元件和導向元件的摩擦系數盡可能最小；二是傳動間隙盡可能為零；三是傳動鏈不宜過長。通過適當縮短傳動鏈來提高傳動剛度，可有效縮小傳動誤差。實際作業中，可預緊執行機構來提高其傳動精度。常見的操作是在絲杠的承端進行軸向固定，同時借助預緊拉伸結構進行操作。

2.2.3 確定機械臂的整體結構及布局

①確定機械臂的外觀尺寸以及各局部結構的尺寸和結構布局。②將運動部件放開到極限自由度，對其位置進行調校。③確定控制系統、驅動部件和執行部件的間距及相對位置。

2.2.4 協調控制

按焊接要求對各機械臂和變位機進行操控，保持工件與焊槍的相對姿態，嚴防焊接過程中工件與焊槍之間發生磕碰。

2.2.5 精確焊縫軌跡跟蹤

機械臂的視覺傳感器和激光傳感器支持離線作業功能，焊接時應該擅用這一功能，通過激光傳感器跟蹤監控對焊縫的焊接過程，以實時調整機械臂焊接動作的柔性，特別是提高機械臂對復雜工件的適用性。通過視覺傳感器監控并統計焊縫跟蹤的殘余偏差，再通過對機械臂工藝參數進行補償來修正機械臂的運動軌跡，從而使機械臂的焊接精度更加有保障。

3 實踐研究——OTC機械臂在梁管焊接中的應用

下文以OTC機械臂在橫梁鋼管和連接座焊接工藝中的應用為例，對OTC機械臂的焊接工藝進行詳細論述。

3.1 坡口及焊縫型式

橫梁鋼管與連接座為對接雙面環焊縫，內側焊縫型式為5V，外側焊縫型式為10U。橫梁鋼管與連接座的坡口為對稱結構。

3.2 焊絲與保護氣體

橫梁鋼管與連接座的焊絲選用ISO 14341-A-G 42 4 M G3Si1，其化學成分和力學性能分別見表1和表2。

3.3 工藝參數及焊接順序

將橫梁管與連接座放在工裝內點固，點固四處，每處點固30～40mm，點固后需將點固焊縫兩側打磨呈至少50°的斜坡，清除點固焊縫中存在的氣孔、表面裂紋等焊接缺陷。先用機械手對稱焊接橫梁鋼管與連接座內腔焊縫，背面清根后對稱交替焊接橫梁鋼管與連接座的打底層、填充層、蓋面層。保證層間溫度低于200℃，焊接參數如表3所示。

3.4 焊后無損探傷

為進一步檢測焊縫內部是否存在缺陷，需對焊縫進行無損檢測。磁粉探傷對于表面和近表面存在的裂紋、未熔合等面積型缺陷具有較高的探測度。射線探傷可以檢測出氣孔、夾渣等體積型缺陷，而且可以檢測出缺陷的具體位置、大小。橫梁鋼管與連接座焊接結束24h后進行100%表面磁粉探傷，要將焊縫表面打磨后再進行探傷檢測。檢測后發現焊縫表面沒有磁痕等結構缺陷，焊接質量達到了設計要求。

4 結束語

OTC機械手對于橫梁鋼管和連接座的內外環焊縫具有良好的焊接工藝性。焊縫表面成形美觀、均勻，焊接參數合理。機械手電弧跟蹤系統有助于提高焊接質量。打磨焊縫后進行磁粉探傷檢測，焊縫表面沒有磁痕和其它缺陷點，焊縫質量達標。本文僅僅針對OTC機械手對于橫梁鋼管和連接座的自動化焊接工藝進行了研究，實際上OTC機械臂在自動化焊接工業領域具有廣泛的適用性，在具體操作時需要結合實際工況對其技術參數進行適當調整，以提高其適用性。

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