吳星　歐全梅

摘 要：分析了汽車鋁橫梁的焊接工藝，針對電子束焊接應(yīng)用中的焊接軌跡進(jìn)行了分析，并對關(guān)鍵的坐標(biāo)系統(tǒng)以及軌跡最優(yōu)化的方式進(jìn)行了闡述，利用法線與打點(diǎn)操作的思路來獲得最優(yōu)的焊接軌跡，可以改善相關(guān)工藝性能。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)焊接；軌跡分析；工藝參數(shù)；合理優(yōu)化

引言

焊接技術(shù)不斷進(jìn)步，各種特殊材料與技術(shù)的應(yīng)用改變了焊接技術(shù)的應(yīng)用模式，電子束焊接與其他技術(shù)相比高熔透性以及變形小、能耗低等特征已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用與車輛生產(chǎn)中，配合自動(dòng)化的生產(chǎn)模式，其可以發(fā)揮更好的作用，下面就對其在汽車橫梁焊接中的焊接軌跡與工藝進(jìn)行分析。

1.自動(dòng)環(huán)節(jié)的四軸運(yùn)動(dòng)

因?yàn)楹附釉O(shè)備與生產(chǎn)空間的影響，在橫梁生產(chǎn)中采用的四軸運(yùn)動(dòng)的方式，其對自動(dòng)化焊接的軌跡影響較大。所以在研究焊接軌跡分析前應(yīng)對四軸運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析，生產(chǎn)中主要保證電子束流盡可能的沿著焊縫方向前進(jìn)，呂橫梁模塊焊接的夾具有兩個(gè)自由度，一方面焊接中勻速向前，一方面還要圍繞中心軸進(jìn)行適度旋轉(zhuǎn)，調(diào)整焊接的角度保證焊縫沿著設(shè)計(jì)需要進(jìn)行焊接，同時(shí)焊槍也具備一定的自由度，電子槍在焊接時(shí)也應(yīng)配合夾具的運(yùn)動(dòng)完成橫向移動(dòng)，即移動(dòng)到適應(yīng)焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)位置完成焊接，最后還應(yīng)注意電子束聚焦深度控制，通常需要調(diào)整焦距來實(shí)現(xiàn)，保證焊點(diǎn)位置的準(zhǔn)確，而夾具轉(zhuǎn)動(dòng)角度為適應(yīng)焊槍垂直于工件。因?yàn)楹缚p的特點(diǎn)，通?？梢赃x擇一個(gè)微分的概念來解決這個(gè)問題。假設(shè)焊縫的面為多個(gè)微觀的小面，且為平面，這樣焊接的軌跡即為焊槍定點(diǎn)與諸多平面垂直接觸的過程，求出近似垂線，即為焊接法線。

2.焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)和工作坐標(biāo)分析

汽車零件是一個(gè)三維實(shí)體，通?？梢宰鳛樵甲鴺?biāo)的一個(gè)原始坐標(biāo)，這個(gè)原始的坐標(biāo)是汽車加工的基礎(chǔ)，尤其是檢測的時(shí)候更應(yīng)將整車坐標(biāo)作為基礎(chǔ)，可以避免累積誤差的出現(xiàn)而影響總裝。但是零件加工時(shí)可以設(shè)置加工坐標(biāo)，此時(shí)設(shè)置電子束系統(tǒng)的電子束和零件回轉(zhuǎn)軸的交叉點(diǎn)，二者垂直交叉構(gòu)成一個(gè)焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、輸入到焊機(jī)的每個(gè)點(diǎn)以及零件夾具的角度都應(yīng)在該坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上。如前分析焊接頂面是一個(gè)復(fù)雜的三維曲面，所以在焊接中必須保證電子束應(yīng)沿著工件的頂面進(jìn)行法線運(yùn)動(dòng)，這就是焊接坐標(biāo)系構(gòu)建的必要性。此時(shí)要對軌跡進(jìn)行分析，就應(yīng)做兩個(gè)工作：第一，對焊接面進(jìn)行微分，使之成為n個(gè)平面，逐個(gè)建立工作坐標(biāo)并求出法線；第二，在坐標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對每一根工作坐標(biāo)下求得的法線位置進(jìn)行調(diào)整和變換。如下圖1所示，abcd為一個(gè)焊接曲面，其中Pi和Pi+1代表焊點(diǎn)和對稱的qi和qi+1共同構(gòu)成一個(gè)微分面。其中Pi和qi坐標(biāo)是唯一的，諸多曲面構(gòu)成了一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。

