楊啟杰，龔勝峰

1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧 530007 2.珠?？朴附悠鞑挠邢薰?廣東珠海 519015

1 序言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。在整個(gè)汽車配件制造中，車橋是所有汽車配件中至關(guān)重要的一個(gè)大部件[1]。隨著“中國制造2025”加快制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，焊接機(jī)器人在車橋殼體焊接生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)，機(jī)器人焊接在提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，不僅僅是單純的替代人工，更是提升制造業(yè)效率與柔性的重要手段。目前，國內(nèi)車橋殼體焊接生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)器人普遍存在的主要問題是沒有針對(duì)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接順序、焊接過程軌跡點(diǎn)設(shè)置、焊接參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，大多只是模擬人工操作的動(dòng)作執(zhí)行已編輯好的程序[2]，并應(yīng)用機(jī)器人廠商配置的焊接工藝進(jìn)行焊接生產(chǎn)，以至影響了焊接機(jī)器人系統(tǒng)最大效能的發(fā)揮。

機(jī)器人焊接的焊槍與焊縫相對(duì)位置關(guān)系以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性直接決定焊縫質(zhì)量。為了保證車橋殼體的焊接質(zhì)量，必須根據(jù)車橋殼體的焊接結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的運(yùn)行特點(diǎn)，有針對(duì)性地優(yōu)化焊接順序、機(jī)器人焊接路徑軌跡點(diǎn)的設(shè)置、特殊位置（如拐角）的焊接參數(shù)等，以發(fā)揮機(jī)器人焊接的最大效能，達(dá)到保證質(zhì)量、提高效率、降低成本的目的。

2 車橋殼體結(jié)構(gòu)

車橋的作用是承受汽車的載荷，維持汽車在道路上的正常行駛，而車橋殼體的焊縫質(zhì)量是影響內(nèi)部零件質(zhì)量的關(guān)鍵。車橋殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示（紅色部分為殼體的焊縫組成），焊接裝配如圖2所示。

圖1 車橋殼體結(jié)構(gòu)及焊縫組成

圖2 車橋殼體焊接裝配圖

3 車橋殼體焊接技術(shù)要求

（1）車橋殼體材料 選用厚度為5mm的16Mn鋼。

（2）接頭形式 對(duì)接接頭。

（3）焊接位置 水平位置。

（4）機(jī)器人 M-10iA/機(jī)器人本體、R-30iB Mate控制柜。

（5）焊接電源 TPS5000TIME高速焊機(jī)。

（6）技術(shù)要求 具體要求如下。

1）采用25%CO2+25%He+50%Ar三元混合氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接；焊絲牌號(hào)CG3Si1，?1.2mm；通過手動(dòng)操作機(jī)器人編程由PLC控制完成焊接作業(yè)。

2）焊縫質(zhì)量要求。焊縫外觀質(zhì)量要求見表1，焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合GB/T 3323—2019中的Ⅲ級(jí)規(guī)定，熔深大于板厚t的75%。

表1 焊縫外觀質(zhì)量要求

4 焊接路徑優(yōu)化函數(shù)

根據(jù)焊槍與焊縫相對(duì)位置關(guān)系（見圖3），為使焊槍位姿變換到與焊點(diǎn)位姿重合，避免焊偏，根據(jù)焊槍的工作角α、行走角β、自轉(zhuǎn)角γ之間關(guān)系，采用船形焊接，根據(jù)粒子群算法進(jìn)行焊接路徑優(yōu)化，建立焊接路徑優(yōu)化函數(shù)，調(diào)整機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的可達(dá)性，焊接姿態(tài)函數(shù)如下[3]：

k1，k2——焊槍工作角和行走角之間的權(quán)重系數(shù)，考慮工作角和行走角對(duì)焊接質(zhì)量的影響，分別取k1=0.15，k2=0.85；

Δαimax，Δβimax——實(shí)際與理想的工作角和行走角之間允許的最大偏差（°）；

αi，βi——實(shí)際工作角與行走角（°）；

α0，β0——理想工作角與行走角（°）。

船形焊時(shí)的角度為0°，焊接姿態(tài)函數(shù)為：

圖3 焊槍焊縫相對(duì)位置關(guān)系

5 焊接順序和軌跡點(diǎn)設(shè)置的優(yōu)化

針對(duì)車橋殼體結(jié)構(gòu)及原焊接工藝進(jìn)行分析，分別對(duì)殼體焊縫的焊接順序、機(jī)器人焊接路徑軌跡點(diǎn)的設(shè)置、交匯點(diǎn)（即Y形焊縫結(jié)點(diǎn)）焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化（見圖4、圖5）。

圖4 優(yōu)化前焊接方案

圖5 優(yōu)化后焊接方案

圖4為優(yōu)化前焊接方案，焊接參數(shù)見表2。整個(gè)殼體Y形焊縫由1、2、3三段組成，在后橋殼體與菱形板角接處交匯，焊接順序?yàn)楹缚p2（在B點(diǎn)起弧至交匯點(diǎn)）→焊縫1（在交匯點(diǎn)起弧，與焊縫2收弧點(diǎn)重疊，向A點(diǎn)焊接）→焊縫3（在交匯點(diǎn)起弧，與焊縫2收弧點(diǎn)重疊，向C點(diǎn)焊接）進(jìn)行焊接。

表2 優(yōu)化前車橋殼體機(jī)器人焊接參數(shù)

