KUKA焊接機器人在工程機械制造業的應用

■ 郭亮，惠燕先，楊列超，張瑞臣，王學讓

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1. 概述

我公司主要生產平地機、壓路機等工程機械，鏟刀作為平地機關鍵核心部件之一，其組對尺寸、焊接質量、加工精度以及外觀質量都非常重要。尤其對于鏟刀的結構件鏟刀體的焊接質量要求達到一級焊縫，這就對焊接人員的焊接技能、設備性能、設備穩定性等方面提出了較高要求。

工業機器人不僅能夠實現焊接自動化生產，解放勞動力，提高焊接效率，而且焊接質量穩定，可保證精度和產品焊縫美觀，也便于組織生產和自動化管理，因此工業機器人在我公司被廣泛應用。本文就KUKA機器人在平地機鏟刀體自動化焊接應用狀況及技術特點進行闡述。

2. 鏟刀體結構及焊接工藝

鏟刀體主要由刀架板、上滑道、下滑道及油缸座板等組成（見圖1），屬于典型的長條形框架類結構，不僅焊縫數量多，大部分為長焊縫，而且整體焊縫質量要求很高，尤其是刀架板弧形板處連接焊縫要求為一級，其他處焊縫也要達到二級要求，焊縫外觀質量全部要求為一級。

平地機生產初期，由于制造水平落后，人力成本高，工業機器人等自動化設備還沒在工程機械制造業應用，公司平地機焊接生產處于機械化階段，鏟刀體制造主要采取機械式工裝進行組對，然后進行人工地攤式焊接。在焊接過程中需要用焊接支撐架固定焊接，為得到較好焊接位置需要用行車吊裝翻轉至船型位置，這樣不僅存在較大的不安全因素，而且由于焊縫長約4m，工人無法一次性焊完，需要停留幾次才能完成一道焊縫。采用上述方法，導致鏟刀體焊縫質量受人員技能水平的影響，一些關鍵焊縫會出現氣孔、未熔合、未焊透、弧坑等焊材缺陷，經常返修，不僅降低了鏟刀的生產效率，而且人員操作環境惡劣，焊接勞動強度大。

3. 工藝改進

隨著企業的發展，公司越來越重視生產能力的提升，組織實施了產品生產技術的升級換代，為此引進一臺工業機器人應用于鏟刀體的焊接。我公司選用KUKA KR16 L6-2型六軸天吊式焊接機器人，采用KUKA KRC2控制器，德國原裝進口EWM焊機，一套頭尾式標準旋轉變位機以及龍門式3軸移動裝置組成的焊接機器人系統（見圖2）。該系統操作時焊接機器人和變位機能夠實現聯動，完成焊接過程（見圖3）。

具體操作如下：

圖1 平地機鏟刀體示意

（1）機器人焊接裝夾工裝 鏟刀體采用機器人焊接前，需要一套固定裝夾工裝。首先進行了變位機的裝夾方案制定與驗證工作。利用原有裝夾工裝基礎上改造，并結合鏟刀體的結構，優化定位方式、裝夾方式，兩端采用弧形固定板，直接焊接在原有工裝上，不影響原有工裝的使用，達到了工裝的通用性；然后在弧形固定板上按照鏟刀體的鏟刀安裝孔的位置鉆通孔，通過孔對中和弧面貼合鏟刀體放置到工裝上，用螺栓和螺母將其固定牢靠，可實現變位機360°旋轉。

（2）編程順序 編程屬于機器人焊接比較重要的過程，好壞直接關系到工件的焊接質量和焊接效率。我公司采用示教器運行方式，將工件通過變位機旋轉至合適位置，移動機器臂空間位置到達需要焊接的位置，建立空間點，調整好機器人焊槍的姿態；為了日后工件焊接位置的穩定性，先編制機器人尋找工件的點，每一個位置尋點全部編制完畢，然后編制焊接程序，通過尋點的位置賦值給焊接的起始點和收弧點。由于鏟刀體多為弧形結構，焊接程序設置為圓弧編制，為了獲得船型最佳焊接位置，還需要配合變位機同時旋轉，記錄尋位點和焊接位置點，修改并保存焊接參數，最后模擬焊接過程調整焊槍角度和焊接參數，首件進行工藝驗證，尋位功能實現鏟刀體批量焊接。

（3）焊接工藝 采用機器人自動焊接，主要有焊槍擺動控制、焊接參數控制、焊槍角度及干伸長控制、多層多道焊控制。

下面對機器人焊接工藝過程控制進行闡述：首先，焊槍擺動參數包括擺動方式、擺動類型、擺動頻率以及擺動寬度極點位置停留時間，通過調整以上參數優化鏟刀體的焊槍擺動，確定焊槍的角度和干伸長度。根據不同坡口類型及坡口尺寸選擇合適的擺動方式、擺動類型、擺寬。其次，焊接參數控制，焊接參數主要包括起始點和收弧點焊接電流、電弧電壓，焊接過程中焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量。各個參數之間要合理匹配，只有經過工藝驗證才能使用，否則會造成焊接時飛濺增多堵住焊槍口，或者產生未焊透、咬邊及弧坑等焊接缺陷。由于該EWM焊機為一元化調節，所以只需設置合理的焊接電源和焊接速度即可，焊接參數根據不同焊腳大小選擇，具體參數如附表所示。由于鏟刀體屬于關鍵部件，因此焊縫焊腳比較大，多為15mm以上，這時需要采用多層多道命令才能完成要求。KUKA焊接機器人設置有多層多道焊命令，調用該命令時，需調整焊槍姿態和焊接參數方可完成。

圖2 KUKA焊接機器人系統示意

圖3 機器人焊接鏟刀體

KUKA焊接機器人焊接參數

4. 機器人焊接特點

鏟刀體機器人焊接具有以下優點：①采用機器人焊接，焊縫可達率90%以上，基本實現了機器人全位置焊接，下來只需人工找點焊補。②通過機器人尋點功能，可實現鏟刀體焊接大批量生產。③提高焊接質量，且能保證均一穩定。因為每條焊縫焊接參數都是固定的，焊縫質量受人為因素影響較小，降低對焊工操作技能的要求。④改善焊接環境，工人只需吊裝和拆卸鏟刀體，焊接時不需要其他操作，避免弧光、煙霧和飛濺。⑤提高生產效率，產量質量容易控制。機器人焊接可以連續作業，節省人工焊接翻轉占用行車的時間，同時消除了翻轉鏟刀體的安全隱患，機器人生產節拍是固定的，安排生產計劃明確。⑥生產柔性化，相同類型的鏟刀體通過改變焊接機器人程序就可以焊接，不需要購買焊接設備就能實現自動化焊接，體現了焊接機器人在鏟刀體焊接的柔性化生產。

焊接機器人在工程機械制造業使用是必然趨勢，但由于自身的特點還存在很多不足：例如一次性購買整體設備，投資大，系統結構復雜，本體部件都是進口件，價格昂貴，國內沒有可靠的生產能力；對設備維修要求很高，一旦過質保期，廠家維修價格貴；編程、故障排除、軟件運行等需要專業培訓，才可以上崗。

5. 結語

經過鏟刀體首件工藝驗證，所有焊縫達到要求，目前已經批量運用機器人焊接，替代了原來人工地毯式焊接，降低了工人勞動強度，消除了行車翻轉存在的安全隱患，同時提高了焊縫質量、生產效率，滿足其他類型鏟刀體的柔性化設計，符合公司的“降本增效”的要求。下一步將繼續推廣機器人自動化焊接在工程機械制造業的應用，不斷提高焊接自動化水平，提升產品的核心技術競爭力。