焊接机器人在工程机械制造业的应用

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摘要：通过介绍工程机械铲刀体的结构及焊接工艺、变位机装夹工装的设计以及KUKA焊接机器人自主进行编程、焊接工艺设定、优化焊接程序，阐述了工程机械铲刀体采用机器人焊接在焊接质量、生产效率、安全生产和柔性化管理等方面的特点。

关键词：焊接机器人；工程机械；铲刀体；柔性化

1.概述

我公司主要生产平地机、压路机等工程机械，铲刀作为平地机关键核心部件之一，其组对尺寸、焊接质量、加工精度以及外观质量都非常重要。尤其对于铲刀的结构件铲刀体的焊接质量要求达到一级焊缝，这就对焊接人员的焊接技能、设备性能、设备稳定性等方面提出了较高要求。工业机器人不仅能够实现焊接自动化生产，解放劳动力，提高焊接效率，而且焊接质量稳定，可保证精度和产品焊缝美观，也便于组织生产和自动化管理，因此工业机器人在我公司被广泛应用。本文就KUKA机器人在平地机铲刀体自动化焊接应用状况及技术特点进行阐述。

2.铲刀体结构及焊接工艺

铲刀体主要由刀架板、上滑道、下滑道及油缸座板等组成，属于典型的长条形框架类结构，不仅焊缝数量多，大部分为长焊缝，而且整体焊缝质量要求很高，尤其是刀架板弧形板处连接焊缝要求为一级，其他处焊缝也要达到二级要求，焊缝外观质量全部要求为一级。平地机生产初期，由于制造水平落后，人力成本高，工业机器人等自动化设备还没在工程机械制造业应用，公司平地机焊接生产处于机械化阶段，铲刀体制造主要采取机械式工装进行组对，然后进行人工地摊式焊接。在焊接过程中需要用焊接支撑架固定焊接，为得到较好焊接位置需要用行车吊装翻转至船型位置，这样不仅存在较大的不安全因素，而且由于焊缝长约4m，工人无法一次性焊完，需要停留几次才能完成一道焊缝。采用上述方法，导致铲刀体焊缝质量受人员技能水平的影响，一些关键焊缝会出现气孔、未熔合、未焊透、弧坑等焊材缺陷，经常返修，不仅降低了铲刀的生产效率，而且人员操作环境恶劣，焊接劳动强度大。

3.工艺改进

随着企业的发展，公司越来越重视生产能力的提升，组织实施了产品生产技术的升级换代，为此引进一台工业机器人应用于铲刀体的焊接。我公司选用KUKAKR16L6-2型六轴天吊式焊接机器人，采用KUKAKRC2控制器，德国原装进口EWM焊机，一套头尾式标准旋转变位机以及龙门式3轴移动装置组成的焊接机器人系统。该系统操作时焊接机器人和变位机能够实现联动，完成焊接过程。具体操作如下：

（1）机器人焊接装夹工装

铲刀体采用机器人焊接前，需要一套固定装夹工装。首先进行了变位机的装夹方案制定与验证工作。利用原有装夹工装基础上改造，并结合铲刀体的结构，优化定位方式、装夹方式，两端采用弧形固定板，直接焊接在原有工装上，不影响原有工装的使用，达到了工装的通用性；然后在弧形固定板上按照铲刀体的铲刀安装孔的位置钻通孔，通过孔对中和弧面贴合铲刀体放置到工装上，用螺栓和螺母将其固定牢靠，可实现变位机360°旋转。

（2）编程顺序

编程属于机器人焊接比较重要的过程，好坏直接关系到工件的焊接质量和焊接效率。我公司采用示教器运行方式，将工件通过变位机旋转至合适位置，移动机器臂空间位置到达需要焊接的位置，建立空间点，调整好机器人焊枪的姿态；为了日后工件焊接位置的稳定性，先编制机器人寻找工件的点，每一个位置寻点全部编制完毕，然后编制焊接程序，通过寻点的位置赋值给焊接的起始点和收弧点。由于铲刀体多为弧形结构，焊接程序设置为圆弧编制，为了获得船型最佳焊接位置，还需要配合变位机同时旋转，记录寻位点和焊接位置点，修改并保存焊接参数，最后模拟焊接过程调整焊枪角度和焊接参数，首件进行工艺验证，寻位功能实现铲刀体批量焊接。

（3）焊接工艺

采用机器人自动焊接，主要有焊枪摆动控制、焊接参数控制、焊枪角度及干伸长控制、多层多道焊控制。下面对机器人焊接工艺过程控制进行阐述：首先，焊枪摆动参数包括摆动方式、摆动类型、摆动频率以及摆动宽度极点位置停留时间，通过调整以上参数优化铲刀体的焊枪摆动，确定焊枪的角度和干伸长度。根据不同坡口类型及坡口尺寸选择合适的摆动方式、摆动类型、摆宽。其次，焊接参数控制，焊接参数主要包括起始点和收弧点焊接电流、电弧电压，焊接过程中焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量。各个参数之间要合理匹配，只有经过工艺验证才能使用，否则会造成焊接时飞溅增多堵住焊枪口，或者产生未焊透、咬边及弧坑等焊接缺陷。由于该EWM焊机为一元化调节，所以只需设置合理的焊接电源和焊接速度即可，焊接参数根据不同焊脚大小选择，具体参数如附表所示。由于铲刀体属于关键部件，因此焊缝焊脚比较大，多为15mm以上，这时需要采用多层多道命令才能完成要求。KUKA焊接机器人设置有多层多道焊命令，调用该命令时，需调整焊枪姿态和焊接参数方可完成。

4.机器人焊接特点

铲刀体机器人焊接具有以下优点：①采用机器人焊接，焊缝可达率90%以上，基本实现了机器人全位置焊接，下来只需人工找点焊补。②通过机器人寻点功能，可实现铲刀体焊接大批量生产。③提高焊接质量，且能保证均一稳定。因为每条焊缝焊接参数都是固定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低对焊工操作技能的要求。④改善焊接环境，工人只需吊装和拆卸铲刀体，焊接时不需要其他操作，避免弧光、烟雾和飞溅。⑤提高生产效率，产量质量容易控制。机器人焊接可以连续作业，节省人工焊接翻转占用行车的时间，同时消除了翻转铲刀体的安全隐患，机器人生产节拍是固定的，安排生产计划明确。⑥生产柔性化，相同类型的铲刀体通过改变焊接机器人程序就可以焊接，不需要购买焊接设备就能实现自动化焊接，体现了焊接机器人在铲刀体焊接的柔性化生产。焊接机器人在工程机械制造业使用是必然趋势，但由于自身的特点还存在很多不足：例如一次性购买整体设备，投资大，系统结构复杂，本体部件都是进口件，价格昂贵，国内没有可靠的生产能力；对设备维修要求很高，一旦过质保期，厂家维修价格贵；编程、故障排除、软件运行等需要专业培训，才可以上岗。

5.结语

经过铲刀体首件工艺验证，所有焊缝达到要求，目前已经批量运用机器人焊接，替代了原来人工地毯式焊接，降低了工人劳动强度，消除了行车翻转存在的安全隐患，同时提高了焊缝质量、生产效率，满足其他类型铲刀体的柔性化设计，符合公司的“降本增效”的要求。下一步将继续推广机器人自动化焊接在工程机械制造业的应用，不断提高焊接自动化水平，提升产品的核心技术竞争力。

作者：郭亮 惠燕先 杨列超 张瑞臣 王学让 单位：山推工程机械股份有限公司道路机械公司