(1.天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室,天津 300387;2.中國石油集團工程技術研究所,天津 300450)
厚板V形坡口機器人填充焊接工藝研究
李天旭1王天琪1楊華慶2侯仰強1
(1.天津工業(yè)大學天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室,天津300387;2.中國石油集團工程技術研究所,天津300450)
針對厚板V形坡口的焊縫寬、母材厚、焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題,設計了一套擺動焊接程序,在機器人離線編程軟件中進行工作站建模、離線編程、運動軌跡仿真,仿真結果滿足試驗要求。使用六軸機器人、Fronius焊機等搭建試驗系統(tǒng),采用經典的單一變量控制理論,選擇最優(yōu)焊接參數(shù)。使用厚度為18 mm的低碳鋼板,對V形坡口進行多次填充焊以及蓋面焊。試驗結果表明,焊接工藝良好,V形坡口兩側的母材熔合情況良好,未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生,焊縫兩邊無間隙,焊縫成形呈“魚鱗紋”狀。
V形坡口離線編程焊接參數(shù)焊接工藝
隨著國內采礦、石油產業(yè)的飛速發(fā)展,在一些工業(yè)產品的零部件焊接加工中,存在焊接母材過厚、焊縫較寬的問題,其中厚板V形坡口的焊接較為常見[1-2]。V形坡口的焊接包括打底焊、填充焊、蓋面焊,除打底焊外,由于焊縫較寬,普通焊接的填充無法得到良好的焊接工藝[3-4]。對V形坡口進行填充焊和蓋面焊傳統(tǒng)的解決方法是依靠焊工進行焊接操作時,以一定的周期、一定的擺動軌跡進行擺動焊接,這樣不但效率低,而且焊接質量不穩(wěn)定。另外,近十幾年來隨著技術的成熟,弧焊機器人的應用越來越廣泛,逐漸代替人工焊接,來滿足大批量生產焊接自動化的需求[5]。經過近幾年的研發(fā),一些著名的電焊機生產廠家,如福尼斯、威特力、東升焊機等,已經開發(fā)出了多種能夠實現(xiàn)擺焊功能的電焊機及自動焊接設備,配合弧焊機器人末端執(zhí)行器的擺動,能夠實現(xiàn)焊縫擺焊的焊接要求[6-8]。但由于V形坡口待焊件較厚、焊縫較寬、焊縫實際寬度與設置寬度不符、焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題,使用機器人擺焊系統(tǒng)來填充V形坡口的中間層,很難得到理想的焊接工藝[9]。
文中針對機器人自帶擺焊系統(tǒng)中專家程序的不足,設計了一套針對厚板V形坡口的填充焊和蓋面焊的離線程序。為了減少試驗次數(shù),保證實際焊接成功率,使用機器人離線編程軟件進行搭建焊接工作站、運動軌跡離線編程、工作站仿真等操作。選擇厚度為18 mm的低碳鋼板,對V形坡口進行多次填充焊以及蓋面焊,改變焊接參數(shù)進行多組焊接試驗,研究焊接工藝。
1.1 工作站的建模
待焊工件選擇長400 mm、寬180 mm、厚18 mm的低碳鋼板,V形坡口角度為60°,如圖1所示。
圖1 待焊工件示意圖
在機器人離線編程軟件RobotStudio中進行工作站的建模。采用ABB公司的IRB1410型機器人、Fronius_TPS4000焊機、待焊工件以及其他焊接試驗器材完成了在離線編程軟件上的建模,焊接工作站如圖2所示。
1.2 工件坐標系的標定與計算
由于需要用到偏移指令來實現(xiàn)擺焊功能,該指令設定:使機器人末端(即焊槍)實現(xiàn)在當前使用坐標系下的X、Y、Z軸方向偏移任意距離。為了使焊槍焊接軌跡與待焊工件焊縫中心線一致,同時保證試驗結果更加精確,需要對工件坐標系進行預先標定。工件坐標定義工件相對于機器人基坐標系的位置,對機器人進行編程時就是在工件坐標中創(chuàng)建目標和路徑。完成工件坐標的標定后,在重新定位工作站中的工件時,只需要改動工件坐標的位置,所有路徑將即刻隨之更新。標定原理如圖3所示。
圖2 焊接工作站建模
圖3 工件標定原理圖
為了快速簡單的進行標定,在工件的表面,只需要定義三個特殊點就可以建立坐標系。定義OR為機器人基坐標系,OU為實際工件坐標系。找到工件的第一特征點P0,視作工件坐標系的原點,以此特征點為基準,沿設定X軸方向移動一段距離取第二點P1,確定工件坐標的X軸正方向,沿Y軸方向移動一段距離取第三點P2,確定工件坐標的Y軸正方向,從而完成工件的標定。工件坐標等符合機器人學的右手定則。
