楊啟杰，龔勝峰

1.廣西機電職業(yè)技術(shù)學院 廣西南寧 530007 2.珠?？朴附悠鞑挠邢薰?廣東珠海 519015

1 序言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已成為經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。在整個汽車配件制造中，車橋是所有汽車配件中至關(guān)重要的一個大部件[1]。隨著“中國制造2025”加快制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，焊接機器人在車橋殼體焊接生產(chǎn)過程中得到了廣泛應用，同時，機器人焊接在提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減輕勞動強度等方面的優(yōu)勢越來越明顯。機器人的廣泛應用，不僅僅是單純的替代人工，更是提升制造業(yè)效率與柔性的重要手段。目前，國內(nèi)車橋殼體焊接生產(chǎn)應用機器人普遍存在的主要問題是沒有針對不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行焊接順序、焊接過程軌跡點設置、焊接參數(shù)等進行優(yōu)化，大多只是模擬人工操作的動作執(zhí)行已編輯好的程序[2]，并應用機器人廠商配置的焊接工藝進行焊接生產(chǎn)，以至影響了焊接機器人系統(tǒng)最大效能的發(fā)揮。

機器人焊接的焊槍與焊縫相對位置關(guān)系以及機器人運動平穩(wěn)性直接決定焊縫質(zhì)量。為了保證車橋殼體的焊接質(zhì)量，必須根據(jù)車橋殼體的焊接結(jié)構(gòu)和機器人的運行特點，有針對性地優(yōu)化焊接順序、機器人焊接路徑軌跡點的設置、特殊位置（如拐角）的焊接參數(shù)等，以發(fā)揮機器人焊接的最大效能，達到保證質(zhì)量、提高效率、降低成本的目的。

2 車橋殼體結(jié)構(gòu)

車橋的作用是承受汽車的載荷，維持汽車在道路上的正常行駛，而車橋殼體的焊縫質(zhì)量是影響內(nèi)部零件質(zhì)量的關(guān)鍵。車橋殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示（紅色部分為殼體的焊縫組成），焊接裝配如圖2所示。

圖1 車橋殼體結(jié)構(gòu)及焊縫組成

圖2 車橋殼體焊接裝配圖

3 車橋殼體焊接技術(shù)要求

（1）車橋殼體材料 選用厚度為5mm的16Mn鋼。

（2）接頭形式 對接接頭。

（3）焊接位置 水平位置。

（4）機器人 M-10iA/機器人本體、R-30iB Mate控制柜。

（5）焊接電源 TPS5000TIME高速焊機。

（6）技術(shù)要求 具體要求如下。

1）采用25%CO2+25%He+50%Ar三元混合氣體保護焊進行焊接；焊絲牌號CG3Si1，?1.2mm；通過手動操作機器人編程由PLC控制完成焊接作業(yè)。

2）焊縫質(zhì)量要求。焊縫外觀質(zhì)量要求見表1，焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合GB/T 3323—2019中的Ⅲ級規(guī)定，熔深大于板厚t的75%。

表1 焊縫外觀質(zhì)量要求

4 焊接路徑優(yōu)化函數(shù)

根據(jù)焊槍與焊縫相對位置關(guān)系（見圖3），為使焊槍位姿變換到與焊點位姿重合，避免焊偏，根據(jù)焊槍的工作角α、行走角β、自轉(zhuǎn)角γ之間關(guān)系，采用船形焊接，根據(jù)粒子群算法進行焊接路徑優(yōu)化，建立焊接路徑優(yōu)化函數(shù)，調(diào)整機器人各個關(guān)節(jié)的可達性，焊接姿態(tài)函數(shù)如下[3]：

k1，k2——焊槍工作角和行走角之間的權(quán)重系數(shù)，考慮工作角和行走角對焊接質(zhì)量的影響，分別取k1=0.15，k2=0.85；

Δαimax，Δβimax——實際與理想的工作角和行走角之間允許的最大偏差（°）；

αi，βi——實際工作角與行走角（°）；

α0，β0——理想工作角與行走角（°）。

船形焊時的角度為0°，焊接姿態(tài)函數(shù)為：

圖3 焊槍焊縫相對位置關(guān)系

5 焊接順序和軌跡點設置的優(yōu)化

針對車橋殼體結(jié)構(gòu)及原焊接工藝進行分析，分別對殼體焊縫的焊接順序、機器人焊接路徑軌跡點的設置、交匯點（即Y形焊縫結(jié)點）焊接參數(shù)進行優(yōu)化（見圖4、圖5）。

圖4 優(yōu)化前焊接方案

圖5 優(yōu)化后焊接方案

圖4為優(yōu)化前焊接方案，焊接參數(shù)見表2。整個殼體Y形焊縫由1、2、3三段組成，在后橋殼體與菱形板角接處交匯，焊接順序為焊縫2（在B點起弧至交匯點）→焊縫1（在交匯點起弧，與焊縫2收弧點重疊，向A點焊接）→焊縫3（在交匯點起弧，與焊縫2收弧點重疊，向C點焊接）進行焊接。

