全鴻偉，陳炳森，陳劍彬，丁錫志

(1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023；2.廣西徐沃工程機械設(shè)備有限公司，南寧530105)

0 前言

微型挖掘機除可完成小型挖溝、清淤、裝載等工作之外，通過簡單更換工作裝置后還可進行起重、夯土、澆筑、安裝等工作。隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展步伐不斷加快，微型挖掘機已逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必備工具。由于微型挖掘機大部分結(jié)構(gòu)件均為焊接件，其焊接工作量占產(chǎn)品生產(chǎn)總工時的30%以上，如何有效提升焊接作業(yè)效率，提高焊接質(zhì)量，成為制造企業(yè)重要考慮的問題之一。

機器人是一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置［1］。隨著中國裝備制造的轉(zhuǎn)型升級和工業(yè)機器人應(yīng)用的不斷推廣，采用工業(yè)機器人來完成批量金屬結(jié)構(gòu)件的焊接不僅技術(shù)可行，而且質(zhì)量易控、效率高、成本低、操作人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可完成相應(yīng)操作，對于當(dāng)前面臨熟練焊接技術(shù)工人緊缺，產(chǎn)品產(chǎn)能受限的制造企業(yè)而言，采用工業(yè)機器人來完成結(jié)構(gòu)件大部分焊縫的焊接工作，成為中小型制造企業(yè)的首選。SW25-8微型挖掘機年產(chǎn)量已達到500 臺以上，具備了批量生產(chǎn)的條件，為提升動臂焊接質(zhì)量和效率，降低焊接的勞動強度，設(shè)計并研制了一套工業(yè)機器人焊接系統(tǒng)來完成動臂的焊接。

1 微型挖掘機動臂焊接工藝分析

SW25-8 微型挖掘機動臂結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，1、4、6、7 等處軸承支座經(jīng)車削加工成形后，與上下面板、左右側(cè)面板，以及各軸承座的肋板通過焊接組成。動臂上下面板及側(cè)面板均選用6 mm 厚的Q355B 低合金高強度鋼板，上下面板采用激光切割下料再經(jīng)卷板成形，左右側(cè)面板直接激光切割成形。圖2(a)為動臂的平面圖，其1 和6 軸承支座孔間距為2 000 mm，動臂彎曲方向尺寸為600 mm。

圖1 SW25-8 微挖動臂結(jié)構(gòu)示意圖

動臂結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但尺寸較大，焊縫較多且有空間曲線，焊接工作量大，圖2(b)為上下面板與左右側(cè)面板的焊縫，單側(cè)長達3 850 mm，必須對兩條長焊縫分段對稱焊接，以避免過大的焊接應(yīng)力和變形，具體焊接工藝如下：

(1)利用工裝夾具，先定位并點焊固定上下左右面板，形成動臂主體結(jié)構(gòu)。

(2)定位點焊各軸承支座及肋板。

(3)分段對稱焊接上下面板與左右側(cè)面板的長焊縫。

(4)焊接各軸承支座及肋板。

(6)焊接各油管支架。

圖2 動臂工程圖及主要焊縫示意圖

2 基于工業(yè)機器人的動臂自動焊接系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)機器人常用于完成搬運、碼垛、焊接、噴漆、打磨、裝配等工作，但不同用途的機器人，其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用還是有較大區(qū)別的。機器人本體可以是通用的，但工作任務(wù)不同、工作對象不一致，機器人的結(jié)構(gòu)就不一樣。對于焊接用工業(yè)機器人，可根據(jù)焊接的對象和任務(wù)，在通用機器人基礎(chǔ)上，集成相應(yīng)的工裝夾具以及動作機構(gòu)，才可以完成相應(yīng)的焊接作業(yè)。

SW25-8 微型挖掘機動臂焊縫長，在焊接過程中需要不斷翻轉(zhuǎn)實行對稱焊接，因此，針對動臂的焊接作業(yè)進行了系統(tǒng)的設(shè)計，總體布置方案如圖3 所示，主要組成包括焊接機器人、雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機、機器人移動導(dǎo)軌、自動CO2保護焊機、焊槍清槍站、平衡吊等。

2.1 焊接機器人選型

結(jié)合SW25-8 微型挖掘機動臂的結(jié)構(gòu)特點及焊接要求，焊接過程中除需要控制焊槍的空間移動及定位之處，還要控制機器人在導(dǎo)軌方向的移動和工件借助變位機實現(xiàn)的回轉(zhuǎn)運動。常見的焊接機器人焊槍空間移動及定位需要六個自由度，而本項目用于實現(xiàn)動臂焊接的機器人應(yīng)具備八個自由度，即需要控制八個軸的伺服電動機。