(1)
式中:
r12=2(q2q3-q1q4)
r13=2(q2q4+q1q3)
r21=2(q2q3+q1q4)
r23=2(q3q4-q1q2)
r31=2(q2q4-q1q3)
r32=2(q3q4+q1q2)
(2)
根據式(2),由機器人控制柜讀出四元數(shù)Q,即可求出其對應的旋轉矩陣。標定試驗結果見表1。由式(1~2)對表1中的數(shù)據進行處理,得到工件坐標系相對于機器人末端坐標系的變換矩陣為:
表1 工件坐標系標定結果
為了提高標定精度,可以進行多次試驗,然后通過計算平均值或使用最小二乘法確定最終標定結果,從而完成標定計算。
1.3 離線編程與仿真
在ABB機器人rapid編程語言中進行離線編程。為了實現(xiàn)擺焊功能,不但需要在標定好的工件坐標系上給出特定的偏移方向與偏移量,還需要使偏移指令進行循環(huán),以達到擺焊的寬度、長度均可調節(jié)的動作,從而完成V形坡口的填充與蓋面。
部分程序如下:
ArcLP10,v100,seam1,weld1,tool1/wobj1;
ArcLP20,v100,seam1,weld1,tool1/wobj1;
P10:=offs (P10,lX,lY,lZ);
P20:=offs (P20,lX,lY,lZ);
其中:“ArcL”為指令關鍵字;“v100”定義機器人運動的速度v為100 mm/s;“seam1”定義保護氣的預充氣時間、吹氣時間,收弧時的回燒量等焊接參數(shù);“weld1”定義焊接速度、焊接電壓、送絲速度等焊接參數(shù);“tool1/wobj1”表示當前程序使用的坐標系為工件坐標系wobj1;“:=offs”為賦值偏移指令,其中的四個可選變元,第一個變元表示變量點,另外三個變元分別為X,Y,Z軸的偏移量,該偏移量在當前工件坐標系wobj1下實現(xiàn)偏移。程序設計原理如圖4所示。
在FOR循環(huán)中使用offs偏移指令,示教兩個變量點P10,P20,當焊槍由P10走到P20點時,此時“:=offs”賦值偏移指令使變量點P10沿工件坐標系Y軸偏移了l,稱P10′,因此焊槍會從P20走到P10′點,同理P20點也被賦值更新了位置,因此下一指令是由P10′走到P20′,P20′下一指令到達P10″,P10″下一指令到達P20″…這樣循環(huán)下去。該程序的設計,焊縫的寬度、長度、焊接速度等影響焊縫成型的因素都可以進行修改調節(jié)。焊縫寬度為P10到P20的直線距離,焊縫長度L為:
圖4 擺焊程序設計原理
L=n·l
(3)
焊接速度可以通過示教器對焊接數(shù)據進行設置,完成參數(shù)選擇。離線編程之后,在RobotStudio中進行仿真,得到良好的TCP運動軌跡。
2.1 試驗系統(tǒng)
搭建試驗工作臺,電焊機與機器人型號為1.1中建模時所選型號;其中機器人與焊機的通訊是通過DeviceNet數(shù)據線進行通訊,可以直接通過ABB機器人的示教器進行焊接參數(shù)的調節(jié),方便快捷。試驗系統(tǒng)示意圖如圖5所示。
待焊工件的焊接母材選取10 mm厚的普通低碳鋼,焊絲選用牌號為ER50-6的G3Si1型號,焊絲直徑為1.2 mm。母材和焊絲的化學成分見表2。保護氣體成分為CO2(18%)+Ar(82%),保護氣流量Q為15 L/min。
表2 母材和焊絲的化學成分(質量分數(shù),%)
2.2 參數(shù)選擇
由于焊接方式為擺動焊接,因此參數(shù)的選擇對焊縫的成型有很大的影響。因此,采用經典的單一變量控制理論,進行對比試驗,來選擇最優(yōu)焊接參數(shù)。試驗參數(shù)如下表3所示。
焊接模式選擇CMT一元化直流焊,弧長修正為0,熔滴動態(tài)修正為0,電弧電壓U、送絲速度隨著焊接電流變化而自動匹配。因此只需針對焊接電流I、焊接速度v、擺焊偏移量l進行對比試驗。試驗結果如圖6所示。
圖5 試驗系統(tǒng)示意圖
試驗序號擺焊偏移量l/mm焊接電流I/A電弧電壓U/V送絲速度v/(m·min-1)焊接速度v/(mm·s-1)1-1510015.92.3101-2515017.53.7101-3520019.25.3102-1520019.25.3152-2520019.25.353-1310015.92.3103-2315017.53.7103-3317518.34.5104-1317518.34.5154-2317518.34.520
