機(jī)器人焊接挖掘機(jī)動臂的離線模擬及焊接質(zhì)量優(yōu)化

曹 晉，吳群彪，卓 峰，方海峰，王 琪

(江蘇科技大學(xué)機(jī)電與動力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

焊接技術(shù)是制造業(yè)中最重要的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、橋梁建筑、電子產(chǎn)品生產(chǎn)等領(lǐng)域中[1]。焊接機(jī)器人是通過法蘭盤將焊槍安裝在工業(yè)機(jī)器人的末軸上實(shí)現(xiàn)焊接工作的機(jī)器人。據(jù)有效統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，焊接機(jī)器人占到工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的一半，這也意味著，焊接機(jī)器人的發(fā)展史就能夠代表工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史[2]。國際上知名的工業(yè)機(jī)器人公司有瑞典的ABB、日本的安川(YASKAWA)和發(fā)那科(FANUC)、德國的庫卡(KUKA)，這四家被稱作世界工業(yè)機(jī)器人四大家族[3]。

挖掘機(jī)以其具有的多功能性(即能夠通過安裝不同的作業(yè)工具以適應(yīng)各種工況條件)、靈活性和高效率等特點(diǎn)，已經(jīng)成為最主要的工程機(jī)械之一。在世界范圍內(nèi)，我國挖掘機(jī)的產(chǎn)銷量占第一位[4]。挖掘機(jī)的工作環(huán)境和條件要求挖掘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度，所以挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件在其制造中對焊接質(zhì)量的要求非常高，尤其是挖掘機(jī)的動臂。通常情況下，焊接勞動強(qiáng)度高并且工作環(huán)境較為惡劣，對于焊接量大的工件，采用人工焊接時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量和精度普遍較低。由于挖掘機(jī)動臂焊縫較長，通常人工焊接難以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的焊接要求[5]。

隨著市場對焊接機(jī)器人焊接挖掘機(jī)動臂工作質(zhì)量要求的提高，人們亟需一套適用性高的離線編程方法、焊接效果更好的焊接參數(shù)。通過計(jì)算機(jī)軟件完成焊接過程所需模型的建立，輸入編程或參數(shù)經(jīng)過仿真計(jì)算后對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析以獲得參數(shù)的優(yōu)化效果，則是一種可靠性高的優(yōu)化方法。

1 建立焊接工作站

常見的挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)主要由工作裝置、動力裝置、傳動結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)操縱結(jié)構(gòu)、行走結(jié)構(gòu)和輔助裝置等構(gòu)成。

挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)主要由上、下封板，左、右封板，安裝板和吊耳等組成，截面為矩形的箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)有加強(qiáng)板，如圖1所示。

1—左安裝板；2—上封板；3—下封板；4—油缸支座；5—后支座；6—右封板；7—左封板；8—右安裝板

圖2為挖掘機(jī)動臂的二維簡圖，焊接后的動臂尺寸參數(shù)：前后兩端孔間水平長度為6 144mm，左右兩封板距離為860mm，高度為1 323mm。

圖2 挖掘機(jī)動臂二維結(jié)構(gòu)簡圖

通過計(jì)算并結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動范圍，選用型號為IRB7600的機(jī)器人，其動作區(qū)域如圖3所示。

圖3 IRB7600型機(jī)器人動作區(qū)域

RobotStudio是ABB機(jī)器人公司開發(fā)的進(jìn)行機(jī)器人焊接離線編程的軟件，可在實(shí)際構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)之前，先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試運(yùn)行。通過RobotStudio可以對機(jī)械手的運(yùn)動路徑進(jìn)行編程，通過試運(yùn)行來觀察機(jī)械手的運(yùn)動以確認(rèn)焊接路徑是否合理，并獲得焊接所需的時(shí)間[6]。通過該軟件編寫的程序可以同步到機(jī)器人的控制器中，技術(shù)工人使用控制器即可控制機(jī)器人運(yùn)動。

焊接機(jī)器人工作站的建立包括選擇合適的焊接機(jī)器人并設(shè)定其位置，選擇合適的控制系統(tǒng)，選擇合適的焊槍以及導(dǎo)入待加工工件。

第一次導(dǎo)入時(shí)，由于擺放的位置不合理可能會導(dǎo)致有些焊接目標(biāo)點(diǎn)無法到達(dá)，因此需要顯示出機(jī)器人的工作范圍，方便觀察所有焊接路徑是否都在機(jī)器人的運(yùn)動范圍內(nèi)。

