焊接機器人在挖掘機回轉支承座焊接中的應用

閆章建，徐晶晶，李勇，劉磊，侯玉鵬，徐宗磊，胡傳峰，李新華，賈志強

1.山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

2.南通振華重型裝備制造有限公司 江蘇南通 226000

1 序言

焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭安裝焊鉗或焊（割）槍，使之能進行焊接、切割或熱噴涂，主要包括機器人本體和焊接設備兩部分。隨著電子技術、計算機技術、數控及機器人技術的發展，焊接機器人技術已日益成熟。

2 徠斯焊接機器人工作站

徠斯焊接機器人工作站主要由弧焊機器人、焊機+送絲機、焊槍及清槍裝置、保護氣體設備、控制柜、工裝夾具、變位機、安全系統（圍欄、光柵、自動門、門鎖等）及排煙系統等組成（見圖1）。

圖1 焊接工作站

徠斯機器人產自德國，質量可靠，運行穩定。本體由6個軸組成，主要有單軸、世界、工具三種坐標模式。兩個傾翻式變位機與機器人聯動，各有兩個外部軸，由內部PLC程序控制，可以旋轉以及上下傾翻。焊接電源采用的是奧地利福尼斯TransPlus系列MIG/MAG焊機，該焊機采用全數字化控制的逆變電源。系統內置了智能化參數組合，采用一元化調節模式并可存放多組焊接專家程序，極大地簡化了操作。

3 挖掘機轉臺支承座

挖掘機支承座又稱挖掘機底座、挖掘機支承圈、挖掘機連接座及回轉支承座等，它是連接挖掘機上車架與下車架的關鍵結構件、回轉支承的外圈。挖掘機支承座質量的好壞直接影響挖掘機的使用安全和壽命。因此，挖掘機支承座是較為重要的結構件。挖掘機支承座在下車架中的位置如圖2所示。

圖2 挖掘機支承座在下車架中的位置

挖掘機支承座常見的加工方式有：鈑金焊接、鑄造、部分鍛造+部分鈑金焊接及整體鍛造。

3.1 鍛造式支承座

鍛造式支承座（見圖3）采用整體鍛造工藝，提供的是成品，螺孔和機加工均處理完畢，直接與行走架焊接即可。

圖3 鍛造支承座

相對于其他方式加工，鍛造式支承座具有以下特點。

1）增加挖掘機的整體可靠性和安全性。由于采用整體鍛造工藝，整體鍛造的支承座無論強度、耐受性等均優于鈑金合圍等方式加工的支承座。

2）降低挖掘機支承座故障率，從而減少售后服務成本。實際使用表明，整體鍛造的支承座發生故障的概率遠低于其他方式加工的支承座。

3）減少鈑金焊接等繁瑣的加工環節，提高生產效率。整體鍛造的支承座為成品，直接焊接即可，可極大地減少廠家復雜的鈑金焊接加工過程，提高生產效率。

4）鍛造式支承座是目前較為先進的加工工藝，但是，采用整體鍛造的挖掘機支承座的加工成本上略有增加。

3.2 鈑金焊接式支承座

VOLVO等廠家的許多支承座仍采用鈑金焊接的制造工藝。圓環工藝路線：下料→校平→加工坡口→矯形→成形（預彎、卷板、焊接、矯形）；底圈工藝路線：下料→校平→組對（專用工裝）→焊接。兩部分用專用工裝組對、焊接，焊后再加工端面及圓周、鉆孔，即得到鈑金焊接式支承座（見圖4）。

圖4 鈑金焊接式支承座

鈑金焊接式支承座工藝特點主要包括以下幾方面。

1）成本低、投資小、通用性強，車間的普通設備即可滿足加工要求，不需要采購復雜的鍛造設備，可減少采購費用。

2）雖然工序復雜，但是工藝流程相對簡單可控，不需要復雜的模具，在種類多、批量小的情況下效率更高，成本更低。

3）焊接結構剛度大，整體性能好，焊接工藝適應性廣，容易實現自動化。

4）焊接加工也存在一些不足之處，如焊接使工件產生殘余應力及變形，影響產品質量，需要焊后加工；焊縫及熱影響區因工藝或操作不當會產生多種缺陷，使結構的承載能力下降，需要進行無損檢測，不合格處需要碳弧氣刨清除后重新補焊。

