鐵軌S型支腳焊接機器人工作站系統設計

劉淑晶，卓 嵐，陳 亞，劉立恒

（北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617）

1 引言

鐵軌S型支腳憑借結構簡單、強度高、韌性好等優勢在列車軌道建設領域應用越來越廣泛。然而，目前對其進行焊接加工的方式主要為手動焊接，存在自動化程度低、焊縫不均、焊件數量眾多導致工人勞動強度大等問題。因此，研究一種適用于鐵軌S型支腳的機器人自動焊接工作站，具有廣闊的發展與應用前景。

目前，針對自動化焊接設備國內外學者均有相關研究，文獻[1]提出了一種角焊縫跟蹤控制算法，結合超聲波測距技術，實現了焊接機器人自動追蹤超長空間連續分布的焊縫，大幅度提高了造船業的焊接生產效率。文獻[2]設計了一套適用于石油天然氣等工業中常見大厚度高強度低合金鋼板的縱向對接和角接焊縫系統，控制冷卻速度并降低工件應力應變。文獻[3]研發了智能化機器人激光焊接系統設備，解決了傳統弧焊過程中時間長、零件裝錯概率高等問題；文獻[4]開發設計了機器人自動跟蹤及人工干預糾偏焊接系統，大大提高編程效率。文獻[5]基于播種機機架開發設計了柔性焊接機器人工作站，有效解決了不同型號播種機機架總裝焊接膜寬不同的問題。文獻[6]提出一種以弧焊機器人為核心的焊接自動化工作站，采用MAG焊接方式對床架進行焊接，生產效率較傳統人工焊接提高40%以上。文獻[7]設計了一種無需人工示教編程的全自動機器人焊接系統，使得機器人能夠按照規劃好的焊接順序自動焊接，并能在焊接過程中實時調整路徑，提高了船舶典型板架焊接的效率。

這里首先根據工件焊接特性確定了焊接工作站總體方案，運用Solidworks軟件對夾具系統三維模型進行設計，并基于所設計模型完成焊接過程運動仿真與干涉分析，之后對夾具體進行輕量化優化設計。最后，基于正交試驗方案進行了焊接工藝參數優化與焊接性能試驗。

2 弧焊機器人工作站總體方案

2.1 鐵軌支腳焊接特性

鐵軌S型支腿S型工件整體尺寸為長492mm，寬118mm，高372mm，厚度為12mm；中間支撐塊為幾何中心開螺紋孔的螺紋塊，基本尺寸為（94×64×55）mm，支腳工件的材料均為Q235，最大重量不超過20kg，如圖1所示。

S型工件的焊接位置主要為左右側板與中間支撐塊、中間支撐板以及端頭支撐塊的接觸位置，共3組16條角接焊縫，焊縫位置分布示意圖，如圖2所示。

圖2 工件焊縫分布Fig.2 Welding Seam Position Distribution of S-Shaped Workpiece

對工件進行焊接時要求焊縫寬度均勻一致，焊縫美觀，且不允許有氣孔、未焊透、凹坑、燒穿、夾渣等焊接缺陷，焊接飛濺小；焊接熔深6±0.2mm；焊接熔寬10±0.2mm。

2.2 弧焊工作站系統組成

鐵軌S型支腳焊接工作站系統組成主要包括：弧焊機器人、焊接電源、送絲機、單軸變位機、清槍剪絲機構、安全欄等，如圖3所示。

圖3 焊機工作站整體布局Fig.3 Structural Schematic of Robot Auto-Welding System

系統選用安川MOTOMAN-MA2010 弧焊機器人，其作業半徑達2010mm，重復定位精度達±0.08mm，能夠滿足S型支腳焊接的要求；焊接電源選用安川MOTOWELD-RD350焊接電源，是數字式逆變控制的多功能焊接電源，引弧成功率高、防粘絲功能強、焊接飛濺少、耐環境性好。由于S型支腳正反面均有焊縫，故在焊接過程中需要調整工件姿態進行焊接，因此選用安川的單軸翻轉變位機。為提高機器人工作效率，對其進行H型雙工位布局，如圖4所示。