圖3 動臂自動焊接總體布置圖

為了便于實現(xiàn)動臂焊接八個自由度的控制，有兩種方案可選。

方案一：可選擇通用六軸焊接機器人再加上1臺PLC(可編程控制器)及觸摸屏組成，由六軸焊接機器人控制器實現(xiàn)焊槍空間移動控制及焊機控制，由PLC 負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)焊接程序的選擇、 工作啟停以及機器人在導(dǎo)軌上的移動控制和變位機的回轉(zhuǎn)運動控制。機器人移動導(dǎo)軌及變位機回轉(zhuǎn)的伺服電動機可根據(jù)需要單獨配置，PLC 通過PTO 脈沖以及行程開關(guān)、 伺服電動機驅(qū)動器實現(xiàn)對機器人移動及工件回轉(zhuǎn)運動伺服電動機的控制。

方案二：直接采用九軸焊接機器人，除了六個軸用于焊接機器人本體(焊槍空間移動及定位)，再用第七軸用于控制機器人在導(dǎo)軌上的移動，用第八軸控制變位機回轉(zhuǎn)運動，并實現(xiàn)八軸聯(lián)動控制［2］，實現(xiàn)動臂焊接所需要的各種運動和姿態(tài)控制。此外，再配備一個遠(yuǎn)程操作面板，安裝啟動、暫停、急停按鈕用于日常操作，具體焊接程序則由示教器來選擇。

兩種方案相比，各有優(yōu)缺點，對于方案一，操作方便，焊接程序可在與PLC 連接的觸摸屏上選擇，但要實現(xiàn)機器人在導(dǎo)軌上移動和變位機回轉(zhuǎn)運動與其它六個軸實現(xiàn)聯(lián)動控制則較為困難；對于方案二，最大的優(yōu)點在于焊接所需要的八軸可實現(xiàn)聯(lián)動控制，因此，本項目選擇了方案二，選用了1 臺國產(chǎn)九軸控制的焊接機器人。

2.2 移動導(dǎo)軌設(shè)計

常見機器人移動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)有多種型式，考慮到本項目機器人移動部分的重量不大，為了獲得較高的定位精度，決定采用直線導(dǎo)軌+斜齒輪齒條的結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)件包括基礎(chǔ)鋼架、2 條導(dǎo)軌。4 個滑塊以及安裝平板、機器人基座。

機器人基座固定在安裝平板上，平板再固定安裝在導(dǎo)軌滑塊上，通過兩條平行導(dǎo)軌承受機器人移動部分的全部重量并傳遞至基礎(chǔ)鋼架和地面上。固定在安裝平板上的伺服電動機通過軸端斜齒輪和固定在基礎(chǔ)鋼架上的斜齒條傳動帶動安裝平板及其上的機器人在導(dǎo)軌上移動，實現(xiàn)機器人移動控制。

結(jié)合考慮動臂的結(jié)構(gòu)尺寸，移動導(dǎo)軌的總長度取3 000 mm，直線導(dǎo)軌副如圖4 所示。

圖4 機器人移動用直線導(dǎo)軌副

2.3 變位機選型

變位機是焊接輔助設(shè)備，主要用于焊接過程中實現(xiàn)待焊接工件的回轉(zhuǎn)變位，以獲得所需的加工位置，實現(xiàn)連續(xù)焊接。其應(yīng)能夠與焊接機器人聯(lián)動控制，以組成自動焊接系統(tǒng)。

變位機有多種類型，本項目變位機主要用于實現(xiàn)對動臂的回轉(zhuǎn)控制，考慮到動臂的結(jié)構(gòu)尺寸和重量均較大，因此，選用雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機，其一端立柱安裝伺服電動機驅(qū)動裝置作為主動端，帶動兩立柱間工作平臺沿一個回轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，另一端隨主動端運動。

綜合考慮動臂的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇變位機的工作平臺長度為3 000 mm，平作臺寬度為200 mm，同時，為便于操作，將焊接系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作面板(安裝有啟動、暫停、急停按鈕)安裝在變位機的立柱上。

