汽車鋁橫梁電子束焊接中焊接軌跡研究和工藝分析

吳星　歐全梅

摘 要：分析了汽車鋁橫梁的焊接工藝，針對電子束焊接應用中的焊接軌跡進行了分析，并對關鍵的坐標系統(tǒng)以及軌跡最優(yōu)化的方式進行了闡述，利用法線與打點操作的思路來獲得最優(yōu)的焊接軌跡，可以改善相關工藝性能。

關鍵詞：自動焊接；軌跡分析；工藝參數(shù)；合理優(yōu)化

引言

焊接技術不斷進步，各種特殊材料與技術的應用改變了焊接技術的應用模式，電子束焊接與其他技術相比高熔透性以及變形小、能耗低等特征已經(jīng)被廣泛的應用與車輛生產(chǎn)中，配合自動化的生產(chǎn)模式，其可以發(fā)揮更好的作用，下面就對其在汽車橫梁焊接中的焊接軌跡與工藝進行分析。

1.自動環(huán)節(jié)的四軸運動

因為焊接設備與生產(chǎn)空間的影響，在橫梁生產(chǎn)中采用的四軸運動的方式，其對自動化焊接的軌跡影響較大。所以在研究焊接軌跡分析前應對四軸運動方式進行分析，生產(chǎn)中主要保證電子束流盡可能的沿著焊縫方向前進，呂橫梁模塊焊接的夾具有兩個自由度，一方面焊接中勻速向前，一方面還要圍繞中心軸進行適度旋轉，調整焊接的角度保證焊縫沿著設計需要進行焊接，同時焊槍也具備一定的自由度，電子槍在焊接時也應配合夾具的運動完成橫向移動，即移動到適應焊接系統(tǒng)的坐標位置完成焊接，最后還應注意電子束聚焦深度控制，通常需要調整焦距來實現(xiàn)，保證焊點位置的準確，而夾具轉動角度為適應焊槍垂直于工件。因為焊縫的特點，通常可以選擇一個微分的概念來解決這個問題。假設焊縫的面為多個微觀的小面，且為平面，這樣焊接的軌跡即為焊槍定點與諸多平面垂直接觸的過程，求出近似垂線，即為焊接法線。

2.焊接系統(tǒng)的坐標和工作坐標分析

汽車零件是一個三維實體，通常可以作為原始坐標的一個原始坐標，這個原始的坐標是汽車加工的基礎，尤其是檢測的時候更應將整車坐標作為基礎，可以避免累積誤差的出現(xiàn)而影響總裝。但是零件加工時可以設置加工坐標，此時設置電子束系統(tǒng)的電子束和零件回轉軸的交叉點，二者垂直交叉構成一個焊接系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)、輸入到焊機的每個點以及零件夾具的角度都應在該坐標系的基礎上。如前分析焊接頂面是一個復雜的三維曲面，所以在焊接中必須保證電子束應沿著工件的頂面進行法線運動，這就是焊接坐標系構建的必要性。此時要對軌跡進行分析，就應做兩個工作：第一，對焊接面進行微分，使之成為n個平面，逐個建立工作坐標并求出法線；第二，在坐標系統(tǒng)的基礎上，對每一根工作坐標下求得的法線位置進行調整和變換。如下圖1所示，abcd為一個焊接曲面，其中Pi和Pi+1代表焊點和對稱的qi和qi+1共同構成一個微分面。其中Pi和qi坐標是唯一的，諸多曲面構成了一個坐標系統(tǒng)。

法線的姿態(tài)分析，從上面的分析不難發(fā)現(xiàn)，法線是垂直于微分平面的，在焊接過程中發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)三維范圍內(nèi)的坐標改變，主要是X和Y軸變換的同時也出現(xiàn)角度變換，這樣就實現(xiàn)了對法線姿態(tài)的改變，不斷的改變法線的姿態(tài)就完成了沿著焊縫的軌跡描述。此時應注意的是電子束焊焦點的位置是影響焊接質量的重要因素，因此軌跡分析中必須對坐標進行精確求解，而法線的矢量的姿態(tài)正是焊接是需要調整的角度，因為焊接機構只能調整繞Y軸的角度改變，所以夾具能否圍繞中心回轉軸的旋轉到設定的角度，是焊接質量的關鍵。在對法線進行描述即完成了對軌跡的描述，而在實際的操作中應求出每根法線與焊接坐標系統(tǒng)三個坐標的夾角。