法線的姿態(tài)分析，從上面的分析不難發(fā)現(xiàn)，法線是垂直于微分平面的，在焊接過程中發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)三維范圍內(nèi)的坐標(biāo)改變，主要是X和Y軸變換的同時(shí)也出現(xiàn)角度變換，這樣就實(shí)現(xiàn)了對法線姿態(tài)的改變，不斷的改變法線的姿態(tài)就完成了沿著焊縫的軌跡描述。此時(shí)應(yīng)注意的是電子束焊焦點(diǎn)的位置是影響焊接質(zhì)量的重要因素，因此軌跡分析中必須對坐標(biāo)進(jìn)行精確求解，而法線的矢量的姿態(tài)正是焊接是需要調(diào)整的角度，因?yàn)楹附訖C(jī)構(gòu)只能調(diào)整繞Y軸的角度改變，所以夾具能否圍繞中心回轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度，是焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。在對法線進(jìn)行描述即完成了對軌跡的描述，而在實(shí)際的操作中應(yīng)求出每根法線與焊接坐標(biāo)系統(tǒng)三個(gè)坐標(biāo)的夾角。

焊點(diǎn)坐標(biāo)的變換，在軌跡分析中焊點(diǎn)坐標(biāo)的改變是軌跡描述的重要方式，可以根據(jù)求得的法線角度對軌跡進(jìn)行三維描述。將焊點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的角度進(jìn)行改變，即獲得法線與垂直面的夾角，實(shí)際就是在焊接時(shí)保障焊縫垂直向上，夾具帶動(dòng)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)適應(yīng)焊接設(shè)置的要求。當(dāng)工件回轉(zhuǎn)一定角度后，焊點(diǎn)坐標(biāo)就會(huì)改變，坐標(biāo)系統(tǒng)中對應(yīng)的點(diǎn)也發(fā)生改變，所以在軌跡描述中獲得的法線角度，就是改變后的坐標(biāo)要素，可以看出法線旋轉(zhuǎn)不影響焊點(diǎn)的X坐標(biāo)，所以要將焊點(diǎn)的坐標(biāo)與法線坐標(biāo)都映射到焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)中，得到的就是新的焊點(diǎn)位置與新的焊接法線，以此就可完成對焊接軌跡的描述。取值Xa、Ya、Za變換后為Xb、Yb、Zb對應(yīng)的公式可以寫作：

3.鋁橫梁的電子束焊接的工藝分析

焊接工藝的研究與分析是在焊接前對整個(gè)工藝情況進(jìn)行分析，以此發(fā)現(xiàn)和解決在生產(chǎn)中容易出現(xiàn)的問題，所以在實(shí)施電子束焊接前應(yīng)對相關(guān)工藝進(jìn)行研究。一方面從保障焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，保障焊接結(jié)構(gòu)的外觀尺寸同時(shí)也應(yīng)保證公差滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也應(yīng)保證焊接件的質(zhì)量。電子束焊接的工藝闡述包括電流、電壓、焊接速度、對焦電流和工作距離等。這些都應(yīng)是研究相關(guān)工藝時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的層面。從本文的角度看，既然進(jìn)行了軌跡分析，就應(yīng)對焊接軌跡的規(guī)劃進(jìn)行研究，這是一個(gè)重要的工藝指標(biāo)，所以下面就利用前文的研究方向?qū)χ芯€以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)變進(jìn)行研究。