總之，上述兩種方法各有利弊，本文主要探討后一種加工方式。

4 某機型支承座機器人焊接應用

4.1 工作范圍及負載確認

查閱機器人運動范圍圖可知，其最大垂直運動范圍、最大水平運動范圍、最大動作范圍均可滿足工作要求。其中，最大垂直運動范圍超過極限值的80%。為確保焊接可達，需要移動機器人進行測試，模擬焊接最高點（外道焊縫）、最低點（內道焊縫）的位置，如圖5所示。由圖5可看出，工作范圍能夠滿足要求。

圖5 工作范圍確認

為保證焊接時的安全，設計時充分考慮變位機的負載，在保證工裝強度、剛性的基礎上，進行鏤空設計，將整體重量（工裝夾具+工件）控制在500kg以內，小于變位機負載1100kg的一半。

4.2 工裝夾具設計

傾翻式變位機可以繞水平軸傾翻式旋轉，也可以繞變位機中心軸（垂直于上平面）旋轉。變位機在安裝調試完后標定了原點，工裝安裝到變位機上也要保證工件中心與中心軸重合。這樣才能保證工件旋轉時的軌跡是圓或者趨近于圓，為后續簡化尋位程序、提高尋位效率提供支撐。

如圖6所示，芯軸通過與變位機中心孔及工裝底板（綠色六邊形工件，上下銑面）中心孔配合，來實現工裝中心與變位機中心軸重合。安裝緊固螺栓的8個沉頭孔、安裝定位塊的12個螺紋孔由加工中心以中心孔為基準一次加工完成；定位塊增加5mm高的弧形凸臺（半徑比底圈大0.75mm），兩個相對的定位塊圓弧中心與底板中心孔同心，進而保證工件與工裝同心（單邊預留0.75mm的裝配間隙）。此設計最終保證工件中心與變位機中心軸重合。

圖6 工裝夾具三維模型及局部放大圖

底板主要靠8個緊固螺栓固定到變位機上平面，芯軸靠緊固螺栓及兩個配鉆的定位銷固定及定位，每個定位塊由3個沉頭螺栓固定，壓板由長螺桿支撐和定位。

工件安裝到定位塊上，實現定心的同時也可以約束其在圓周方向的移動；4塊壓板壓緊，防止其軸向移動，同時也可防止向圓周方向滑動。

4.3 焊接方案分析

（1）第一種方案 變位機處于原點位置（上平面水平），裝夾工件，移動焊槍，調整焊槍角度及姿態，尋位并編制圓弧焊接程序。

該方案存在的缺點是：①焊縫的空間位置會使液態熔池流向底圈一側，很難在圓環一側形成較大的熔寬，難以達到圖7所示的焊縫要求。②需要尋找較多的尋位點，尋位花費的時間較長，效率較低。③焊槍姿態一直在變化，需多次調整。優點是對組對精度要求較低。

（2）第二種方案 焊槍不動，變位機旋轉完成焊接。

圖7所示的焊縫形式不宜采用船位焊方式，焊外道焊縫宜采用工件相對于垂直方向傾斜10°～15°、內道焊縫傾斜15°～20°的姿態，焊槍夾角為25°～30°。焊接時，調整好工件位置，移動機器人，調整好焊槍角度及姿態，焊槍不動，變位機旋轉實施焊接。此種方案容易達到焊縫要求，而且只需幾個尋位點甚至不需尋位。但對組對精度要求比較高。

