夏旭新

（中國航天科技集團公司 長征機械廠，四川 萬源 636371）

0 前言

橢球底封頭是宇航燃料貯箱的重要結(jié)構(gòu)件，工件結(jié)構(gòu)復雜、焊接量大，對焊縫的質(zhì)量要求高，要求焊接設(shè)備穩(wěn)定可靠、柔性好。為了提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度，系統(tǒng)選用氣動夾具、微電腦控制界面、專用電弧攝像頭，焊接參數(shù)可預設(shè)，焊接過程可適時調(diào)整，并能存儲打印。本系統(tǒng)由長征機械廠提出技術(shù)指標，由昆山華恒焊接股份有限公司設(shè)計、制造和集成。

1 裝備要求

宇航燃料貯箱為橢球底結(jié)構(gòu)，8條縱縫、2條環(huán)縫，鋁合金材料，焊縫形式：對接焊縫，Y型坡口。工件直徑大，焊縫軌跡是橢球曲線和圓弧曲線，焊接過程中必須使焊接熔池處于水平或爬坡的船形位置，如何使工件傾翻、旋轉(zhuǎn)，焊槍的可達性是個較為突出的問題。

用于鋁合金的焊接工裝不同于黑色金屬的焊接工裝，不但要定位，還要抵抗焊縫收縮產(chǎn)生的應力和變形。本焊接工裝要求高、功能多、設(shè)計制造復雜，為了使工件能夠快速準確定位裝夾，焊接過程中防止焊縫收縮及形面變形，設(shè)計制造橢球體模胎和縱、環(huán)縫氣動夾具是解決機器人焊接定位和壓緊的手段。該系統(tǒng)由橢球底模體、升降機構(gòu)、氣電防纏繞機構(gòu)、加熱系統(tǒng)、縱縫夾具體、環(huán)縫夾具外圈及環(huán)縫夾具內(nèi)圈等部件組成。橢球底模胎如圖1所示。

（1）焊接模胎。

與黑色金屬相比，鋁合金傳熱快、線膨脹系數(shù)大，焊接過程中產(chǎn)生較大的應力，裝配和焊接過程中要托住工件，在拘束條件上焊接，防止和抵消焊接應力收縮產(chǎn)生的變形。橢球底模胎是工裝的骨架，由Q235鋼板拼焊而成，可承受8 t的壓力，制造過程中采用局部及整體去應力失效，外表面按橢球方程理論形面進行精加工。

圖1 橢球底模胎

為適應鋁合金變極性TIG焊接，焊接過程中能對焊接區(qū)域進行加熱，減少氣孔的產(chǎn)生和裂紋的出現(xiàn)，滿足單面焊雙面成形工藝要求，采用不銹鋼襯墊（相對紫銅冷卻慢）并帶加熱裝置。鑲嵌在模胎上，外表面與模胎一起按橢球方程理論形面進行精加工，中間開有寬8～10 mm、深1～2 mm的焊漏槽，背面槽形內(nèi)鑲嵌1～2 kW的遠外加熱管。

環(huán)縫墊板可氣動升降，縱縫拼焊完后，工件在不卸胎的情況下，環(huán)縫墊板下降，低于模胎形面5～10 mm，進行圓環(huán)余量銑切及焊縫坡口加工。

（2）焊接夾具。

縱、環(huán)縫夾具由Q235鋼板拼焊而成，內(nèi)部裝有日本SMC氣動原件，壓指選用不銹鋼材料，形面按橢球方程理論形面進行精加工與橢球模胎完全貼合，夾持厚度3～8 mm，選用0.65 MPa氣源，壓指線壓力27～30 kN/cm?？v、環(huán)縫夾具與橢球底模胎裝配關(guān)系如圖2、圖3所示。

（3）防纏繞接頭。

工件裝配后夾持在氣動夾具與模胎之間，焊接過程中要使焊接熔池始終處于水平、爬坡的船形位置，這就要求模胎在焊接過程中可實時翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)，不銹鋼襯墊加熱線、電磁氣閥信號線、壓縮空氣管路通過旋轉(zhuǎn)接頭的形式與外部連接，防止電線、管路出現(xiàn)纏繞。防纏繞接頭的結(jié)構(gòu)小巧、緊湊、精密，可承受交流500 V/50 A，1.5 MPa壓縮空氣壓力。防纏繞接頭安裝在模胎底部中心，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 縱縫氣動夾具