通過項(xiàng)目瀏覽器中的位置選項(xiàng)，直接定義機(jī)器人的坐標(biāo)和角度，使其能夠與實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動情況保持一致，確保仿真結(jié)果真實(shí)可靠。最后導(dǎo)入控制柜、送絲機(jī)構(gòu)和隔離欄等工具，得到完整的焊接工作站，如圖4所示。

圖4 焊接工作站

在使用虛擬示教器之前需要在工作站布局中建立機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人模型能夠跟真實(shí)機(jī)器人一樣運(yùn)動。創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)的方式有3種：根據(jù)已有布局創(chuàng)建系統(tǒng)、創(chuàng)建新的系統(tǒng)或者添加已有系統(tǒng)。本文選用上面布局好的焊接工作站，直接根據(jù)布局創(chuàng)建系統(tǒng)。對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，選擇Industrial Networks(工業(yè)網(wǎng)絡(luò))中的709-1 DeviceNet Master/Slave(標(biāo)準(zhǔn)I/O板)。

2 機(jī)器人離線軌跡編程

2.1 創(chuàng)建工具坐標(biāo)系

機(jī)器人系統(tǒng)對機(jī)器人位置的描述和控制是以機(jī)器人的工具TCP(tool center point，工作點(diǎn))為基準(zhǔn)的，利用該基準(zhǔn)創(chuàng)建工具坐標(biāo)系，可以將機(jī)器人的控制點(diǎn)移到工具末端，方便手動操縱機(jī)器人移動，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位。

定義工具坐標(biāo)系前，先啟動機(jī)器人系統(tǒng)中的虛擬示教器，通過虛擬示教器進(jìn)行設(shè)置。工具坐標(biāo)系的定義通常采用四點(diǎn)法來實(shí)現(xiàn)。以第一種姿態(tài)將機(jī)器人手動移至兩尖端相接觸位置，選擇示教器中的點(diǎn)1，點(diǎn)擊修改位置，這是確定的第一個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 修改第一種姿態(tài)

依次用另外兩種姿態(tài)使得機(jī)器人與尖端相接觸，分別修改為第二個(gè)和第三個(gè)點(diǎn)。第四個(gè)點(diǎn)主要用來確定坐標(biāo)系中的Z軸方向，使得焊槍沿Z軸正方向移動，并與原點(diǎn)保持一定的距離，如圖6所示。

確定完四點(diǎn)的姿態(tài)后，修改參數(shù)，輸入實(shí)際質(zhì)量mass=0.5kg和工具重心參數(shù)cog.x=50mm、cog.z=100mm，點(diǎn)擊確定保存數(shù)據(jù)，為新模塊定義一個(gè)新名稱。

圖6 修改第四種姿態(tài)

2.2 創(chuàng)建焊接工件目標(biāo)點(diǎn)和軌跡

機(jī)器人主要針對挖掘機(jī)動臂的長直焊縫進(jìn)行焊接，即上、下封板與左、右封板之間的直線焊縫和圓弧焊縫以及中間油缸支座處的圓弧焊縫。

1)生成焊接目標(biāo)點(diǎn)。

目標(biāo)點(diǎn)用來定義上述焊縫在焊接過程中的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)可以通過基本選項(xiàng)卡中的目標(biāo)點(diǎn)選項(xiàng)建立。

2)生成焊接路徑。

RobotStudio中生成焊接路徑的方法有兩種：系統(tǒng)自動識別生成和人工手動生成。通常由系統(tǒng)自動識別生成的路徑是沿幾何體邊緣的直線或曲線創(chuàng)建的，當(dāng)機(jī)械手焊接頭沿著該自動識別生成的路徑移動時(shí)，機(jī)械手運(yùn)動過程中的姿態(tài)大多不是機(jī)器人的理想焊接姿態(tài)，軸關(guān)節(jié)可能會超過運(yùn)動范圍，出現(xiàn)奇點(diǎn)現(xiàn)象。

因此本設(shè)計(jì)采用第二種手動編程生成路徑的方法。手動編程方便調(diào)整焊槍TCP的姿態(tài)，使其達(dá)到最適合的位置，保證生成的焊縫符合要求，生成的焊接路徑如圖7所示。

