劉振國(guó)，金武飛，雷 霆，曹云翔

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 前言

短周期拉弧式螺柱焊作為當(dāng)前的主流電弧螺柱焊技術(shù)[1-2]，在不銹鋼開關(guān)柜領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]，但多數(shù)以手工焊接為主，生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量一致性較差，自動(dòng)化程度偏低。特別是我國(guó)高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展[4-5]，對(duì)不銹鋼高壓開關(guān)柜的需求十分旺盛，促使螺柱焊接技術(shù)加速轉(zhuǎn)型，再加之當(dāng)前用工成本居高不下，提高螺柱焊的自動(dòng)化程度已迫在眉睫。目前國(guó)外一些公司如Soyer、Taylor等已開發(fā)出CNC自動(dòng)螺柱焊設(shè)備，但此類設(shè)備柔性較差，應(yīng)用受到一定限制[6]。為此，結(jié)合該行業(yè)特點(diǎn)，提出采用成熟的工業(yè)機(jī)器人對(duì)柜體進(jìn)行雙（多）工位焊接，如圖1所示。

1 系統(tǒng)組成

機(jī)器人螺柱焊工作站主要由工業(yè)機(jī)器人、頭尾架式變位機(jī)、焊槍交換臺(tái)、螺柱自動(dòng)焊接系統(tǒng)(包括焊接電源、自動(dòng)送釘機(jī)、自動(dòng)焊槍)、尋位檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及其他安裝附件等組成。其中焊槍交換臺(tái)通過快換工具可實(shí)現(xiàn)0#檢測(cè)探針、1#焊槍、2#焊槍的自動(dòng)可靠切換，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格螺柱的焊接。

圖1 雙工位機(jī)器人螺柱焊接工作站效果圖Fig.1 Sketch of robot stud welding station with two positioners

2 焊接中存在的關(guān)鍵問題

2.1 可靠自動(dòng)換槍

機(jī)器人在檢測(cè)與焊接時(shí)，需要自動(dòng)取放檢測(cè)探針和焊槍，因此兩者可靠迅速取放成為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接的前提。項(xiàng)目中焊槍交換臺(tái)共三個(gè)槍位，采用如圖2所示氣動(dòng)式快換工具（含集成電模塊）進(jìn)行切換，該工具設(shè)計(jì)巧妙，具有斷氣自鎖功能并有相應(yīng)的到位傳感器，能可靠反映快換工具的當(dāng)前狀態(tài)。

圖2 快換工具Fig.2 Fast Tool Changer

2.2 自動(dòng)尋位檢測(cè)

一般不銹鋼高壓開關(guān)柜板厚約3 mm，由激光切割成型且柜體尺寸較大，因而切割焊接變形在所難免。為保證螺柱焊接的位置度和垂直度，在焊接之前先通過尋位檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)十分必要。

通過借鑒弧焊系統(tǒng)中的接觸尋位功能，設(shè)計(jì)了適用于本系統(tǒng)的自動(dòng)尋位檢測(cè)系統(tǒng)，原理如圖3所示。檢測(cè)探針首先從尋起點(diǎn)以較低搜索速度接近待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)接觸到該點(diǎn)時(shí)，高速檢測(cè)回路導(dǎo)通，機(jī)器人立即返回并記錄下該點(diǎn)坐標(biāo)信息。

圖3 接觸尋位原理Fig.3 Touch sensing principle

對(duì)于柜體的每個(gè)待焊面均需要檢測(cè)7個(gè)點(diǎn)，其中點(diǎn)P1～P3反映工件的高度z向偏移，點(diǎn)P4～P7反映工件的橫向x、y偏移與旋轉(zhuǎn)偏移，如圖4所示。利用這些點(diǎn)通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換計(jì)算出一個(gè)特定的工件坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系下示教焊接起始點(diǎn)。這樣每次重新裝夾一個(gè)柜體工件，機(jī)器人重新拾取檢測(cè)探針，調(diào)用自動(dòng)檢測(cè)程序，刷新工件坐標(biāo)系和焊接起始點(diǎn)。最大程度上減小焊接變形與裝夾偏差帶來的不利影響，提高螺柱焊接的精度。

