板材類焊接件磨削壓力自適應工藝研究*

李東旭,陳 珂,胡 鑫,王 宇,李 壯

(四川大學機械工程學院，成都 610065)

0 引言

板材類焊接件是工業化裝備中的重要組成部分，焊縫表面質量對焊接件的整體性能具有顯著影響[1]。由于焊接水平限制，焊縫表面質量差別較大，粗糙度較高，不同位置的高度值相差較大，導致焊縫附近是焊接結構的損壞高發區。伴隨工業領域自動化水平的不斷提高，工業產品的加工效率與加工質量是衡量自動化程度的技術指標，目前焊縫的再加工主要依靠人工的多次檢測與試磨，效果依賴于操作人員的水平且效率較低[2-3]，磨削結果不穩定，嚴重限制了加工質量與磨削效率的進一步提高。

點激光是一種精度高，適應場景廣泛的無損檢測技術[4]，針對上述背景，為了提高焊縫的磨削效率和磨后表面質量，本文提出采用點激光檢測焊縫表面高度數據，由焊縫表面各個點的高度數據及其坐標組成三維形貌數據，利用牛頓差值、微積分與焊縫長度方向上的檢測步進距離計算每個位置上的磨削去除量，根據Hamman提出的磨削去除量影響因子分析以及初次實驗探究氣缸壓力與磨削去除量的多項式關系，并通過最終磨削對比實驗獲得了0.07 mm的加工精度。

1 焊縫表面高度檢測

1.1 焊縫邊界搜索

焊接板材由兩塊精加工而成的金屬板材焊接而成，非焊接位置表面光滑，任意兩點的相對高度差值均小于0.03 mm。

首先將激光位移傳感器豎直放置并且射出光線照射焊接板材左側，移動方向平行于板材上側面且指向板材右側，其測量精度為0.008 mm ，檢測距離間隔均為HD, 設焊縫邊界識別閾值為HB(HB<0.03 mm),當激光位移傳感器在一點讀數與后一點讀數高度差值大于閾值HB且與前面5個測量點相對高度差值均小于閾值HB，即認為此點位于焊縫左側臨界位置，記為焊縫起始點。

搜索到焊縫左側邊界點后，控制激光位移傳感器沿相同方向繼續移動，當激光位移傳感器在一點讀數與前一點讀數高度差值大于閾值HB且與后續5個測量點相對高度差值均小于閾值HB，即認為此點位于焊縫右側臨界位置，記為焊縫結束點，激光位移傳感器從左側臨界位置移動至右側臨界位置的距離即為焊縫寬度L，如圖1所示。

圖1 焊接板材焊縫邊界搜索

1.2 焊縫表面激光檢測

設焊縫起始點為坐標原點O(0,0),如圖2所示 ，為圖1的垂直于上側面方向視圖。

圖2 焊縫表面檢測

此時激光位移傳感器讀數為HS0，以步進距離HD檢測焊縫表面高度數據,設焊縫在各個檢測點的激光位移傳感器讀數為HSi，橫坐標為xi，記函數f在檢測點xi的函數值為f(xi),則在焊縫高度檢測過程中各個點wi(x,y)坐標計算公式如下：

xi=iHD

(1)

f(xi)=HSi-HS0

(2)

wi(x,y)=wi(xi,f(xi))

(3)

1.3 焊縫磨削基準線

由于板材非焊接位置表面光滑，則以焊縫起始點w0(0,0)和焊縫結束點wn(L,HSn-HS0)坐標作為參數，基準線方程y=kx+b的計算公式如下：

(4)

b=HSn-HS0-kL

(5)

2 磨削去除量求解

2.1 牛頓差值曲線擬合

如圖3所示，曲線表示垂直于上側面方向的某一截面的焊縫曲線。

圖3 焊縫逐點檢測

焊縫表面激光位移傳感器從焊縫起始點開始，以HD為步進距離檢測高度數據，共檢測(n+1)個點至焊縫結束點，坐標數據如表1所示。

表1 焊縫坐標數據

首先進行焊縫表面(n+1)個檢測點曲線擬合, 由牛頓均差插值公式可知，函數f在檢測節點橫坐標x0，x1，…，xi，…，xn的n階均差可用函數值的線性組合來表達，計算公式如下[5-6]：

(6)

設F(x)為過焊縫表面(n+1)個檢測點的擬合曲線方程，計算公式如下：

(7)

2.2 基準線與擬合曲線包圍面積求解

兩條線交點分別為檢測點w0(0,0)和檢測點wn(nHD,HSn-HS0),曲線與X軸包圍面積為(S1+S2),基準線與X軸包圍面積為S2，如圖4所示。

圖4 積分求包圍面積

焊縫曲線與基準線所圍面積即為S1=(S1+S2)-S2,計算公式如下所示[7]：

(8)

2.3 焊縫全面檢測及磨削去除量

焊縫長度為D，激光位移傳感器從焊縫上側面位置開始，對上側面位置的焊縫截面進行高度檢測，檢測完成后沿圖中所示平行于左側面的方向移動，每步進0.2 mm進行一次上述截面表面檢測，直到焊縫長度方向上測量全部完成，如圖5所示 。

圖5 焊縫全面檢測

由于激光位移傳感器每次步進距離很小，因此在0.2 mm的步進距離中，焊縫長度方向上的截面面積變化很小，因此當前位置的磨削去除量Q可用如下表達式計算：

Q=S1/5

(9)

