自動化拖拉機下拉桿總成自動化焊接技術的研究

王 敏 張 蒙

(中國一拖集團有限公司收獲機具公司，河南 洛陽 471000)

1 下拉桿總成簡介

下拉桿總成是拖拉機懸掛系統的重要組成部分，拖拉機帶有機具在田間作業過程中，下拉桿承受較大負荷。故其整體強度直接影響脫粒懸掛系統的穩定性。其結構形式采用三段焊接式，其強度不僅受到零件材質的影響，其焊接質量也會對下拉桿總成的強度造成直接影響。當前，主要采用人工組立、人工焊接的工藝流程。由于人工焊接過程中，焊接電流、焊接順序的可控性較差，易受到工人技能水平的影響，容易產生焊接缺陷，影響焊接質量，進而影響拖拉機的可靠性。

下拉桿總成主要由下拉桿、球座、球頭3部分組成。球頭與球座通過裝配形式連接在一起。球座與下拉桿采用三段式焊接結構。該焊合件結構較為簡單，焊縫寬而短，通過設計工裝減少翻轉次數，使機器人焊接效率得到有效提升，同時保證焊接質量。

2 機器人焊接工作站

圖1 焊接機器人工作站

機器人焊接工作站采用單機雙工位的布置，其主要特點是可以有效提高機器人的實際工作時間，減少零件裝夾時機器人的等待時間。與單工位相比，效率提升60%以上。主要有以下部分組成：一臺焊接機器人、一臺焊接電源、兩套變位機、兩套焊接夾具。雙工位可以同時安裝兩套相同的夾具，也可以安裝兩套不同的夾具，滿足多種零件的生產需求。兩工位如果焊接不同零件時，需要盡量保證雙工位的生產節拍一致，提高生產效率。

本工作站選用了型號為IRB2600的ABB焊接機器人，精度高，操作簡單，運行速度快。它的動態自優化運動控制技術令各軸總是以最大加速度運動。在不做任何調整的條件下，比其他機器人的生產節拍快25%左右。同時它還具備基于Load Identification 技術的智能防碰撞功能，當焊接機器人的焊槍與工件發生機碰撞時，系統會將碰撞力降低到 30%，機器人自動沿路徑回縮，釋放壓力，使其對焊槍與工件的破壞降到最低。當碰撞報警被確認之后，不需要重新上電，機器人就可以繼續沿著之前的路徑繼續工作。在零件精度較低，一致性較差的情況下，焊縫位置出現偏差，很容易出現機器人焊槍與工件相撞。機器人焊槍價格昂貴，防撞系統對焊槍有很大的保護作用，可有效降低使用成本。

機器人帶有尋位功能。在尋位模式下機器人會自動糾正工作路程，保證焊接位置與焊縫位置的準確度。其原理為系統給噴嘴或焊絲通低壓電，工件接地。在機器人沿尋位軌跡移動過程中，一旦噴嘴或焊絲和工件接觸時 會產生接觸信號，機器人停止移動。利用當前位置與程序設定位置的偏差值對路徑進行修正，從而得出真實目標位置。焊接過程中焊槍擺動，實時對焊接中的電流信號采樣，根據 擺動兩端的焊接電流偏差值及趨勢，分析得出的水平及垂直方向的路徑糾正數據，及時傳遞給機器人控制柜。機器人實時修正運動軌跡，保證達到穩定的焊接要求。

此工作站的主要特點為：

(1)采用單機雙工位系統布局，一個工位進行零件裝夾，另一工位進行焊接，最大限度減少機器人等待時間。(2)采用變位機進行變位，可與機器人之間聯動，使程序更加簡單靈活，同時可滿足多種焊接路徑，適用性更強。(3)焊接夾具與變位機之間的連接采用銷軸定位，螺栓緊固的方式，結構簡單，精度高，更換方便。可以在保證不同焊接夾具的快速切換，使機器人滿足多品種零件焊接。(4)雙工位之間采用遮光擋簾，可有效避免弧光對人眼睛的傷害。

3 焊接工裝

機器人焊接工裝與人工焊接工裝相比，精度更高，裝夾迅速，以滿足機器人自動化生產中的節拍要求。與此同時，由于工件較小，焊縫較少，需要一次裝夾多個工件，以減少裝夾次數以及機器人等待時間。由于零件焊接需要雙面焊接，故采用變位機進行翻轉，降低人工翻轉的勞動強度，使焊接效率提高1倍以上。

