智能机器人焊接作业质量因素的研究分析

智能机器人焊接作业质量因素的研究分析

林梅珍

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摘要：以天津滨海新区海洋科技园宁海路小学项目EPC工程钢结构智能机器人焊接为研究背景，采用理论分析、控制变量法对照试验、检测评定等相结合的方式，分析机器人作业焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度、焊枪距板材的距离、焊枪与焊缝的夹角等因素对不同厚度钢结构板材焊接质量的影响，从而优化机器人焊接参数，提高焊接质量，提升作业效率，指导实体工程应用与示范，旨在提升工程建造领域大型钢结构产品的机器人智能化制造水平，带动机器人与钢结构产业配套体系，促进智慧建造相关物联设备设施全面发展，推动工程建设向智能化、信息化转型发展。

关键词：智能；机器人焊接；作业质量；研究分析

引言

焊接属于材料加工工艺,其能够将不同的材料连接起来,形成复杂的机构以满足各类功能性需求。焊接作业环境较为恶劣,属于高强度、高污染、高辐射、高危险性的技术性作业,对焊接工人的身体损伤较大,此外在实际作业中还存在人工难以实现的焊接工程,比如高空作业、海底作业,焊接机器人成为替代人工进行材料焊接的可靠选择。根据联合国经济委员会和国际机器人联合会公布的数据,自20世纪60年代开始,机器人设备已在焊接领域开始应用,到2000年,焊接领域机器人数量已超过10万台,2019年底全世界的焊接机器人数量已超过260万台,焊接机器人已在船舶、工矿、军工、铁路、建筑机械领域得到广泛使用。

1机器人焊接地锚导轨所面临的问题

1.1工件特殊、设备常规

本次地锚导轨试制加工在我校机器人技术中心igm焊接工艺区进行，本工艺区以教学培训为主、生产为辅。虽然主要焊接工艺生产设备与工厂并无差异，但是其他辅助作业设备相较于长春客车厂集团等大型生产企业而言则十分简陋。

1.1.1机器人范围有限、裕量小

本次所使用的焊接机器人是奥地利生产的igm焊接机器人，其型号为RTI456S,并附带旋转轴，其工作范围为3000mm+1000mm，地锚导轨长度3750mm。虽然地锚导轨在机器人工作范围内，但是机器人在作业过程中，冗余空间少，导致其在作业远端极易到达限位，而在作业近端易出现奇异点。这就要求在编写焊接程序前，需进行机器人作业轨迹测试，确保能够正常焊接地锚导轨。

1.1.2辅助设备精度差、定位难

地锚导轨工件本身长且重，一旦放置位置偏差较大将不利于焊接作业的进行，甚至无法完成焊接作业。为保证工件安放位置的准确性，叉车在放置地锚导轨时，需对安放位置进行精确测量；而现场所具备的量测工具卷尺精度有限，难以保证量测的精准度，造成了每次放置地锚导轨位置都会出现一定偏差；更有现场固定地锚导轨的夹具只能对其进行固定，无法定位，这进一步提高了地锚导轨安装位置不精准的概率。正是由于现场辅助设备的简陋，因此对后续焊接作业方案的制定增加了很大的难度。

1.2工件厚长、焊接困难

1.2.1预热难

本次技术文件给出的地锚导轨工件长度3750mm,焊接母材（地锚和导轨）厚度均不小于20mm,且碳当量大于4，因此在焊接地锚导轨前需对工件进行预热处理，防止常温焊接造成裂纹等焊接缺陷的发生。本次焊接作业中，整条地锚导轨只可进行一次预热，无法持续加热；而随着焊接作业的持续进行，未焊接的地锚将逐渐散逸预热时的热量，其自身温度逐渐降低，极有可能部分地锚不能满足焊接作业条件，这也进一步增加了焊接作业方案制定的难度。

1.2.2施焊难

本次焊接作业面临的最大问题之一是时间紧、任务重。采用单道焊虽然可以大大提升焊接速度、减少作业时间，但是焊接厚母材的地锚导轨需要使用大电流，而大电流产生巨大的热量将造成地锚导轨发生较大热变形，导致未焊接的地锚导轨焊缝发生偏移，更严重的是，这种偏移会以迭代的方式向后续焊缝传递，从而严重影响整条地锚导轨的焊接质量,故单道焊在本次焊接作业中不可取。