3.1回轉(zhuǎn)中心的優(yōu)化分析

自動(dòng)化加工中，回轉(zhuǎn)中心的設(shè)置是焊接設(shè)備和工件在焊接中必須面對的工藝問題，其直接影響到工件和焊接夾具運(yùn)行的模式，即回轉(zhuǎn)半徑以及焊槍的運(yùn)動(dòng)范圍，在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)動(dòng)半徑越小其功耗和效率也就越優(yōu)化，即回轉(zhuǎn)半徑最小?；剞D(zhuǎn)中心線所確定的坐標(biāo)方向也就確定了工件在焊接時(shí)坐標(biāo)的方向。首先應(yīng)當(dāng)明確初始狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)中心線在設(shè)備生產(chǎn)時(shí)不能進(jìn)行精確地計(jì)算與分析，僅僅依靠的是工程師的經(jīng)驗(yàn)和制造要求，而實(shí)踐中每個(gè)工件的形狀和性質(zhì)不同，針對每個(gè)焊點(diǎn)的焊機(jī)姿態(tài)也就不同，取得一個(gè)合理而高效的中心點(diǎn)和中心線是十分必要的，如果不經(jīng)過設(shè)計(jì)和調(diào)整，容易出現(xiàn)誤差而不能獲得最小的回旋半徑，此時(shí)真空筒則需要增加體積，容易影響真空時(shí)間和電子槍的運(yùn)動(dòng)范圍。其次，需要明確在實(shí)際成產(chǎn)中需要對回轉(zhuǎn)中心線進(jìn)行精細(xì)分析與再次求解。在原始的坐標(biāo)下，沿著焊接縫進(jìn)行軌跡分析可以獲得焊點(diǎn)在各個(gè)方向上的極值點(diǎn)并獲得對應(yīng)的中心點(diǎn)，得到加工中的原始坐標(biāo)原點(diǎn)；根據(jù)焊接的需要應(yīng)對其減少需要插補(bǔ)的焊接位置的要求，將工作坐標(biāo)的方位進(jìn)行調(diào)整，使之達(dá)到最佳的點(diǎn)。在鋁橫梁的焊接中，可以利用在焊接縫上的等距打點(diǎn)的思路來完成對焊接點(diǎn)和中心線的確定，從而實(shí)現(xiàn)操作的優(yōu)化。1）確定中心線的方向，根據(jù)每個(gè)工件的形狀進(jìn)行分析與研究，利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行模擬獲得中心線，最為重要的是盡可能的減少需要插補(bǔ)的焊接位置。2）確定中心線的坐標(biāo)以及坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，在各個(gè)可能的幾點(diǎn)附近進(jìn)行等距打點(diǎn)，獲得對應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過計(jì)算機(jī)對各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與分析，對比獲得對應(yīng)的最佳的中心點(diǎn)。包括在X軸上的中點(diǎn)以及Z軸上的中點(diǎn)，這樣就可重新設(shè)定X和Z軸的原點(diǎn)坐標(biāo)，從而選擇最小的回旋半徑。在這個(gè)過程中應(yīng)考慮焊接設(shè)備的基本狀況，即機(jī)械要求，確定工件頂端100mm作為Y軸的原點(diǎn)坐標(biāo)，以此保證加工中不能出現(xiàn)機(jī)械問題。3）將中心線的坐標(biāo)原點(diǎn)和中心線Y軸方向進(jìn)行綜合確定后，可以繪制出整個(gè)回轉(zhuǎn)中心線。通過計(jì)算機(jī)即可計(jì)算獲得一個(gè)最優(yōu)化的結(jié)果，基本可以保證獲得回轉(zhuǎn)半徑的最小值。同時(shí)可以確定焊接的坐標(biāo)軸方向，也為后續(xù)的計(jì)算和仿真打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)回轉(zhuǎn)中心線和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸確定也是焊接工藝中最為重要的工藝參數(shù)，其將直接影響整個(gè)焊接的工藝控制。