2.4 電焊機選型

電焊機的選擇，首要考慮的是焊接方式和焊接電流大小，而焊接電流的大小與焊件厚度、 接頭型式、焊接位置、焊條型號、焊條直徑、焊接速度均有關(guān)，為獲得較好焊接質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率，本項目選用廣泛應(yīng)用于全自動化焊接的CO2保護焊機。

對于CO2保護焊，焊接電流的大小主要取決于焊接送絲的速度。焊接送絲速度越快，則焊接電流就越大?？紤]到動臂焊接鋼板的厚度達6 mm，焊絲直徑可選1.6 mm、2.0 mm、2.5 mm，

為保證一定的焊接電流安全裕量和較高的焊接速度，選擇最大焊接電流應(yīng)達400A 以上的電焊機。

經(jīng)市場調(diào)研后，選用Ehave CM500 型全數(shù)字IG BT 逆變CO2保護電焊機(含送絲機構(gòu)、 焊槍及清槍站)，其采用微機全數(shù)字化控制，輸入容量24 kVA 的3 相交流電源，電流輸出 30～500 A，送絲速度 1.4～24 m/min，可接收機器人控制器輸出的4～20 mA 模擬量信號實現(xiàn)焊接電流的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.5 平衡吊選型

為了實現(xiàn)動臂在變位機上的安裝與調(diào)整，需要配置一套吊運設(shè)備。結(jié)合圖3 所示的布置圖和動臂的重量，選擇1 臺額定起重量為300 kg、工作半徑為2 500 mm 的PJ030 型機械平衡吊。

平衡吊利用三相交流異步電動機通過驅(qū)動螺母轉(zhuǎn)動從而帶動絲桿上升來實現(xiàn)貨物吊運，同時靠主吊桿后端的平衡塊來平衡起吊時的重力，從而使運動平滑，操作省力，避免工作時形成側(cè)翻力矩而導(dǎo)致設(shè)備傾倒。同時為了便于動臂的安裝與調(diào)整，給平衡吊設(shè)計制作了一個可移動式底座，工作時，可根據(jù)需要萬向移動整個平衡吊。實物如圖5 所示。

圖5 機械平衡吊實物

3 動臂機器人焊接系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)前述SW25-8 微型挖掘機動臂自動焊接系統(tǒng)的方案設(shè)計，項目選用了1 臺國產(chǎn)九軸控制(有一軸為備用)的宏太焊接機器人，訂購了長度為3 000 mm、配備2 個滑塊的滾珠直線導(dǎo)軌2 套和長度為3 000 mm 的雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機1 臺，訂購了焊接電流達500 A 的全數(shù)字IGBT 逆變CO2保護電焊機1 套以及機械平衡吊1 臺，設(shè)計制作了機器人移動導(dǎo)軌的基礎(chǔ)鋼架、安裝平板和機器人固定底座，選配了相應(yīng)的伺服電動機、斜齒輪和齒條、導(dǎo)軌風(fēng)琴式防護罩。

整個系統(tǒng)配置、安裝完成后，使用機器人示教器協(xié)調(diào)配對好機器人控制器與第七軸(機器人移動)和第八軸(變位機回轉(zhuǎn))伺服電動機及驅(qū)動器的參數(shù)，實現(xiàn)八軸聯(lián)動控制。之后將定位點焊后的動臂主體結(jié)構(gòu)安裝于變位機上進行了試焊，效果良好。焊接現(xiàn)場如圖6 所示。

圖6 動臂機器人焊接現(xiàn)場

4 結(jié)束語

項目自2019 年1 月投產(chǎn)后，經(jīng)過2 個多月的磨合以及對焊接程序的完善和對焊接參數(shù)的不斷優(yōu)化，單個動臂的安裝和焊接時間約為40 min，比人工焊接大約快了40 min，同時，焊接速度穩(wěn)定，焊縫尺寸均勻，采用翻轉(zhuǎn)對稱焊接，焊縫應(yīng)力小，變形量也明顯優(yōu)于人工焊接，焊接質(zhì)量和效率達到了預(yù)期的目標(biāo)。同時，在生產(chǎn)過程中也發(fā)現(xiàn)定位點焊后的動臂主體結(jié)構(gòu)如果存在較大的尺寸誤差時，會直接影響到最后的焊縫位置和焊接質(zhì)量，需要在焊接前把好鋼板卷板以及點焊主體結(jié)構(gòu)成型的質(zhì)量，才能更好地發(fā)揮本系統(tǒng)的作用。