圖7 焊縫要求

綜上所述，根據工裝夾具的設計精度，選擇第二種方案比較合適。

4.4 機器人焊接程序編制

（1）焊接質量要求 焊縫尺寸符合圖7要求，焊接質量符合一級焊縫要求，即對每條焊縫長度的100%進行超聲波檢測；為全焊透的焊縫，不允許存在表面氣孔、夾渣、 弧坑裂紋及電弧擦傷等缺陷；其抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強度均與母材相同。

（2）焊接工藝及參數 采用氣體保護焊（MAG/CO2）工藝，焊接設備采用徠斯焊接機器人，配備福尼斯TPS5000焊接電源，林肯ER50-6、φ1.2mm的焊絲，100% CO2氣體保護。具體支承座焊接參數見表1。

表1 支承座焊接參數

（3）焊接程序編制 由于工件誤差和裝配誤差將會出現示教編程步點與焊縫實際空間位置偏差的現象，使焊縫在焊接過程中不能按照預定軌跡進行焊接，容易導致各種形式的焊接缺陷出現。利用徠斯機器人接觸傳感功能和電弧傳感功能可實現對焊縫位置的精準尋位和過程跟蹤。

調整變位機（即示教器外部第七軸），使支承座底圈平面與豎直方向呈10°～15°夾角。使用世界坐標系移動機器人至待焊位置（外道焊縫）上方一空間安全點，旋轉第八軸開始尋位（見圖8）。由于工裝夾具以及工件組對控制較好，所以旋轉時端面圓跳動2mm，可以簡化尋位程序，只需4～8個尋位點即可，尋位點由一般的圓弧點通過變位機旋轉轉化為線性點，大大提高了尋位效率。工件相對于焊槍做圓周運動，焊接（打底）程序為一般的圓弧程序。蓋面程序可以由打底程序自動生成。內道程序同理，只是傾斜角度不同。

圖8 外道和內道焊接

（4）機器人姿態控制 機器人本體在焊接時的運動方式為六軸聯動的柔性運動。機器人各關節的運動都有一定的活動范圍，為避免機器人在運動過程中發生限位，在編程時要注意各軸參數的變化，保證手臂姿態的舒展，便于焊接過程中焊槍角度的變化。焊接時焊槍角度是影響焊接質量的主要因素之一。支承座焊接時，焊槍與工件的夾角保持在25°～30°，焊絲指向焊縫中心，以避免產生偏焊現象。焊槍與工件的傾角保持在80°～90°（見圖9），如焊槍傾角過于傾斜，電弧的吹力將會把熔化的鐵液推向焊縫前方，易造成焊縫根部的未熔合[1]。本文的編程方式只需調整內外道各一次焊接姿態，簡化了程序編制。

圖9 焊槍傾角示意

5 機器人焊接出現的問題及解決方法

在機器人焊接時也出現了一些問題，主要有未熔合、氣孔、飛濺嚴重及尋位時不導電等。其中最大的問題是未熔合、未焊透。由于底板與圓環受平面度等影響，組對時存在間隙不均勻的問題，焊接時易在焊縫對面形成不均勻焊瘤，而再焊對面焊縫時，根部易產生熔合不良。對此，可以采取以下幾種工藝措施：①增加銑面工序，保證無間隙或間隙均勻。②增加組對間隙（2～3mm），增大熔深。③增加坡口角度，增加熔深。④注意坡口兩側及焊層之間的清理。其他問題及解決辦法見表2。

表2 機器人焊接問題及解決方法

6 結束語

應用焊接機器人焊接挖掘機支承座，顯著提高了焊接質量，檢測合格率達到了99%以上。相比于人工焊接，不僅降低了勞動強度，由兩人配合減為一人獨立操作，效率翻倍，而且降低了對焊接技能的要求。本文的工裝夾具配合變位機，焊槍不動，工件相對于焊槍做圓周運動，減少了焊槍姿態調整的頻次，提高了編程及焊接效率。此種方法已經推廣到推土機引導輪的焊接中，取得了良好的效果。