（2）焊接軌跡的優(yōu)化處理

焊接中心線確定后即可以對焊接軌跡進(jìn)行分析和優(yōu)化，焊接軌跡的仿真也是焊接生產(chǎn)中重要的參考依據(jù)。分析所得到的的數(shù)據(jù)結(jié)果將輸入焊機(jī)，成為實(shí)際操作的重要數(shù)據(jù)，也是影響焊接效果的重要工藝參數(shù)。如前面所述，在焊接過程中需要對焊接的軌跡進(jìn)行分析，如利用加工好的零件進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整期焊接的工藝參數(shù)后利用圖紙和數(shù)據(jù)模型等確定焊縫的位置和焊接軌跡。然后將工件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，以此觀察焊接的過程十分存在問題，由有經(jīng)驗(yàn)的技師進(jìn)提出改進(jìn)意見，并將焊接姿態(tài)等確定，然后確定焊接軌跡，這個(gè)過程往往反復(fù)多次，且較為復(fù)雜。這個(gè)傳統(tǒng)的開發(fā)方式不僅僅會(huì)大量的浪費(fèi)人力和物力，同時(shí)也對產(chǎn)品轉(zhuǎn)型和發(fā)展造成了負(fù)面的影響。且在獲得數(shù)據(jù)的過程中不能保證精確，反復(fù)多次的試驗(yàn)也不能獲得良好的設(shè)計(jì)效果，所以在實(shí)際的應(yīng)用中已經(jīng)不能適應(yīng)大規(guī)模自動(dòng)化焊接生產(chǎn)的需求。因此在實(shí)際的操作中借助仿真軟件來進(jìn)行模擬是較為可行的，即利用計(jì)算機(jī)來仿真模擬電子焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡以及工件的運(yùn)行情況，這個(gè)過程中利用焊縫上等距打點(diǎn)的原理進(jìn)行操作。在得到回旋中心線以及坐標(biāo)后，可以得到焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)，在這個(gè)坐標(biāo)下可以重新在焊縫上修正打點(diǎn)結(jié)果，到的數(shù)據(jù)也就是在焊機(jī)上可以使用的焊接系統(tǒng)坐標(biāo)，這個(gè)值是以準(zhǔn)確的坐標(biāo)值。焊點(diǎn)坐標(biāo)值準(zhǔn)確獲得后，可以直接確定焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，這也是一個(gè)相對重要的工藝參數(shù)。

因?yàn)楹附訒r(shí)除了應(yīng)控制焊點(diǎn)位置外還應(yīng)控制法線姿態(tài)，所以利用焊縫左右對稱打點(diǎn)的方式，建立諸多微小平面，獲得每一個(gè)微小平面的法線，因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)相對密集，所以近似的認(rèn)為微小平面的法線方向就是焊縫的法線方向。得到這個(gè)法線后，分析計(jì)算獲得發(fā)現(xiàn)的角度，也就獲得了焊縫法線的姿態(tài)。法線和垂直平面之間的交角也是一個(gè)重要的焊接工藝參數(shù)。

最后，將計(jì)算分析獲得結(jié)果進(jìn)行仿真，優(yōu)化焊槍的運(yùn)行軌跡，也就形成了一個(gè)相對優(yōu)化的焊接軌跡，不但可以提供較為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)也可減少試驗(yàn)過程中消耗的時(shí)間和人力等，這樣的獲得的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過仿真而模擬真實(shí)的加工過程，也可通過材料、工件性狀等的調(diào)整獲得不同工況下的模擬軌跡，可以大幅度的提升整個(gè)焊接工藝的質(zhì)量。

4.結(jié)束語

綜合看，汽車鋁橫梁的焊接中，其對工藝質(zhì)量要求較高，采用先進(jìn)的電子束焊接技術(shù)可以幫助提高工藝性能，但是應(yīng)注意的是應(yīng)對焊接的軌跡進(jìn)行細(xì)化分析并對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行分析，并利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來對其進(jìn)行模擬，獲得最優(yōu)的焊接軌跡，這樣才能保證焊接效率和質(zhì)量。

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作者簡介：

吳星（1980.11—），女，廣西柳州人，漢族，工學(xué)碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事機(jī)電一體化研究。

歐全梅（1969—），女，碩士，副教授，主要研究方向 單片機(jī)應(yīng)用及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。