圖4 H型對稱式雙工位整體布局Fig.4 Workstation Layout of H-form

3 夾具系統設計、仿真與優化

根據鐵軌S型支腳工件的夾具設計需求，在Solidworks軟件中分別對夾具體、定位機構以及夾緊機構的三維模型進行設計。

3.1 夾具體設計

鐵軌支腿焊接夾具體設計主要包括夾具梁、基板、連接板等部分，各個部分通過焊接連接成一體，如圖5所示。

圖5 夾具梁結構設計Fig.5 Structure Design of the Clamping Apparatus

圖5中夾具梁起支承基板、工件和夾具其它部分的作用，具有足夠的強度和剛度，底梁由方鋼焊接而成。連接板焊接在夾具梁的兩端，在其兩側安裝快換接口，可通過快換接口和變位機的驅動單元與其從動單元相連。基板焊接在夾具梁之上，夾具其它部分可直接安裝在基板之上。

3.2 定位機構設計

本設計定位器共包括S腿側板定位器、S腿中間支撐塊定位器、S腿中間支撐板定位器、S腿端頭支撐塊定位器及側板頭部支撐定位器五部分組成。為保證焊接質量，采用六點定位原理[8]對各部件定位器展開設計。

由S腿側板形狀、尺寸以及各種定位元件的結構特點選擇擋塊與定位塊作為定位元件來設計其定位機構，如圖6所示。

圖6 側板定位器Fig.6 Positioner of S-Shaped Side Panel

由圖6可知，根據六點定位原理選擇側板外側面作為第一基準面，擋塊1、2、3與定位銷作為支撐點共同構成支承面，消除側板3個自由度，即沿OX軸的移動，OZ軸與OY軸的轉動；定位塊1可看作是在同一直線上的定位支撐點4、5，消除了側板2個自由度，即沿OY軸的移動以及OX軸的轉動；定位塊2則消除側板的最后一個自由度，即沿OZ軸的移動。根據相同原理設計了工件其余幾個部分的定位機構。

3.3 夾緊機構設計

工件在夾具上的安裝包括定位和夾緊兩個過程。在焊接過程中，為使工件在夾具的規定位置保持不變，用夾緊裝置將工件夾緊，能保證工件上的定位基準和夾具的定位表面可靠接觸，防止焊接過程中的移動或變形。

以鐵軌S型支腳側板為例，其夾緊裝置設計，如圖7所示。

圖7 S腳側板夾緊裝置Fig.7 Design of S-Shaped Workpiece Side Panel Clamping Mode

夾緊方式采用氣動夾緊，通過定位器安裝于滑軌上，由氣缸推動定位器帶動工件平動至限定位置完成，工件其余部分的夾緊裝置設計與此類似。

本夾具系統夾緊機構夾緊力由氣缸產生，氣缸的類型選擇對定位夾緊機構的運動方式，以及夾緊力大小具有重要影響，為避免機構運動不協調，焊接時工件脫落或變形，結合工件所需夾緊力及推導得到氣缸缸徑計算公式：

式中：m—氣缸負載質量，kg；η—負載率；μ—氣缸負載的摩擦系數；P—氣源壓力，Pa。

以S支腳側板為例，質量為8kg，依據式（1）可得：D=0.052m。

考慮到安全系數，按標準選定氣缸缸徑為63mm，依實際工況及標準選取行程為35mm，最終確定氣缸型號為CDQ2B63-35DZ。

依此方法選取其余氣缸，如表1所示。

表1 氣缸型號選擇Tab.1 Cylinder Type Selection

根據表1對氣缸進行布局設計，氣缸分布在夾具的正反面，S型工件夾具一共有12 個氣缸，其中型號為CDQ2B63-35DZ 和CDQ2B80-35DZ的6個氣缸分別用來壓緊3套工件的左、右側板，型號為MGPM25-25Z氣缸用來壓緊工件中間支撐板。

3.4 焊接系統仿真

焊接系統夾具部分的機械結構設計，只能反映夾具外形、尺寸等靜態特征，不能反映機構間的動態關聯。為進一步檢驗夾具體與機器人及焊槍等機構配合使用情況，利用MOTOSIM 仿真軟件在虛擬環境中對弧焊工作站進行運動仿真與干涉性分析。