圖7 焊接路徑

2.3 機(jī)器人焊接路徑程序生成

示教器在手動模式下，建立主模塊以及主程序。圖8 為將焊接路徑轉(zhuǎn)化為路徑目標(biāo)點(diǎn)的示意圖。

圖8 路徑目標(biāo)點(diǎn)示意圖

將整個(gè)焊接路徑分為3段，即P10到P50、P60到P100和P120到P160。P10到P50為下封板和右封板間的焊接軌跡，P60到P100為上封板和右封板間的焊接軌跡，P120到P160為中間油缸支座與右封板間的焊接軌跡。

在焊接開始時(shí)要定義初始位置為運(yùn)動起點(diǎn)，取名為“Phome”，從初始位置運(yùn)動到焊接起始點(diǎn)為關(guān)節(jié)移動(MoveJ)，為防止產(chǎn)生碰撞，在中間定義一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)取名為“Phome10”，編輯程序指令：

MoveJ Phome，v1000，z50，tool0；

MoveJ Phome 10，v1000，z50，tool0；

從P10點(diǎn)開始為實(shí)際焊接路徑，通過虛擬示教器將機(jī)器人移動到焊接起始點(diǎn)P10。添加ArcLStart直線焊接開始指令，將機(jī)器人TCP點(diǎn)移動到直線焊接結(jié)束位置P20點(diǎn)。從P30到P40為圓弧焊接，添加ArcC圓弧焊接指令，P40到P50為直線焊接，添加ArcLEnd指令。第一段焊接路徑程序如下所示：

ArcLStart P10，v1000，seam2，weld2，z50，tool0；

ArcL P20，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

ArcC P30，P40，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

ArcLEnd P50，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

第二段焊接路徑為P60到P100，從P50到P60不需要焊接，因此焊槍移動為關(guān)節(jié)移動(MoveJ)，從P60開始焊接，到P70為直線焊接，P70到P90為圓弧焊接，中間P80點(diǎn)為過渡點(diǎn)，P90到P100為直線焊接。第二段焊接路徑指令為：

ArcLStart P60，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

ArcL P70，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

ArcC P80，P90，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

ArcLEnd P100，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

第三段焊接路徑為P120到P160，即中間油缸支座的圓弧焊接。從P100移動到P120為過渡路徑，也不需要焊接，同樣采用關(guān)節(jié)移動(MoveJ)，關(guān)節(jié)移動時(shí)再添加一個(gè)過渡點(diǎn)P110，在圓弧焊接過程中增加3個(gè)焊接過渡點(diǎn)，保證圓弧焊接的完整性和精確性。得到的焊接指令如下：

MoveJ P110，v1000，seam2，weld2，z50，tool0；

MoveJ P120，v1000，seam2，weld2，z50，tool0；

ArcCStart P130，P140，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

ArcCEnd P150，P160，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

3 路徑仿真及驗(yàn)證

程序編寫完成后，使機(jī)器人按照程序運(yùn)動，同時(shí)使用仿真選項(xiàng)中的碰撞監(jiān)控功能來檢測焊槍與挖掘機(jī)動臂以及工裝夾具之間是否有干涉現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，或改變機(jī)器人的運(yùn)動軌跡。

焊接機(jī)器人從運(yùn)動起始位置Phome點(diǎn)開始運(yùn)動，經(jīng)過Phome 10點(diǎn)，到達(dá)實(shí)際焊接起始點(diǎn)P10，運(yùn)動過程中各關(guān)節(jié)動作自動將焊槍調(diào)整至合適角度，如圖9所示。

第一段焊接路徑為P10點(diǎn)到P50點(diǎn)，中間包含P10到P20的直線焊接、P20到P40的圓弧焊接和P40到P50的直線焊接，機(jī)器人的部分運(yùn)動姿態(tài)如圖10所示。

圖10 焊接第一段路徑時(shí)機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)

第二段焊接路徑為P60點(diǎn)到P100點(diǎn)，在第二段焊接路徑之前的P50到P60不需要焊接，機(jī)器人以關(guān)節(jié)移動的方式運(yùn)動。第二段焊接路徑包含P60到P70的直線焊接、P70到P90的圓弧焊接和P90到P100的直線焊接，機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)如圖11所示。

圖11 焊接第二段路徑時(shí)機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)