焊點坐標的變換，在軌跡分析中焊點坐標的改變是軌跡描述的重要方式，可以根據(jù)求得的法線角度對軌跡進行三維描述。將焊點坐標對應的角度進行改變，即獲得法線與垂直面的夾角，實際就是在焊接時保障焊縫垂直向上，夾具帶動工件進行旋轉適應焊接設置的要求。當工件回轉一定角度后，焊點坐標就會改變，坐標系統(tǒng)中對應的點也發(fā)生改變，所以在軌跡描述中獲得的法線角度，就是改變后的坐標要素，可以看出法線旋轉不影響焊點的X坐標，所以要將焊點的坐標與法線坐標都映射到焊接系統(tǒng)的坐標中，得到的就是新的焊點位置與新的焊接法線，以此就可完成對焊接軌跡的描述。取值Xa、Ya、Za變換后為Xb、Yb、Zb對應的公式可以寫作：

3.鋁橫梁的電子束焊接的工藝分析

焊接工藝的研究與分析是在焊接前對整個工藝情況進行分析，以此發(fā)現(xiàn)和解決在生產(chǎn)中容易出現(xiàn)的問題，所以在實施電子束焊接前應對相關工藝進行研究。一方面從保障焊接結構進行分析，保障焊接結構的外觀尺寸同時也應保證公差滿足設計要求，同時也應保證焊接件的質量。電子束焊接的工藝闡述包括電流、電壓、焊接速度、對焦電流和工作距離等。這些都應是研究相關工藝時應當注意的層面。從本文的角度看，既然進行了軌跡分析，就應對焊接軌跡的規(guī)劃進行研究，這是一個重要的工藝指標，所以下面就利用前文的研究方向對中線以及坐標轉變進行研究。

3.1回轉中心的優(yōu)化分析

自動化加工中，回轉中心的設置是焊接設備和工件在焊接中必須面對的工藝問題，其直接影響到工件和焊接夾具運行的模式，即回轉半徑以及焊槍的運動范圍，在實際生產(chǎn)中運動半徑越小其功耗和效率也就越優(yōu)化，即回轉半徑最小。回轉中心線所確定的坐標方向也就確定了工件在焊接時坐標的方向。首先應當明確初始狀態(tài)下，回轉中心線在設備生產(chǎn)時不能進行精確地計算與分析，僅僅依靠的是工程師的經(jīng)驗和制造要求，而實踐中每個工件的形狀和性質不同，針對每個焊點的焊機姿態(tài)也就不同，取得一個合理而高效的中心點和中心線是十分必要的，如果不經(jīng)過設計和調整，容易出現(xiàn)誤差而不能獲得最小的回旋半徑，此時真空筒則需要增加體積，容易影響真空時間和電子槍的運動范圍。其次，需要明確在實際成產(chǎn)中需要對回轉中心線進行精細分析與再次求解。在原始的坐標下，沿著焊接縫進行軌跡分析可以獲得焊點在各個方向上的極值點并獲得對應的中心點，得到加工中的原始坐標原點；根據(jù)焊接的需要應對其減少需要插補的焊接位置的要求，將工作坐標的方位進行調整，使之達到最佳的點。在鋁橫梁的焊接中，可以利用在焊接縫上的等距打點的思路來完成對焊接點和中心線的確定，從而實現(xiàn)操作的優(yōu)化。1）確定中心線的方向，根據(jù)每個工件的形狀進行分析與研究，利用計算機對其進行模擬獲得中心線，最為重要的是盡可能的減少需要插補的焊接位置。2）確定中心線的坐標以及坐標原點的位置，在各個可能的幾點附近進行等距打點，獲得對應的坐標數(shù)據(jù)。通過計算機對各個點的數(shù)據(jù)進行獲取與分析，對比獲得對應的最佳的中心點。包括在X軸上的中點以及Z軸上的中點，這樣就可重新設定X和Z軸的原點坐標，從而選擇最小的回旋半徑。在這個過程中應考慮焊接設備的基本狀況，即機械要求，確定工件頂端100mm作為Y軸的原點坐標，以此保證加工中不能出現(xiàn)機械問題。3）將中心線的坐標原點和中心線Y軸方向進行綜合確定后，可以繪制出整個回轉中心線。通過計算機即可計算獲得一個最優(yōu)化的結果，基本可以保證獲得回轉半徑的最小值。同時可以確定焊接的坐標軸方向，也為后續(xù)的計算和仿真打下良好的基礎。同時回轉中心線和回轉坐標軸確定也是焊接工藝中最為重要的工藝參數(shù)，其將直接影響整個焊接的工藝控制。