2电机控制焊接机器人概述及其控制系统构成

2.1电机控制焊接机器人概述

焊接机器人根据驱动力来源可分为气压驱动、液压驱动和电气驱动,其中电机控制焊接机器人属于电气驱动机器人的一种,其是以电动机产生的机械力和转矩为驱动的机器人类型。根据电动机的类型,又可分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷电机驱动和交流伺服电机驱动等方式。电机控制焊接机器人技术投入较少,具有操纵便捷、运动精度高、使用方便、设计成本低、驱动效率高、无环境污染等优势,是当前焊接领域最常见的、最常用的机器人类型。目前市面上的电机控制焊接机器人以直流电机驱动和交流伺服电机驱动为主,步进电机驱动因控制精度问题难以普及,无刷电机驱动则因使用寿命问题难以普及。

2.2焊接机器人的构成

焊接机器人主要包括两个部分,其是由焊接设备和机器人驱动设备组合而成,机器人本体为运动、控制单元,焊接设备则为工作单元,主要设备由编程器、电源、控制柜、送丝机、焊枪等构成。

2.3焊接机器人常用控制模式

根据焊接机器人控制系统的工作原理和系统结构,可分为非伺服控制系统和伺服控制系统2种。(1)非伺服控制系统非伺服控制系统一般无信号反馈机制,非伺服控制系统下的焊接机器人作业时依照存储在控制器中的控制数据来操作作业模块,只在设备启停时会出现信号反馈机制。非伺服控制的焊接机器人主要用于作业内容相对固定、焊接内容较为简单、焊接精度要求不高的项目。(2)伺服控制系统伺服控制系统是当前生产领域最典型的工业机器人控制系统,此类控制系统搭载大量的传感器,能够时刻感知设备运行过程中的关节位置、运动速度、目标对象位置变化等,从而实现自动化调节,因此伺服控制系统下的焊接机器人能够适应更加复杂的工况,能够完成更加复杂的动作[11]。目前,焊接作业中使用的高性能焊接机器人普遍为伺服控制模式。

3焊接试验结果分析

3.1焊枪距板材距离

经过试验对比可以得出，焊枪距板材的距离在2～5mm区间内对焊接质量影响很小，为次要因素，可以忽略。同时，因为焊丝熔化后受到重力影响有向下流动的趋势，为抵消这一因素，焊枪距板材底边的距离可稍大于焊枪距板材侧边的距离。因此一般情况下，设定焊枪到侧边与底边的距离分别为2mm和3mm。

3.2焊枪与焊缝的夹角

一般来讲，焊枪枪头指向与各轴向的角度呈40°～50°为宜，过大或过小易发生撞枪故障，在可控区间内作业对焊接效果影响较小，为次要因素，可以忽略。通过焊接试验得出，焊枪作业时沿轴向推动状态可使焊接效果达到最佳，故将角度稍作减小，控制在30°～45°为宜，通常可设定为30°，推进效果明显;而焊枪与水平和竖直方向的角度则以45°±5°为宜，通常选定45°为佳。

3.3焊枪移动速度

试验结果表明，焊枪移动速度的改变对焊缝质量存在明显的影响，为主要因素。6mm板材焊接过程中，焊枪移动速度设定为8mm/s时的焊接效果较佳，焊缝满足规范要求。在其他试验参数固定的情况下，为满足焊接质量要求，焊枪移动速度与板材厚度需呈反比关系。当板材厚度逐步提高，焊枪移动速度需逐渐降低，才可使焊缝尺寸达到规范要求。

结语

在焊接领域,人工智能技术也有着广阔的应用前景。焊接机器人能够替代人工焊接,进入到各类复杂环境中,在各种恶劣条件下进行焊接作业,有效节约了人力成本、降低了焊接工人作业风险、提高焊接作业效率。通过文中研究,焊接机器人直流电机控制系统的设计与实现对焊接机器人工作水平的提升具有重要意义。

参考文献

[1]曹晓民,豆飞飞,郑海维.焊接机器人在风力发电机后底座的应用[J].金属加工:热加工,2017(18):8-10.

[2]唐彬,张旺,袁磊.发电机组蒸汽阀门密封面机器人双丝TIG在线修复焊接系统[J].焊接,2016(9):8-11.

[3]蒋彦坤,金宝,龚春源,等.磁极铁心机器人高效焊接技术的应用[J].中国重型装备,2022(4):33-37.

[4]郭中才,冯涛,钟磊,等.大型抽水蓄能球阀机器人窄间隙焊接工艺研究与应用[J].电焊机,2022,52(9):60-65.