機(jī)器人在結(jié)束第二段焊接路徑后，以關(guān)節(jié)運(yùn)動的方式運(yùn)動到第三段的焊接起點(diǎn)P120。第三段焊接路徑為中間油缸支座的圓弧焊接，焊接結(jié)束后機(jī)器人運(yùn)動到Phome點(diǎn)，程序結(jié)束。機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)如圖12所示。

圖12 焊接第三段路徑時(shí)機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)

4 焊接質(zhì)量仿真及焊接參數(shù)優(yōu)化

4.1 焊接質(zhì)量仿真

在Simufact.welding中用戶可以自己創(chuàng)建焊接路徑和機(jī)器人模型，焊接路徑和焊接參數(shù)可以按需求自行修改。工件的夾緊工具、固定和支撐等邊界條件也可以通過軟件輸入。Simufact.welding中所有的模型和參數(shù)都可以在進(jìn)程樹中進(jìn)行定義和修改，然后對比不同工藝帶來的仿真結(jié)果變化[7]。

安潔西微微皺了下眉，剛才她感覺出有一道不明的視線在背后注視著她，那種感覺……令人不悅，就好像置身于林中，隨時(shí)都會有狩獵者從暗中撲出一樣。

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)的焊接方式主要是熔化焊，常見的有二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊作為一種焊接效果好、消耗低的焊接方法，在國內(nèi)的工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)成為最主要的焊接方法。進(jìn)行焊接質(zhì)量仿真的步驟如下：

1)網(wǎng)格劃分。調(diào)用網(wǎng)格劃分界面，選擇Body選項(xiàng)，進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，選擇hex網(wǎng)格類型，輸入網(wǎng)格尺寸大小為5mm，其余參數(shù)默認(rèn)，開始劃分網(wǎng)格。依次對剩下的所有實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好的網(wǎng)格如圖13所示。

圖13 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2)定義焊接路徑。在Simufact.welding中需要通過設(shè)定一系列的點(diǎn)集，將其儲存為集合的形式，再將集合應(yīng)用到焊接軌跡的定義中。為方便計(jì)算，只選取圓弧的1/4作為焊接路徑。建立好點(diǎn)集后，將先前建立的點(diǎn)集導(dǎo)入到新建路徑中，坐標(biāo)系設(shè)置為x=0，y=-1，z=1，導(dǎo)入單位選擇Millimeter。

對焊接路徑進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)置，焊接速度為5mm/s，焊接電流為200A，焊接電壓為28V，熱效率為0.85。熱源模型選用高斯雙橢球熱源模型，雙橢球熱源模型結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 雙橢球熱源模型

其中af是沿長軸方向上熱源中心到前端點(diǎn)的距離，取值為3mm；ar是熱源中心到后端點(diǎn)的距離，取值為12mm；b是短軸方向上橢圓寬度的1/2，取值為4mm；d是橢球的深度，取值為4mm。參數(shù)設(shè)置好后，將設(shè)置好的焊接路徑拖拽到機(jī)器人(Robot)進(jìn)程樹下。

3)焊槍參數(shù)的設(shè)定。雙擊焊槍進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，在第二個(gè)選項(xiàng)卡Trajectories中，將焊接路徑投射到組件的表面，并設(shè)置焊槍偏移表面0.4mm。點(diǎn)擊第三個(gè)選項(xiàng)卡fillet generation，生成焊縫填充單元，設(shè)置焊縫厚度為5mm，另外設(shè)定焊縫凹凸值b為0.8mm，在網(wǎng)格細(xì)化質(zhì)量中選擇中級，預(yù)覽生成為焊縫，檢查無誤后單擊“OK”完成創(chuàng)建，得到的焊接路徑和焊縫如圖15所示。

圖15 焊接路徑及焊縫

4)設(shè)定邊界條件。因?yàn)楹附铀脮r(shí)間為14.8s，所以卸載時(shí)間設(shè)置為20.0s。重復(fù)該操作，對fixing2也進(jìn)行同樣的設(shè)置。根據(jù)實(shí)際載荷的變化量與工件變形的位移量，設(shè)置夾持彈簧的剛度為1 000N/mm，設(shè)置夾持力為500N。重復(fù)該操作，對clamping2、clamping3、clamping4也進(jìn)行同樣的設(shè)置。