圖3 環(huán)縫氣動夾具

2 機器人與外部軸的協(xié)調(diào)控制

一般弧焊接機器人為6自由度直角坐標機器人，能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中，3個自由度（XYZ）用于控制焊槍端部的空間位置，另外3個自由度（ABC）用于控制焊槍的空間姿態(tài)。但對于幾何尺寸較大的工件，機器人本體的作業(yè)空間無法達到，對擁有復雜空間橢球曲線的焊縫工件，僅靠6軸機器人既無法將被焊位置移動到平焊或爬坡焊的船形焊接位置，獲得較高的成形質(zhì)量，工作范圍也無法滿足實際焊接需求。因此，需要建立一個由6軸機器人+3軸龍門架滑臺+2軸變位機組成的弧焊接器人工作站系統(tǒng)協(xié)調(diào)處理焊接過程中焊縫軌跡位置的變化，使被焊位置處于平焊、爬坡焊的船形位置，同時擴大機器人的工作范圍。

圖4 防纏繞接頭

機器人有直立、側(cè)壁、倒掛三種安裝方式，機器人底座可安裝在滑臺上，根據(jù)自由度組合方式的不同，可分為三種類型：具有一個自由度滑臺（X、Y、Z）、具有兩個正交平移自由度滑臺（XY、YZ、ZX），具有三個自由度滑臺（XYZ）。

變位機分為三種類型：具有兩個正交平移自由度的變位機（XY變位機）、具有兩個正交旋轉(zhuǎn)自由度的變位機（RT變位機）以及將兩個RT和一個獨立旋轉(zhuǎn)軸相互組合的變位機（5軸變位機）。

機器人底座滑臺、變位機有順序運動控制和同步運動控制兩種控制方式，也可作為機器人的外部軸，與機器人組成協(xié)調(diào)運動控制方式。

（1）6軸機器人。

采用德國KUKA KR16焊接機器人，第6軸最大負載16 kg，機器人工作半徑1 610 mm，重復定位精度±0.1 mm。該機器人具備焊接中厚板復雜結(jié)構(gòu)所必須的功能，如：精確的直線、圓弧、曲線插補和點到點的運動功能等。該機器人具備焊接中厚板復雜結(jié)構(gòu)所必須具有的功能如下：

a.精確的直線、圓弧、曲線插補和點到點的運動功能。

b.接觸尋位功能。通過帶有電壓的焊絲/噴嘴觸碰工件，找到正確的焊縫起始點、結(jié)束點或焊縫中間任意點。

c.電弧跟蹤功能。在焊接過程中實時修正焊接軌跡，補償工件因裝配或焊接變形產(chǎn)生的偏差。

d.多層多道焊功能。對于多層多道焊接，只示教打底軌跡，機器人控制系統(tǒng)根據(jù)焊接規(guī)范和具體焊縫形式自動生成蓋面程序。

e.軌跡重現(xiàn)功能。打底時通過電弧跟蹤獲得的實際焊縫軌跡，可以在生成多層多道焊蓋面軌跡時得到調(diào)用。

f.TCP自動校正功能。一段時間自動運行后，機器人自動校正TCP。

g.多種橫擺形式。多種及用戶自定義擺動形式，擺動幅度及頻率可調(diào)。

h.坡口尺寸偏差修正。通過接觸尋位，獲取坡口變化量，根據(jù)坡口寬度自動調(diào)整焊接電流、電壓、速度和擺幅等參數(shù)。

i.在線優(yōu)化功能。供工藝人員在設(shè)備調(diào)試時在線修改焊接參數(shù)。

j.程序復制功能。在多套工作站同時交貨調(diào)試時，編制好的焊接程序可從一個工作站復制到另一個工作站中，縮短編程調(diào)試時間，使多套工作站迅速進入正常生產(chǎn)。

防碰撞裝置、機器人槍夾、TIG焊槍、電動橫擺微調(diào)滑架、電弧攝像系統(tǒng)安裝在機器人第六軸的手腕上。

（2）3軸龍門架。

3軸龍門架包括安裝在立柱上的X方向?qū)к?，在X方向?qū)к壣闲凶叩腨方向?qū)к?，以及在Y方向?qū)к壣匣瑒拥腪方向?qū)к?，適用于機器人懸掛安裝。伺服電機（德國Siemens）驅(qū)動行星輪減速機，通過獨有的齒輪齒條無間隙傳動技術(shù)，齒輪在轉(zhuǎn)動過程中始終與齒條嚙合，驅(qū)動溜板/梁在三組直線導軌上滑行。

