自動(dòng)化拖拉機(jī)下拉桿總成自動(dòng)化焊接技術(shù)的研究

王 敏 張 蒙

(中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司收獲機(jī)具公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 下拉桿總成簡(jiǎn)介

下拉桿總成是拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)的重要組成部分，拖拉機(jī)帶有機(jī)具在田間作業(yè)過(guò)程中，下拉桿承受較大負(fù)荷。故其整體強(qiáng)度直接影響脫粒懸掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)形式采用三段焊接式，其強(qiáng)度不僅受到零件材質(zhì)的影響，其焊接質(zhì)量也會(huì)對(duì)下拉桿總成的強(qiáng)度造成直接影響。當(dāng)前，主要采用人工組立、人工焊接的工藝流程。由于人工焊接過(guò)程中，焊接電流、焊接順序的可控性較差，易受到工人技能水平的影響，容易產(chǎn)生焊接缺陷，影響焊接質(zhì)量，進(jìn)而影響拖拉機(jī)的可靠性。

下拉桿總成主要由下拉桿、球座、球頭3部分組成。球頭與球座通過(guò)裝配形式連接在一起。球座與下拉桿采用三段式焊接結(jié)構(gòu)。該焊合件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，焊縫寬而短，通過(guò)設(shè)計(jì)工裝減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)，使機(jī)器人焊接效率得到有效提升，同時(shí)保證焊接質(zhì)量。

2 機(jī)器人焊接工作站

圖1 焊接機(jī)器人工作站

機(jī)器人焊接工作站采用單機(jī)雙工位的布置，其主要特點(diǎn)是可以有效提高機(jī)器人的實(shí)際工作時(shí)間，減少零件裝夾時(shí)機(jī)器人的等待時(shí)間。與單工位相比，效率提升60%以上。主要有以下部分組成：一臺(tái)焊接機(jī)器人、一臺(tái)焊接電源、兩套變位機(jī)、兩套焊接夾具。雙工位可以同時(shí)安裝兩套相同的夾具，也可以安裝兩套不同的夾具，滿足多種零件的生產(chǎn)需求。兩工位如果焊接不同零件時(shí)，需要盡量保證雙工位的生產(chǎn)節(jié)拍一致，提高生產(chǎn)效率。

本工作站選用了型號(hào)為IRB2600的ABB焊接機(jī)器人，精度高，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快。它的動(dòng)態(tài)自優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)令各軸總是以最大加速度運(yùn)動(dòng)。在不做任何調(diào)整的條件下，比其他機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍快25%左右。同時(shí)它還具備基于Load Identification 技術(shù)的智能防碰撞功能，當(dāng)焊接機(jī)器人的焊槍與工件發(fā)生機(jī)碰撞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將碰撞力降低到 30%，機(jī)器人自動(dòng)沿路徑回縮，釋放壓力，使其對(duì)焊槍與工件的破壞降到最低。當(dāng)碰撞報(bào)警被確認(rèn)之后，不需要重新上電，機(jī)器人就可以繼續(xù)沿著之前的路徑繼續(xù)工作。在零件精度較低，一致性較差的情況下，焊縫位置出現(xiàn)偏差，很容易出現(xiàn)機(jī)器人焊槍與工件相撞。機(jī)器人焊槍價(jià)格昂貴，防撞系統(tǒng)對(duì)焊槍有很大的保護(hù)作用，可有效降低使用成本。

機(jī)器人帶有尋位功能。在尋位模式下機(jī)器人會(huì)自動(dòng)糾正工作路程，保證焊接位置與焊縫位置的準(zhǔn)確度。其原理為系統(tǒng)給噴嘴或焊絲通低壓電，工件接地。在機(jī)器人沿尋位軌跡移動(dòng)過(guò)程中，一旦噴嘴或焊絲和工件接觸時(shí) 會(huì)產(chǎn)生接觸信號(hào)，機(jī)器人停止移動(dòng)。利用當(dāng)前位置與程序設(shè)定位置的偏差值對(duì)路徑進(jìn)行修正，從而得出真實(shí)目標(biāo)位置。焊接過(guò)程中焊槍擺動(dòng)，實(shí)時(shí)對(duì)焊接中的電流信號(hào)采樣，根據(jù) 擺動(dòng)兩端的焊接電流偏差值及趨勢(shì)，分析得出的水平及垂直方向的路徑糾正數(shù)據(jù)，及時(shí)傳遞給機(jī)器人控制柜。機(jī)器人實(shí)時(shí)修正運(yùn)動(dòng)軌跡，保證達(dá)到穩(wěn)定的焊接要求。

此工作站的主要特點(diǎn)為：

(1)采用單機(jī)雙工位系統(tǒng)布局，一個(gè)工位進(jìn)行零件裝夾，另一工位進(jìn)行焊接，最大限度減少機(jī)器人等待時(shí)間。(2)采用變位機(jī)進(jìn)行變位，可與機(jī)器人之間聯(lián)動(dòng)，使程序更加簡(jiǎn)單靈活，同時(shí)可滿足多種焊接路徑，適用性更強(qiáng)。(3)焊接夾具與變位機(jī)之間的連接采用銷軸定位，螺栓緊固的方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，更換方便?？梢栽诒ＷC不同焊接夾具的快速切換，使機(jī)器人滿足多品種零件焊接。(4)雙工位之間采用遮光擋簾，可有效避免弧光對(duì)人眼睛的傷害。