機器人焊接工裝目前按照其作用分類，最常見的有兩種類型。一種為僅對組對好的合件進行定位與夾緊，設計簡單，承受載荷較小。另一種直接對合件中的各部分零件進行定位與夾緊，然后機器人直接進行焊接，省去了人工裝配的工序，效率高，同時夾具的設計較為復雜。下拉桿合件主要為3部分組成，機構簡單，焊接變形較小，適合采用第二種結構形式(如圖2)。

圖2 焊接夾具

工裝分別對下拉桿、球座(左)、球座(右)3個部分進行定位。由于球座與拉桿不在一個平面，我們采用斜面與銷軸對其進行定位。銷軸與球頭采用間隙配合，間隙為0.05 mm，既保證了裝配精度，又保證焊接后方便取出。下拉桿我們采用了u型槽進行定位，同時用快速夾鉗進行夾緊。結構簡單，裝夾迅速，有效提高工作效率。同時工裝與焊合件的接觸面要盡量小，便于應力釋放，也可避免焊接應力過大，對工裝進行損害，降低工裝精度等。為了提高機器人的焊接效率，減少機器人的等待時間，單工位一次裝夾6件。由于拉桿總成種類較多，需要多套夾具切換。夾具與翻轉架采用螺栓加定位銷連接的結構，提高工裝的切換速度，可以實現一機多用，提高機器人的柔性生產能力。由于本工作站采用單機雙工位布局，故可實現一邊裝夾，一邊焊接的工作過程。為了防止零件裝夾時，對面弧光傷害眼睛，兩工位之間設計了遮光擋簾。

機器人焊接工裝不僅要考慮零件的定位與夾緊，還需要考慮焊縫的可達率，以及零件的支撐點。由于機器人相對于人工焊接，靈活性較差，所以零件定位后，焊縫的位置一定要在機器人的工作范圍內，同時盡可能使機器人保持最佳的焊接姿態。零件的支撐點要盡可能遠離焊縫，防止焊接應力過大導致工裝變形。

4 焊接工藝

4.1 零件的工藝性分析

下拉桿與球座的材質為60Si2Mn，60Si2Mn彈簧鋼是應用廣泛的硅錳彈簧鋼，適于鐵道車輛、汽車拖拉機工業上制作承受較大負荷的扁形彈簧。可焊性較差，焊接中凝固區間較大，成分偏析嚴重，易產生較大應力。零件厚度為20 mm，故焊接時應采用雙面焊接，同時應該開坡口，坡口的精度誤差要保證±1 mm，以保證焊縫的一致性和焊接強度。機器人焊接速度約為人工焊接速度的2倍，電流電壓穩定，飛濺小，焊縫均勻、美觀。為了進一步改善焊接效果，在焊接中選用了Ar-CO2混合氣體。與二氧化碳氣體保護焊接比較，在焊接效率與焊接質量上均有顯著提升。通過采用Ar-CO2混合氣焊接技術可以使各自優勢充分發揮。Ar可有效提高焊接表面質量，降低CO2氣體焊接過程中所發生的飛濺。且 CO2氣體可顯著提高電弧穩定性，增強其熱傳導功能，使焊接材料的機械性能顯著提升[1]。

4.2 電流電壓的選擇

機器人焊接自動化程度高，速度快，但對焊接參數要求較高。由于人工在焊接過程中，可以實時觀察焊接過程中熔池的變化以及焊縫的成型效果，及時調整焊接參數。但機器人焊接參數為預設，參數不合適，極大影響焊接效果。焊接過程中，實際的焊接條件受材料、溫度、零件質量等各種因素的影響，所以我們需要多次試驗，來獲取最佳的焊接參數。

經過多次實驗，得到的理想焊接參數如下：

氣體流量20～25 L/min；焊接速度v=0.4 m/min；焊接電壓U=29～35 V；焊接電流I=270～380 A；焊絲直徑為Φ1.2 mm。

5 結語

通過自動化焊接技術的應用，提高了生產效率和焊接質量。由于農業機械零件種類較多，數量低，造成機器人的利用率偏低，機器人焊接技術在農機制造領域應用較少。實踐證明，通過優化工裝結構，利用工裝快速切換技術，使機器人實現多種類零件的焊接，實現一機多用。與此同時，農業機械的零件精度還普遍偏低，一致性較差，自動化焊接工藝性差。所以隨著激光切割機的普及，零件的制造精度不斷提升，機器人的柔性制造技術的不斷發展，機器人自動化焊接技術在農業機械領域會被廣泛推廣與應用[2]。