由于龍門架運動采用的伺服電機和伺服驅(qū)動和機器人屬于同一系列，同時受基于工控機基礎(chǔ)上開發(fā)的KRC2機器人控制器控制，屬機器人外部軸，可自由編程，因此龍門架運動和機器人本體運動的聯(lián)合軌跡插補，實現(xiàn)龍門架和機器人的聯(lián)動。機器人懸掛在Z方向?qū)к壍哪┒?，滑架控制框布置于X方向?qū)к壐郊恿锇迳?，高頻高壓引弧器通過固定板安裝在Z方向?qū)к壪露?。在龍門架兩端均設(shè)有樓梯和操作維護平臺。X/Y/Z方向溜板的直線滑軌副均連接到中心潤滑系統(tǒng)，潤滑油直接泵入滑軌副，保證直線滑軌的精度和長壽命使用。

高度集成的系統(tǒng)聯(lián)線總成包括機器人的動力電纜及信號電纜，外部軸的動力電纜及信號電纜，焊接電源的水、電、氣管線等，穿入坦克鏈的部分均采用高柔性電纜。在龍門架一端設(shè)有系統(tǒng)聯(lián)線總成轉(zhuǎn)接，在龍門架安裝或運輸時只需要拔插若干航空插頭，而不需要重新對龍門架進行布線。6軸機器人和3軸龍門架配合使用，有效行程X=10 000 mm；Y=2 000 mm；Z=1 500 mm。重復定位精度±0.1 mm；外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 焊接機器人龍門架結(jié)構(gòu)

（3）2軸變位機。

2軸變位機由頭尾架、轉(zhuǎn)盤、搖籃組成，也受基于工控機基礎(chǔ)上開發(fā)的KRC2機器人控制器控制，可自由編程，可與機器人系統(tǒng)聯(lián)動控制（聯(lián)合進行軌跡插補），實現(xiàn)變位機和龍門架與機器人的聯(lián)動。工件、氣動夾具裝卡在橢球底模胎上，總質(zhì)量在5 t以上，因此選用承載10 t的變位機。要使變位機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，重復定位精度高，以滿足實際生產(chǎn)的要求。

伺服電機（德國Siemens）驅(qū)動RV減速機，通過獨有的齒輪無間隙傳動技術(shù)，依靠彈簧預緊方式，避免防沖間隙，齒輪在轉(zhuǎn)動過程中始終與回轉(zhuǎn)支撐嚙合，驅(qū)動變位機轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)模胎回轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)兩自由度的運動，保證焊接時焊縫始終處于最佳的焊接姿態(tài)（平焊或立焊）。變位機尾架外形尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計與頭架相同，無驅(qū)動，變位機頭架通過萬向聯(lián)軸器與搖籃框架連接，消除模胎回轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的沖擊，使得運行平穩(wěn)，伺服精度提高。最大旋轉(zhuǎn)速度16°/s；最大負載10 000 kg；最大輸出扭矩13 000 N·m；最大傾覆扭矩100 000 N·m；旋轉(zhuǎn)范圍±185°；重復定位精度±0.03 mm。外形結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)采用美國Miller公司制造的Dynasty700全數(shù)字逆變變極性弧焊電源，美國WELDTEC公司制造的WT-27BW水冷焊槍，德國TBi公司制造的KS-1f防碰撞裝置及機器人槍夾。華恒公司制造的外部水循環(huán)制冷系統(tǒng)、弧長調(diào)節(jié)系統(tǒng)及電動微調(diào)橫擺滑架、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、高頻高壓引弧器等。

圖6 頭尾架雙回轉(zhuǎn)變位機結(jié)構(gòu)

Dynasty700弧焊電源選用與專機配套的28芯控制接口，控制起弧、收弧、焊接電流參數(shù)調(diào)整，以滿足鋁合金變極性TIG自動焊接的要求。高頻高壓引弧器因焊接電源布置在地面，焊接電纜長度大于20 m，對高頻引弧能量衰減很大，靠弧焊電源內(nèi)部高頻引弧器很難引燃電弧。在Z方向?qū)к壪露丝拷附訖C器人底座上側(cè)安裝高頻高壓引弧器，距TIG水冷焊槍約3.5 m，引弧容易，引弧高度5～6 mm。引弧過程為：高頻高壓-直流電弧-交流電弧，解決了鋁合金交流TIG焊專機引弧難的問題。