圖16 熔池切片形狀

計(jì)算完成后查看結(jié)果，包括溫度場變化、焊接變形、殘余應(yīng)力等，如圖17，18所示。

從圖18所示結(jié)果可以看出，焊接變形主要出現(xiàn)在生成焊縫部分，其中最大變形長度為0.7mm。

圖17 焊接過程溫度場變化

圖18 焊接變形圖

從圖19可以看出，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在生成焊縫的兩側(cè)，其中最大應(yīng)力值為270MPa。

圖19 應(yīng)力集中圖

4.2 焊接參數(shù)優(yōu)化

焊接過程不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的溫度會隨著焊絲的移動而發(fā)生變化[8]。因此焊接電流、焊接電壓和焊接速度這些焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量有著很重要的影響[9-11]。

1)焊接電流與電壓的選擇。焊接電流決定了焊接熱輸入量的大小，影響焊縫的熔深，而焊接電壓對焊縫的熔寬影響較大。在仿真中將焊縫的寬度固定為5mm，所以這里保持焊接電壓和焊接速度不變，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，擬采用表1中不同的焊接電流進(jìn)行仿真。

表1 焊接工藝參數(shù)表

焊接仿真完成后，調(diào)整監(jiān)視器位置，查看熔池的形狀，如圖20所示。

圖20 不同焊接電流下的熔池形狀

通過熔池形狀可以看出，第一組兩邊焊腳熱輸入不夠，導(dǎo)致熔深和焊縫長度較短，易造成不完全焊透、夾渣和冷裂紋等問題；第四組和第五組熱輸入較多，導(dǎo)致熔深較大、焊縫寬，可能造成焊縫的咬邊、氣孔以及熱裂紋等問題；第二組和第三組的熱輸入足夠，熔深、焊縫都較符合要求。通過對上述結(jié)果的比較，可知焊接電流在240～280A范圍內(nèi)較為合理。

2)焊接速度的選擇。根據(jù)上面仿真得到的合理范圍內(nèi)的焊接電流及電壓值，接下來確定合理的焊接速度。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，擬采用表2中不同的焊接速度進(jìn)行仿真。

表2 焊接工藝參數(shù)表

焊接仿真完成后，調(diào)整監(jiān)視器位置，查看熔池的形狀，如圖21所示。

圖21 不同焊接速度下的熔池形狀

從熔池形狀中可以看出，第一組焊接速度過慢，熱源移動緩慢進(jìn)而導(dǎo)致熔深較大，焊縫較寬；第三組和第四組由于焊接速度較快，熔化溫度不夠，導(dǎo)致焊縫熔寬較窄，不符合焊縫要求，易造成生成的焊縫不標(biāo)準(zhǔn)；綜合來說，第二組焊接速度最為合理，焊縫符合要求，熔深也足夠。所以焊接速度選為10mm/s。

3)優(yōu)化的焊接方案。從前文得到優(yōu)化的焊接參數(shù)：焊接電壓為30V，焊接電流為260A，焊接速度為10mm/s。將這些焊接參數(shù)輸入Simufact.welding中，再次進(jìn)行仿真。將其與優(yōu)化前焊接參數(shù)(焊接電流取200A，焊接電壓為28V，焊接速度為5mm/s)得到的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖22所示。

圖22 焊接方案優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

通過優(yōu)化前和優(yōu)化后的仿真結(jié)果對比可以看出，優(yōu)化后熔池形狀更加合理，焊縫符合要求，焊深足夠，最大變形位移為0.7mm，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為270MPa，主要分布在焊縫兩側(cè)，優(yōu)化后的焊接質(zhì)量有了明顯的提升。

5 結(jié)束語

本文給出的焊接挖掘機(jī)動臂離線編程過程通用性較好，為避免焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動超出范圍或遇到奇點(diǎn)問題提供了一種新的解決方法，所提供的焊接參數(shù)提高了焊接機(jī)器人對挖掘機(jī)動臂的焊接質(zhì)量。但是，目前的研究工作僅通過模型仿真來驗(yàn)證方案的優(yōu)化效果，要真正在實(shí)踐中體現(xiàn)其價(jià)值，還需要后續(xù)安排實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。同時(shí)后續(xù)可在RobotStudio中進(jìn)行離線編程，并在該軟件中對編程焊接效果進(jìn)行檢測，以獲得反饋數(shù)據(jù)，從而通過對數(shù)據(jù)的分析得到更好的編程方法與焊接參數(shù)。