表2 優(yōu)化前車橋殼體機器人焊接參數(shù)

圖5為優(yōu)化后焊接方案，焊接參數(shù)見表3。整個殼體Y形焊縫由1、2兩段組成，在后橋殼體與菱形板角接處交匯，焊接順序為焊縫1（在A點起弧至交匯點）→焊縫2（在B點起弧，在交匯點覆蓋焊縫1收弧點，向C點焊接）。針對后橋殼體與菱形板交接處易出現(xiàn)的焊接質(zhì)量缺陷，設置交接處拐角焊縫三點軌跡點，同時，拐角采用表3焊縫參數(shù)進行焊接。

表3 優(yōu)化后車橋殼體機器人焊接參數(shù)

6 焊接工藝優(yōu)化結(jié)果分析

（1）從焊接質(zhì)量角度分析 圖4交匯點為焊縫2的收弧點、焊縫1和焊縫3的起弧點在后橋殼體與菱形板交接處重疊，焊縫寬度增加，余高過高，外觀尺寸達不到設計要求。同時，在匯集點收弧、起弧交替進行，熱輸入增大，熔池鐵液流動性和擴展性差，易出現(xiàn)焊穿、焊漏、未熔合、氣孔及夾雜等缺陷，內(nèi)部質(zhì)量不合格。

根據(jù)車橋殼體結(jié)構(gòu)進行了機器人焊接路徑軌跡點設置的優(yōu)化，如圖5所示，由1、2兩段焊縫組成，熱輸入減小，可避免焊穿或焊漏，同時還可避免在車橋殼體與菱形板接合處產(chǎn)生收弧、起弧交替，焊縫2一次成形，在交匯點焊縫2焊接時對焊縫1收弧點進行再次重熔，使1、2兩段焊縫比較好地熔合，達到技術(shù)要求的焊接熔深（見圖6），保證交匯點焊縫質(zhì)量符合設計要求（見圖7、圖8）。

圖6 焊接工藝優(yōu)化后產(chǎn)品焊縫熔深

圖7 焊接工藝優(yōu)化后車橋

圖8 車橋殼體

（2）從焊接效率和成本角度分析 從圖4的焊槍行走軌跡可知，在焊接焊縫1后，在A點收弧，之后焊槍將行走到焊縫2的B點起焊，完成焊縫2的焊接。根據(jù)產(chǎn)品設計圖1可知，A點與B點直線距離約為650mm，以焊接速度800mm/min測算，焊槍從A點行走到B點所用時間約為0.8125min，之后完成焊縫2后再從三段焊縫匯集點起焊完成焊縫3的焊接。以100件產(chǎn)品為例，焊槍從A點行走到B點的時間為81.25min。因此，在保證質(zhì)量的前提下，焊槍未施焊時間占比較大，焊接效率較低。

從圖5的焊槍行走軌跡可知，在A點起焊完成焊縫1，在兩段焊縫交點處收弧，之后焊槍行走至焊縫2的B點起弧焊接，直到焊縫2的C點收弧，完成焊縫2的焊接。焊槍在完成這兩段焊縫的整個生產(chǎn)過程中，未施焊過程只有從A點行走至B點。根據(jù)產(chǎn)品設計可知，A點與B點直線距離約為150mm，以焊接速度800mm/min測算，焊槍從A點行走到B點所用時間約為0.1875min。同樣以100件產(chǎn)品為例，焊槍從A點行走到B點的時間為18.75min。優(yōu)化后與優(yōu)化前對比，未施焊時間節(jié)省了62.5min，焊接效率明顯提高，大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)過程。

因此，焊接工藝的優(yōu)化是發(fā)揮焊接機器人最大效用的關(guān)鍵。從車橋焊接工藝優(yōu)化前后對比可知，經(jīng)過優(yōu)化后，質(zhì)量得到進一步提升，焊接效率大大提高，成本得到有效降低。

7 結(jié)束語

本文根據(jù)車橋殼體的結(jié)構(gòu)設計，針對殼體的焊接過程進行了焊接順序、機器人焊接路徑軌跡點的設置、特殊位置（如拐角位置）焊接參數(shù)等的工藝優(yōu)化。試驗和生產(chǎn)結(jié)果表明，焊接工藝優(yōu)化后，焊接質(zhì)量好，焊接效率顯著提高，生產(chǎn)成本有效降低。因此，在實際的機器人焊接生產(chǎn)中，為達到產(chǎn)品質(zhì)量、效率和成本的最優(yōu)效果，非常有必要對焊接順序、機器人焊接路徑軌跡點設置、焊接參數(shù)以及焊槍行走節(jié)拍等進行科學合理的配置。