3 影響磨削去除量參數分析

在砂帶磨削中采用力控浮動系統，存在接觸變形等問題影響磨削質量，Hamman提出磨削去除量可以通過如下所示的線性方程進行描述[8-9]：

(10)

式中，Q為磨削去除量、CA為實際加工試驗的修正系數；KA為磨料和加工材料確定的阻力系數；kt為砂帶磨損影響因數系數；Vb為砂帶運行線速度；Vw為磨削工件的進給速度；Lw為磨削砂帶的寬度；FA為磨削壓力。

在磨削工藝系統確定的情況下，即磨削砂帶具體型號和工件已知的情況下，可將部分影響參數提前確定，令：

(11)

則磨削去除量線性方程可簡化為如下公式：

(12)

因此，在確定的磨削加工條件下，影響磨削去除量的主要因素有砂帶運行線速度Vb，磨削進給速度Vw，以及磨削壓力FA。在砂帶運行線速度Vb和磨削進給速度Vw恒定的情況下，可知磨削壓力FA與磨削去除量呈正相關關系，而浮動梁氣缸壓力FB為磨削過程中砂帶對焊縫的實際磨削壓力FA的壓力來源，兩者具有明顯的正相關關系，所以可通過改變浮動梁氣缸壓力FB對磨削去除量進行調整，以下簡稱氣缸壓力。

4 實例

4.1 磨削去除量與氣缸壓力關系分析實驗

選用碳素鋼板作為實驗對象對焊縫進行初次磨削實驗，為獲得較好效果，選擇的焊接鋼板焊縫寬度與外形盡可能相似。磨削實驗中砂帶的張緊壓力為1.5 bar，接觸輪轉速為2 m/s，進給速度為800 mm/min。選擇不同的氣缸壓力后每個步進位置磨削時間均為3 s,進行多次實驗對氣缸壓力FB和磨削去除量Q的關系進行分析[10-11]，磨削結果如圖6所示。

圖6 砂帶磨削實驗擬合曲線

以磨削去除量為橫坐標、氣缸壓力為縱坐標繪圖，圖中菱形標記點為某一特定氣缸壓力條件下10次實測磨削去除量的平均值，實線表示采用3次多項式對數據的擬合曲線，由曲線可知當氣缸壓力較小時，接觸輪、砂帶、焊縫并未完全緊密接觸，因此氣缸壓力增加對磨削去除量并不明顯；當氣缸壓力逐漸升高至1 bar后，此時砂帶與焊縫緊密接觸，氣缸壓力變化對磨削去除量影響十分明顯；當氣缸壓力大于3 bar后，由于砂帶與焊縫已經完全接觸，氣缸壓力的增加導致接觸輪和砂帶發生微小彈性形變，且磨損加劇，因此氣缸壓力的升高對磨削去除量的影響較小，曲線擬合公式如下：

FB=0.019Q3-0.203Q2+0.808Q

(13)

式中，輸入量Q為磨削去除量，輸出量FB為氣缸壓力，相關系數R2=0.99，擬合效果理想。當采用超過3次的多項式擬合時，多項式擬合次數每升高1次，相關系數增加0.000 3左右，因此采用3次多項式擬合已經可以準確地反映實驗結果。

4.2 恒壓力與變壓力磨削對比試驗

利用激光位移傳感器檢測長度為48.73 mm的焊縫表面形貌數據，計算出各個位置的磨削去除量，由上述擬合曲線公式計算相應氣缸壓力。再次實驗，磨削過程中分別采用恒壓力和自適應的變壓力進行磨削對比實驗[12]。磨削后檢測243個步進位置的焊縫表面高度數據，求得每個步進位置的平均高度值和最大高度值并繪圖，如圖7～圖8所示。

圖7 磨后焊縫高度平均值 圖8 磨后焊縫高度最大值

圖中虛線代表氣缸壓力恒為1 bar時的焊縫磨削數據擬合曲線，實線代表根據式(13)求得的變壓力磨削數據擬合曲線。

可知當采用氣缸壓力為1 bar的恒壓力磨削方法時，焊縫磨后表面高度差值較大，平均值峰值超過0.15 mm,焊縫表面最大值峰值接近0.25 mm,磨削效果較差，需要進行多次磨削且存在磨削過度的可能性，嚴重影響磨削效率和使用性能；當采用自適應的變壓力磨削方法時，焊縫表面高度差值較小，表面高度平均值峰值均小于0.05 mm,最大值峰值小于0.08 mm，達到較好磨削效果，說明在砂帶運行線速度Vb和磨削進給速度Vw恒定的情況下，通過改變氣缸壓力FB可以實現較高精度的磨削去除量控制，提高磨削效率和磨削效果。

5 結論

為提高砂帶磨床對板材焊縫的磨削效率，提出了一種板材類焊接件磨削壓力自適應工藝方法。該方法以焊縫表面形貌數據為基礎求得材料的磨削去除量，進行初次磨削實驗得到氣缸壓力關于磨削去除量的擬合關系表達式，并在砂帶運行線速度Vb和磨削進給速度Vw恒定的情況下進行了砂帶恒壓力與變壓力對比磨削實驗。

實驗結果表明，變壓力磨削時，砂帶可根據磨削去除量實時自主調整氣缸壓力，磨后焊縫表面高度差均小于0.07 mm，驗證了該方法的可行性，提高了磨削效率和磨后表面質量。