3 焊接工裝

機(jī)器人焊接工裝與人工焊接工裝相比，精度更高，裝夾迅速，以滿足機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)中的節(jié)拍要求。與此同時(shí)，由于工件較小，焊縫較少，需要一次裝夾多個(gè)工件，以減少裝夾次數(shù)以及機(jī)器人等待時(shí)間。由于零件焊接需要雙面焊接，故采用變位機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，降低人工翻轉(zhuǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，使焊接效率提高1倍以上。

機(jī)器人焊接工裝目前按照其作用分類，最常見(jiàn)的有兩種類型。一種為僅對(duì)組對(duì)好的合件進(jìn)行定位與夾緊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，承受載荷較小。另一種直接對(duì)合件中的各部分零件進(jìn)行定位與夾緊，然后機(jī)器人直接進(jìn)行焊接，省去了人工裝配的工序，效率高，同時(shí)夾具的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。下拉桿合件主要為3部分組成，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接變形較小，適合采用第二種結(jié)構(gòu)形式(如圖2)。

圖2 焊接夾具

工裝分別對(duì)下拉桿、球座(左)、球座(右)3個(gè)部分進(jìn)行定位。由于球座與拉桿不在一個(gè)平面，我們采用斜面與銷軸對(duì)其進(jìn)行定位。銷軸與球頭采用間隙配合，間隙為0.05 mm，既保證了裝配精度，又保證焊接后方便取出。下拉桿我們采用了u型槽進(jìn)行定位，同時(shí)用快速夾鉗進(jìn)行夾緊。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝夾迅速，有效提高工作效率。同時(shí)工裝與焊合件的接觸面要盡量小，便于應(yīng)力釋放，也可避免焊接應(yīng)力過(guò)大，對(duì)工裝進(jìn)行損害，降低工裝精度等。為了提高機(jī)器人的焊接效率，減少機(jī)器人的等待時(shí)間，單工位一次裝夾6件。由于拉桿總成種類較多，需要多套夾具切換。夾具與翻轉(zhuǎn)架采用螺栓加定位銷連接的結(jié)構(gòu)，提高工裝的切換速度，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高機(jī)器人的柔性生產(chǎn)能力。由于本工作站采用單機(jī)雙工位布局，故可實(shí)現(xiàn)一邊裝夾，一邊焊接的工作過(guò)程。為了防止零件裝夾時(shí)，對(duì)面弧光傷害眼睛，兩工位之間設(shè)計(jì)了遮光擋簾。

機(jī)器人焊接工裝不僅要考慮零件的定位與夾緊，還需要考慮焊縫的可達(dá)率，以及零件的支撐點(diǎn)。由于機(jī)器人相對(duì)于人工焊接，靈活性較差，所以零件定位后，焊縫的位置一定要在機(jī)器人的工作范圍內(nèi)，同時(shí)盡可能使機(jī)器人保持最佳的焊接姿態(tài)。零件的支撐點(diǎn)要盡可能遠(yuǎn)離焊縫，防止焊接應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致工裝變形。

4 焊接工藝

4.1 零件的工藝性分析

下拉桿與球座的材質(zhì)為60Si2Mn，60Si2Mn彈簧鋼是應(yīng)用廣泛的硅錳彈簧鋼，適于鐵道車輛、汽車拖拉機(jī)工業(yè)上制作承受較大負(fù)荷的扁形彈簧?？珊感暂^差，焊接中凝固區(qū)間較大，成分偏析嚴(yán)重，易產(chǎn)生較大應(yīng)力。零件厚度為20 mm，故焊接時(shí)應(yīng)采用雙面焊接，同時(shí)應(yīng)該開坡口，坡口的精度誤差要保證±1 mm，以保證焊縫的一致性和焊接強(qiáng)度。機(jī)器人焊接速度約為人工焊接速度的2倍，電流電壓穩(wěn)定，飛濺小，焊縫均勻、美觀。為了進(jìn)一步改善焊接效果，在焊接中選用了Ar-CO2混合氣體。與二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接比較，在焊接效率與焊接質(zhì)量上均有顯著提升。通過(guò)采用Ar-CO2混合氣焊接技術(shù)可以使各自優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。Ar可有效提高焊接表面質(zhì)量，降低CO2氣體焊接過(guò)程中所發(fā)生的飛濺。且 CO2氣體可顯著提高電弧穩(wěn)定性，增強(qiáng)其熱傳導(dǎo)功能，使焊接材料的機(jī)械性能顯著提升[1]。

4.2 電流電壓的選擇

機(jī)器人焊接自動(dòng)化程度高，速度快，但對(duì)焊接參數(shù)要求較高。由于人工在焊接過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)觀察焊接過(guò)程中熔池的變化以及焊縫的成型效果，及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)。但機(jī)器人焊接參數(shù)為預(yù)設(shè)，參數(shù)不合適，極大影響焊接效果。焊接過(guò)程中，實(shí)際的焊接條件受材料、溫度、零件質(zhì)量等各種因素的影響，所以我們需要多次試驗(yàn)，來(lái)獲取最佳的焊接參數(shù)。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得到的理想焊接參數(shù)如下：

氣體流量20～25 L/min；焊接速度v=0.4 m/min；焊接電壓U=29～35 V；焊接電流I=270～380 A；焊絲直徑為Φ1.2 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械零件種類較多，數(shù)量低，造成機(jī)器人的利用率偏低，機(jī)器人焊接技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域應(yīng)用較少。實(shí)踐證明，通過(guò)優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)，利用工裝快速切換技術(shù)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種類零件的焊接，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的零件精度還普遍偏低，一致性較差，自動(dòng)化焊接工藝性差。所以隨著激光切割機(jī)的普及，零件的制造精度不斷提升，機(jī)器人的柔性制造技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人自動(dòng)化焊接技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域會(huì)被廣泛推廣與應(yīng)用[2]。