3.4.1 確定機器人和變位機位置

在確定好機器人型號后，機器人的可達范圍就確定了，然而變位機與機器人之間的距離及機器人的高度直接影響機器人是否能夠完成焊接任務。通過MOTOSIM 軟件進行仿真來確定變位機與機器人之間的距離及機器人高度。在仿真過程中將機器人底座中心設為坐標系原點，機器人的水平位置不變，通過改變變位機的位置不斷進行仿真，得出變位機最佳位置。

3.4.2 檢查機器人與焊接夾具是否存在干涉

在確定機器人型號及變位機與機器人之間位置后，雖然機器人可以對焊件最遠端的焊縫進行焊接，但是仍需考慮機器人焊接過程中與工作站其余部件間干涉問題，為此，通過仿真對干涉進行檢驗，如圖8所示。結果表明，通過適當調整機器人焊接軌跡、位置及姿態，未發生干涉現象。

圖8 機器人對S形工件最遠端焊縫進行焊接Fig.8 The Robot Welds the Farthest Weld Seam of S-Shape Workpiece Positive Side

3.4.3 離線編程

通過使用MOTOSIM軟件進行仿真編寫離線程序，將程序以JBI格式下載到示教盒中，使現場示教人員只需要部分、少量地修改離線程序，即可將離線程序投入到實際生產中，從而提高示教效率，節約現場示教時間，大大縮短項目調試周期。

由焊接仿真可知，機器人的可達范圍半徑需在2000mm 以上，而本系統所選的安川MA2010 弧焊機器人工作范圍是2100mm，符合系統需求；通過編寫的離線示教程序模擬了完整的焊接過程并確認工作節拍，其工作節拍滿足要求，焊接過程中機器人能夠以合適姿態對工件的焊縫進行焊接，且并未與焊接設備或者工件發生碰撞干涉，驗證了焊接方案設計可行。

3.5 夾具體優化

拓撲優化是實現機械結構輕量化的有效方法。拓撲優化認為，在保證結構強度、剛度前提下，減少結構質量等效于減小結構的單元體積，而體積的減小取決于材料的偽密度[9]。依此，夾具體的優化模型可表示為：

式中：m—夾具體質量，kg；f—目標函數；ηi—每個單元i偽密度，kg/m3；N—單元數，個；V—優化前單元體積，m3；δ—質量減少百分比；V0—優化后單元體積，m3。

依據上述優化理論，采用ANSYS有限元分析軟件對夾具體開展輕量化設計，優化后得到夾具體應力云圖，如圖9所示。夾具體變形云圖，如圖10所示。

圖9 優化后受力云圖Fig.9 Stress Distribution After Optimization of Clamping Apparatus

圖10 優化后變形云圖Fig.10 Deformation Distribution After Optimization of Clamping Apparatus

由圖10可知，優化后夾具體應力最大值為122.13MPa，最大變形為1.16mm，質量為712kg；而優化前最大應力為73.9MPa，最大變形為0.394mm，質量為910kg。由優化前后靜力學分析結果對比可知，優化后的夾具體結構符合強度及剛度設計要求，其質量也減少了198kg，相當于優化前質量減輕了21.76%，輕量化效果比較明顯。

4 弧焊工作站控制系統設計

4.1 工作站總體控制方案

弧焊工作站的控制系統包括機器人控制系統、焊接電源控制系統、變位機控制系統、夾具控制系統、卷簾門控制系統、光柵控制系統以及安全門鎖控制系統等。弧焊工作站采用安川首鋼機器人有限公司的DX200控制柜搭載的控制系統。

所有的設備均與DX200控制柜通信，實現對整個工作站的控制，如圖11所示。

圖11 弧焊機器人控制系統結構圖Fig.11 Data Exchanging Communication Schematic Diagram of the Welding Control System