圖5為優(yōu)化后焊接方案，焊接參數(shù)見表3。整個(gè)殼體Y形焊縫由1、2兩段組成，在后橋殼體與菱形板角接處交匯，焊接順序?yàn)楹缚p1（在A點(diǎn)起弧至交匯點(diǎn)）→焊縫2（在B點(diǎn)起弧，在交匯點(diǎn)覆蓋焊縫1收弧點(diǎn)，向C點(diǎn)焊接）。針對(duì)后橋殼體與菱形板交接處易出現(xiàn)的焊接質(zhì)量缺陷，設(shè)置交接處拐角焊縫三點(diǎn)軌跡點(diǎn)，同時(shí)，拐角采用表3焊縫參數(shù)進(jìn)行焊接。

表3 優(yōu)化后車橋殼體機(jī)器人焊接參數(shù)

6 焊接工藝優(yōu)化結(jié)果分析

（1）從焊接質(zhì)量角度分析 圖4交匯點(diǎn)為焊縫2的收弧點(diǎn)、焊縫1和焊縫3的起弧點(diǎn)在后橋殼體與菱形板交接處重疊，焊縫寬度增加，余高過高，外觀尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在匯集點(diǎn)收弧、起弧交替進(jìn)行，熱輸入增大，熔池鐵液流動(dòng)性和擴(kuò)展性差，易出現(xiàn)焊穿、焊漏、未熔合、氣孔及夾雜等缺陷，內(nèi)部質(zhì)量不合格。

根據(jù)車橋殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)器人焊接路徑軌跡點(diǎn)設(shè)置的優(yōu)化，如圖5所示，由1、2兩段焊縫組成，熱輸入減小，可避免焊穿或焊漏，同時(shí)還可避免在車橋殼體與菱形板接合處產(chǎn)生收弧、起弧交替，焊縫2一次成形，在交匯點(diǎn)焊縫2焊接時(shí)對(duì)焊縫1收弧點(diǎn)進(jìn)行再次重熔，使1、2兩段焊縫比較好地熔合，達(dá)到技術(shù)要求的焊接熔深（見圖6），保證交匯點(diǎn)焊縫質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求（見圖7、圖8）。

圖6 焊接工藝優(yōu)化后產(chǎn)品焊縫熔深

圖7 焊接工藝優(yōu)化后車橋

圖8 車橋殼體

（2）從焊接效率和成本角度分析 從圖4的焊槍行走軌跡可知，在焊接焊縫1后，在A點(diǎn)收弧，之后焊槍將行走到焊縫2的B點(diǎn)起焊，完成焊縫2的焊接。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖1可知，A點(diǎn)與B點(diǎn)直線距離約為650mm，以焊接速度800mm/min測(cè)算，焊槍從A點(diǎn)行走到B點(diǎn)所用時(shí)間約為0.8125min，之后完成焊縫2后再從三段焊縫匯集點(diǎn)起焊完成焊縫3的焊接。以100件產(chǎn)品為例，焊槍從A點(diǎn)行走到B點(diǎn)的時(shí)間為81.25min。因此，在保證質(zhì)量的前提下，焊槍未施焊時(shí)間占比較大，焊接效率較低。

從圖5的焊槍行走軌跡可知，在A點(diǎn)起焊完成焊縫1，在兩段焊縫交點(diǎn)處收弧，之后焊槍行走至焊縫2的B點(diǎn)起弧焊接，直到焊縫2的C點(diǎn)收弧，完成焊縫2的焊接。焊槍在完成這兩段焊縫的整個(gè)生產(chǎn)過程中，未施焊過程只有從A點(diǎn)行走至B點(diǎn)。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可知，A點(diǎn)與B點(diǎn)直線距離約為150mm，以焊接速度800mm/min測(cè)算，焊槍從A點(diǎn)行走到B點(diǎn)所用時(shí)間約為0.1875min。同樣以100件產(chǎn)品為例，焊槍從A點(diǎn)行走到B點(diǎn)的時(shí)間為18.75min。優(yōu)化后與優(yōu)化前對(duì)比，未施焊時(shí)間節(jié)省了62.5min，焊接效率明顯提高，大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)過程。

因此，焊接工藝的優(yōu)化是發(fā)揮焊接機(jī)器人最大效用的關(guān)鍵。從車橋焊接工藝優(yōu)化前后對(duì)比可知，經(jīng)過優(yōu)化后，質(zhì)量得到進(jìn)一步提升，焊接效率大大提高，成本得到有效降低。

7 結(jié)束語

本文根據(jù)車橋殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)殼體的焊接過程進(jìn)行了焊接順序、機(jī)器人焊接路徑軌跡點(diǎn)的設(shè)置、特殊位置（如拐角位置）焊接參數(shù)等的工藝優(yōu)化。試驗(yàn)和生產(chǎn)結(jié)果表明，焊接工藝優(yōu)化后，焊接質(zhì)量好，焊接效率顯著提高，生產(chǎn)成本有效降低。因此，在實(shí)際的機(jī)器人焊接生產(chǎn)中，為達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量、效率和成本的最優(yōu)效果，非常有必要對(duì)焊接順序、機(jī)器人焊接路徑軌跡點(diǎn)設(shè)置、焊接參數(shù)以及焊槍行走節(jié)拍等進(jìn)行科學(xué)合理的配置。