圖4 7點(diǎn)尋位檢測(cè)Fig.4 Touch sensing based on seven points

2.3 保證螺柱的提升高度

提升高度是指焊接過程中螺柱從工件表面向上提起的高度，該高度是保證可靠引弧和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接最重要的參數(shù)，如圖5所示。一般提升高度取決于待焊螺柱的直徑，對(duì)于M8螺柱，提升高度約1.8 mm。目前較成熟的自動(dòng)送釘機(jī)產(chǎn)品多采用壓縮空氣傳送焊釘，但在焊釘被送至焊槍夾套時(shí)，因焊釘被吹出時(shí)的運(yùn)動(dòng)慣性及壓縮氣壓力瞬時(shí)變化，無法保證每次吹出焊釘時(shí)的伸出長(zhǎng)度保持一致，這恰是影響提升高度的主要原因所在。為消除此影響，措施有兩個(gè)。

圖5 提升高度Fig.5 The lifting height

一是采用“二次下壓”。在螺柱被送出后，焊接時(shí)在程序上設(shè)定先進(jìn)行第一次下壓(不引弧)，將夾套中的螺柱壓至一個(gè)特定伸出長(zhǎng)度，然后進(jìn)行第二次下壓，開始引弧焊接，焊接過程如圖6所示。

圖6 二次下壓流程框圖Fig.6 The flow chart of re-pressing stud welding

二是安裝帶限位的氣動(dòng)滑塊裝置。采用氣動(dòng)滑塊裝置可一次下壓即完成焊接，同時(shí)又可消除上述不利影響，實(shí)際應(yīng)用中建議采用此方式，如圖7所示。

圖7 氣動(dòng)滑塊Fig.7 Pneumatic slide

2.4 變形較大待焊面的變形補(bǔ)償

不銹鋼開關(guān)柜行業(yè)多數(shù)采用激光切割板材，然后拼焊而成。對(duì)圖8所示的板材大面積切割后變形往往較大[3]，拼焊后待焊表面多數(shù)下陷。因此，在焊接時(shí)無法保證如圖9所示距離h的一致性，無法保證螺柱的垂直度[6]，甚至有時(shí)無法正常起弧或虛焊，導(dǎo)致中斷。為解決此問題，添加了補(bǔ)償函數(shù)，當(dāng)機(jī)器人持焊槍行走至待焊面變形較大處時(shí)，補(bǔ)償函數(shù)自動(dòng)修正焊槍z向移動(dòng)距離，并向下多壓一距離δ，保證焊槍的提升高度在合理范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接。

圖8 變形較大焊接面Fig.8 Welding surface with large deformation

圖9 大變形補(bǔ)償Fig.9 Compensation for large deformation

3 結(jié)論

通過大量焊接試驗(yàn)和項(xiàng)目積累，對(duì)焊接中存在的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析總結(jié)，提出較為切實(shí)可行的措施，解決了實(shí)際生產(chǎn)中存在的一些質(zhì)量問題，為推廣機(jī)器人螺柱焊奠定了基礎(chǔ)。特別是尋位檢測(cè)技術(shù)的植入，為實(shí)現(xiàn)螺柱較高精度自動(dòng)焊接成為可能。

[1]池 強(qiáng)，張建勛，付繼飛.電弧螺柱焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2003，32(06)：18.

[2]黃賢聰.螺柱焊技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工人，2001，(09)：4-5.

[3]劉海濤.螺柱焊技術(shù)在機(jī)車車體上的應(yīng)用[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2011，34(02)：46-48.

[4]池 強(qiáng)，張建勛，付繼飛，等.拉弧式電弧螺柱焊質(zhì)量影響因素[J].電焊機(jī)，2005，35(04)：6-9.

[5]程石來，于百川，程 結(jié).影響螺柱焊質(zhì)量的因素及對(duì)策[J].現(xiàn)代制造工程，2008(11)：67-70.

[6]Chambers H A.Principles and practices of stud welding[J].PCI Journal，2001，46(5)：46-58.