（2）焊接軌跡的優(yōu)化處理

焊接中心線確定后即可以對焊接軌跡進行分析和優(yōu)化，焊接軌跡的仿真也是焊接生產(chǎn)中重要的參考依據(jù)。分析所得到的的數(shù)據(jù)結果將輸入焊機，成為實際操作的重要數(shù)據(jù)，也是影響焊接效果的重要工藝參數(shù)。如前面所述，在焊接過程中需要對焊接的軌跡進行分析，如利用加工好的零件進行試驗，調整期焊接的工藝參數(shù)后利用圖紙和數(shù)據(jù)模型等確定焊縫的位置和焊接軌跡。然后將工件進行焊接試驗，以此觀察焊接的過程十分存在問題，由有經(jīng)驗的技師進提出改進意見，并將焊接姿態(tài)等確定，然后確定焊接軌跡，這個過程往往反復多次，且較為復雜。這個傳統(tǒng)的開發(fā)方式不僅僅會大量的浪費人力和物力，同時也對產(chǎn)品轉型和發(fā)展造成了負面的影響。且在獲得數(shù)據(jù)的過程中不能保證精確，反復多次的試驗也不能獲得良好的設計效果，所以在實際的應用中已經(jīng)不能適應大規(guī)模自動化焊接生產(chǎn)的需求。因此在實際的操作中借助仿真軟件來進行模擬是較為可行的，即利用計算機來仿真模擬電子焊槍的運動軌跡以及工件的運行情況，這個過程中利用焊縫上等距打點的原理進行操作。在得到回旋中心線以及坐標后，可以得到焊接系統(tǒng)的坐標，在這個坐標下可以重新在焊縫上修正打點結果，到的數(shù)據(jù)也就是在焊機上可以使用的焊接系統(tǒng)坐標，這個值是以準確的坐標值。焊點坐標值準確獲得后，可以直接確定焊槍的運動軌跡，這也是一個相對重要的工藝參數(shù)。

因為焊接時除了應控制焊點位置外還應控制法線姿態(tài)，所以利用焊縫左右對稱打點的方式，建立諸多微小平面，獲得每一個微小平面的法線，因為數(shù)據(jù)點相對密集，所以近似的認為微小平面的法線方向就是焊縫的法線方向。得到這個法線后，分析計算獲得發(fā)現(xiàn)的角度，也就獲得了焊縫法線的姿態(tài)。法線和垂直平面之間的交角也是一個重要的焊接工藝參數(shù)。

最后，將計算分析獲得結果進行仿真，優(yōu)化焊槍的運行軌跡，也就形成了一個相對優(yōu)化的焊接軌跡，不但可以提供較為準確的參考數(shù)據(jù)也可減少試驗過程中消耗的時間和人力等，這樣的獲得的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過仿真而模擬真實的加工過程，也可通過材料、工件性狀等的調整獲得不同工況下的模擬軌跡，可以大幅度的提升整個焊接工藝的質量。

4.結束語

綜合看，汽車鋁橫梁的焊接中，其對工藝質量要求較高，采用先進的電子束焊接技術可以幫助提高工藝性能，但是應注意的是應對焊接的軌跡進行細化分析并對相關工藝參數(shù)進行分析，并利用計算機仿真技術來對其進行模擬，獲得最優(yōu)的焊接軌跡，這樣才能保證焊接效率和質量。

參考文獻：

[1]應燦.焊接機器人工作站協(xié)同運動的軌跡優(yōu)化研究[D].華南理工大學，2013（05）.

[2]宋琳琳，徐志剛，王軍義，毛明旭.基于GA算法的協(xié)調機器人雙光束激光焊接軌跡規(guī)劃研究[J].制造業(yè)自動化，2014（10）：116-118.

[3]吳曉明，唐衡郴，王陸釗，景鋒，蔣立影.鋁合金自動焊接焊縫跟蹤技術研究[J].電焊機，2013（10）：59-62.

[4]高勝，張飄石，劉巨保.柔性宏剛性微機械臂空間焊接軌跡跟蹤[J].焊接學報，2014（2）：37-41.

[5]王廣英，胡文浩.軌道車輛自動焊接調試技術及焊接缺陷分析與控制（三）[J].焊接技術，2014（03）：53-55.

[6]何宇.淺析電子束加工工藝特點及其應用[J].科技視界，2014（06）：56-57.

作者簡介：

吳星（1980.11—），女，廣西柳州人，漢族，工學碩士，柳州職業(yè)技術學院講師，主要從事機電一體化研究。

歐全梅（1969—），女，碩士，副教授，主要研究方向 單片機應用及計算機應用技術。