由圖11可知，通過現場總線控制焊接機器人本體的運動，將機器人臂送至預期工位，變位機則是通過外部軸控制基板作為一個外部軸被控制的。

在DX200控制柜的通用基板上，接有如副操作盤、卷簾門等用于實現通用功能的設備，通過控制這些設備在電路中的高低電平來控制設備動作。而夾具則是通過擴展Devicenet基板上的I/O接口，再運用現場總線對夾具進行遠程控制。基于對工作人員人身安全保護的因素考慮，安全門鎖被打開時，焊接系統應立刻停止運行，可防止工作人員被正在工作的設備誤傷害，其安全級別較高，因此將其接在控制柜的專用基板上，可進一步保障焊接系統的安全性。

4.2 夾具遠程控制設計

夾具控制系統由DeviceNet ECO 現場總線適配器通過現場總線與DX200 控制柜連接。由DX200 控制柜給DeviceNet ECO現場總線適配器發送信號，適配器根據接收到的信號后向對應的電磁閥發送數字量信號，從而控制氣缸的夾緊、打開并檢測氣缸的到位情況，夾具電路系統結構，如圖12所示。

圖12 夾具電路系統結構圖Fig.12 Circuit System Structure Diagram of Fixture Mechanism

夾具氣路系統包括外部氣源、中控箱、端子箱及匯流板等主要部件。通過利用安裝在氣缸上面的電磁閥實現氣缸的排氣或進氣，進而完成氣缸的松開或夾緊運動控制。一個電磁閥可控制多個不同的氣缸進行運動，S型工件夾具系統中運用了5個電磁閥來控制12個氣缸。

5 焊接性能試驗

5.1 焊接方法的選擇

鐵軌支腳工件屬于機械零件類，接頭較短且有規則，工件材料為Q235 普通碳鋼，厚度12mm，屬于低碳鋼薄板焊接，焊縫較多，且屬不同的焊縫位置類型，焊接時應盡量減少飛濺，焊縫應該平滑、美觀。基于以上因素，本焊接系統擬采用熔化極氣體保護焊中的熔化極混合氣體保護焊（MAG焊）[10]。

5.2 焊接試驗

焊接過程中，不同的焊接電流、電壓參數對工件的焊接質量有直接影響。因此，采用正交試驗設計方案并基于試驗結果選取合適的電流、電壓參數。該方案中共有兩個因素，每個因素選取3個水平，其正交試驗，如表2所示。表中：A—焊接電流，B—焊接電壓。

表2 因素水平Tab.2 Factors Level

根據上述試驗設計，共進行了9組試驗，設計方案及測試結果，如表3所示。

表3 焊接試驗結果Tab.3 Results of Welding Test

由表3可知，焊接電流與電壓對工件焊縫的熔深與熔寬均有一定影響，隨著焊接電流的增大，焊縫的熔深會增加；焊接電壓增大，焊縫的熔寬也會增加。由工件的焊接技術要求可知，上述試驗結果中只有185A電流與22V電壓參數組合的試驗結果與其相符合。因此，選擇本焊接工作站的焊接電流為185A，焊接電壓為22V，依據上述焊接工藝參數對工件進行焊接，得到螺紋塊與側板間焊縫，如圖13所示。端頭支撐塊處焊縫，如圖14所示。

圖13 S型工件焊接結果AFig.13 Results A of S-Sshape Workpiece Welding Test

圖14 S型工件焊接結果BFig.14 Results B of S-Shape Workpiece Welding Test

從焊接結果可知，工件各分部件位置緊密貼合，工件焊接位置正確，焊縫均勻且呈魚鱗狀，工件表面未出現變形，驗證了整個工作站設計的合理性。

6 結論

（1）根據待焊工件結構與焊縫特點，確定了鐵軌S型支腳機器人自動焊接系統的方案設計；基于六點定位原理，完成夾具系統機構設計、焊接運動仿真與夾具體優化，優化后夾具體質量減少21%。

（2）結合鐵軌支腳自動焊接系統控制需求，完成本焊接系統的控制方案設計，并在此基礎上完成夾具系統的遠程控制設計。通過正交試驗，選擇合理的電流、電壓進行工件焊接試驗，焊接試驗結果表明，工作站可完成S型板件的焊接，且焊件間緊密貼合，焊縫呈均勻的魚鱗狀分布，達到焊接要求。

（3）設計的S型板材焊接工作站，能夠滿足各項設計指標，保證鐵軌支腳工件焊接質量，可為板材類工件焊接工作站的設計奠定基礎。