由試驗結果得知,在試驗1-1,1-2,1-3中擺焊偏移量l取5 mm,保證其他參數(shù)不變,針對電流變化進行對比試驗,隨著焊接電流增大,熔深和余高增加;試驗2-1,2-2相對于試驗1-3改變焊接速度,可見焊接速度越大,由于焊接能量減小,單位長度焊縫上的焊絲金屬的熔敷量與焊接速度成反比,因此熔深和焊寬相應減小,余高減小。以上五組試驗顯示,當偏移量l取5 mm時,焊縫兩邊會出現(xiàn)焊縫形狀在水平方向上的間隙,而且存在“虛焊”現(xiàn)象,焊縫成形不理想。因此取擺焊偏移量l為3 mm,進行試驗3-1觀察擺動偏移量對焊縫成形的影響。得到的焊縫兩側仍然出現(xiàn)間隙,增大焊接電流進行試驗3-2,3-3,得到良好的焊縫,但由于電流增大,導致余高過高;在此基礎上,增大焊接速度,進行試驗4-1,4-2。試驗4-1的焊縫成形明顯變好,焊縫寬度、余高等特性滿足要求,未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生,母材融合良好,焊縫兩邊無間隙,符合焊縫焊接的要求;相比之下試驗4-2由于焊接速度過大,焊縫兩側出現(xiàn)間隙,焊縫成型不理想。
圖6 試驗結果
2.3 綜合應用
利用優(yōu)化后的焊接參數(shù),對V形坡口進行了打底焊、填充焊五層、蓋面焊。焊接模式選擇CMT一元化直流焊,弧長修正為0,熔滴動態(tài)修正為0其余參數(shù)如表4所示。
打底焊由于不需要擺動,因此選擇常規(guī)焊接參數(shù)。填充焊過程中,前兩層焊縫較窄,為避免余高過高,焊縫中間出現(xiàn)堆焊的現(xiàn)象,選用的電流不宜過大,焊接速度不宜過低,因此選用試驗3-2的焊接參數(shù)。填充后三層時,由于坡口間隙變大,焊縫寬度增加,為了使焊接充分,避免焊縫兩側出現(xiàn)“虛焊”現(xiàn)象,應適當增大焊接電流,選用試驗3-3焊接參數(shù)。蓋面焊由于焊縫寬度過大,對工藝要求高,同時保證焊縫表面美觀,焊縫余高不宜過高,因此應該減小焊接電流,同時適當提高焊接速度,選取試驗4-1焊接參數(shù),以保證焊接質量。焊接結果如圖7所示。
試驗結果顯示,設計的程序可以很好的滿足對V形坡口的擺焊試驗要求。兩側的母材融合情況良好,未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生,焊縫表面成形呈“魚鱗紋”狀。焊接軌跡曲線與焊縫中心線保持一致,焊縫較寬、母材較厚等因素對焊接的影響可以有效解決,焊縫寬度、焊縫余高等特征滿足焊接工藝要求。
表4 試驗參數(shù)
圖7 V形坡口焊接試驗結果
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(1)針對厚板V形坡口的焊縫寬、母材厚、焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題,設計了一套擺動焊接程序,使用特征點三點標定法進行了工件標定,并且在機器人離線編程軟件中實現(xiàn)了工作站建模、離線編程、運動軌跡仿真,仿真結果顯示可以滿足實際焊接要求。
(2)使用ABB公司的IRB1410型機器人、Fronius_TPS4000焊機等搭建了試驗系統(tǒng),通過多次擺焊試驗確定了最優(yōu)焊接參數(shù)。使用板厚18 mm的低碳鋼板,對坡度為60°的V形坡口進行了焊接試驗。試驗結果表明,使用擺動焊接程序對V形坡口進行打底焊、填充焊、蓋面焊,焊縫長度與寬度均可以自主設置任意尺度,兩側母材融合情況良好,焊縫成形呈“魚鱗紋”狀,焊縫較寬、母材較厚等因素對焊接的影響可以有效解決,焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題也可以避免。
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TG444
2017-05-16
國家自然科學基金資助項目(U1333128);天津市科技支撐計劃項目(15ZCZDGX00300)。
李天旭,1994年出生,碩士研究生。主要從事焊接機器人方面研究。