智能焊接控制系統(tǒng)采用德國BEKHOFF公司產(chǎn)品，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，獨特的現(xiàn)場總線、嵌入式操作系統(tǒng)對自動焊接中的各項功能參數(shù)進行集中設(shè)置、存儲，分布式同步精確控制，并有良好的擴展性。在實際生產(chǎn)焊接過程中，要對相關(guān)的焊接參數(shù)和運動參數(shù)進行匹配，并通過集中控制器來實施。該控制器采用多模塊集中控制方式，通過編程對相關(guān)的焊接參數(shù)和運動參數(shù)進行協(xié)調(diào)通訊。該控制器具有編程簡便、界面直觀、維護方便、抗干擾能力強等特點，操作臺實現(xiàn)實時顯示功能，可以在操作臺上看到過程中的各種狀態(tài)。焊接過程可隨時調(diào)整橫擺速度、橫擺中心、橫擺擺寬、電流、焊接速度等焊接參數(shù)，以達到在某些焊縫處的特殊要求。增加了引弧電流、熄弧電流的設(shè)置。友好、直觀的編程界面，易學的焊接工藝控制過程，無需專業(yè)化人員操作。實時顯示焊接電壓、焊接電流、行走距離/度數(shù)，并可控制焊接行程，實現(xiàn)自動衰減。一個焊接工藝程序可分10個區(qū)間，以滿足工件不同時段的焊接要求。另外還配有水冷、保護氣、壓縮空氣檢測元件，組成故障檢測系統(tǒng)，直接顯示故障原因，確保系統(tǒng)持續(xù)工作。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運行

機器人標定是機器人使用中必須完成的重要工作之一，其標定精度直接影響到機器人末端的軌跡精度。按照機器人所標定的對象，可以將機器人標定分為：（1）機器人本體各桿件坐標系與基坐標系關(guān)系標定；（2）機器人與其他設(shè)備（如變位機、其它機器人等）的關(guān)系標定；（3）機器人作業(yè)任務中的標定（如工具參數(shù)標定、工件參數(shù)標定等）。

當裝上機器人、搖籃框架、焊接模胎后，整體精度要求為：橫梁軌道平行度小于0.5 mm、直線度小于1.0 mm，懸臂梁直線度小于0.5 mm、撓度小于1.0 mm，變位機頭尾架回轉(zhuǎn)支撐盤平行度小于0.5 mm、同軸度小于0.5 mm。龍門架的3個外部軸（XYZ）的導軌與溜板、變位機2個外部軸（RT）的轉(zhuǎn)盤與搖籃框及床頭箱之間都安裝有零位校準裝置，保證了龍門架重復定位精度在±0.03 mm以內(nèi)，變位機回轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)重復定位精度在±0.03 mm以內(nèi)。

焊接機器人示教編程。根據(jù)8條縱縫在橢球體封頭上等均分布的特點，只需示教1條縱縫軌跡及相應點位的焊接區(qū)間，模胎依次旋轉(zhuǎn)45°，即可完成另外7條縱縫的示教編程；而環(huán)縫只有1條，示教環(huán)縫軌跡及相應點的焊接區(qū)間，即可完成環(huán)縫軌跡示教編程。這樣可減少縱縫示教工作量，縮短編程時間。根據(jù)示教點位的焊接區(qū)間，依次在焊接控制系統(tǒng)上完成起弧段、焊接段、收弧段焊接參數(shù)設(shè)置。工件采用變極性TIG焊接，采用平焊、爬坡焊兩種工藝。

試片焊接后，經(jīng)X射線探傷、機械性能試驗合格，符合行業(yè)標準要求。試驗箱底經(jīng)X射線探傷、氦質(zhì)譜檢漏、強度氣密試驗合格。與手工焊接相比：焊縫坡口加工要求高，裝配質(zhì)量要求高，焊接參數(shù)設(shè)定范圍縮小。

機器人焊接工作站的應用確保了產(chǎn)品焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，改善了工人勞動條件，降低了勞動強度，企業(yè)經(jīng)濟效益提高。

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