基于旋轉電弧立焊裝置設計與軌跡規劃

范　宇　張　華　葉艷輝　樂　健

南昌大學江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，南昌，330031

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基于旋轉電弧立焊裝置設計與軌跡規劃

范宇張華葉艷輝樂健

南昌大學江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，南昌，330031

摘要：設計了一種基于旋轉電弧的豎直焊縫焊接機器人機構，采用了工業計算機與運動控制卡進行控制；水平和豎直滑塊各采用一個步進電機進行控制，利用滾珠絲杠傳動，豎直電機帶有剎車，防止豎直滑塊下滑，以此提高各滑塊的精度和焊接跟蹤質量；焊槍由步進電機控制旋轉，因此可以在焊接過程中進行焊接姿態調節，能夠焊接上下兩端的角點，增加操作的靈活性，提高使用性能。焊接過程較為平穩，焊縫成形良好。

關鍵詞：旋轉電弧傳感器；立焊機器人；豎直焊縫焊接；運動仿真

0引言

目前的焊接行業中，立焊[1]設備采用的焊接成形技術普遍是在熔池形成時輔以冰冷銅塊進行擠壓快速冷卻成形[2]，結構較為復雜，焊槍需要擺動控制并且需要在下面加裝冰冷銅塊固定結構，安裝與調試較為不便。在安裝時對安裝的精度有較高要求，必須保持與焊縫平行，在焊接過程中需要手動輔助微調。該立焊機器人采用旋轉電弧傳感器[3]將采集的焊接信號通過數據采集卡處理并傳送給工業計算機模塊，由自主開發的軟件來進行電流信號的處理，然后經由運動控制卡進行電機的控制，完成整個焊接過程。

這種機器人采用PC104總線結構進行信號采集與處理功能[4]，可以對焊縫在一定范圍內進行跟蹤與微調，配合對焊槍旋轉運動及滑塊的軌跡規劃，協調完成對豎直焊縫的跟蹤與焊接，對于機器人與焊縫的相對位置要求不高，省去了人為調節，焊槍不用擺動，不用外加冰冷銅塊進行冷卻擠壓成形，結構得到簡化，對運動過程應用虛擬樣機技術[5]進行了仿真和實驗驗證,為更復雜的輪式焊接機器人[6]立焊應用提供了前期的技術探索和技術資料，在立焊行業的焊接方式上做出了新的嘗試。

1立焊裝置機構

1.1立焊機器人結構

圖1　立焊裝置

該立焊機器人(圖1)由機器人底座、十字滑塊、焊炬連接板、旋轉機構與焊槍組成。該機器人要求豎直行程盡量大，焊槍能夠旋轉，以便焊接的焊縫足夠長，能達到上下兩個角點，由于豎直焊縫并不是理想的豎直狀態，需要機器人進行適當微調以實現跟蹤的效果，完成整個焊接的過程，焊接過程要求速度均勻平穩。因此機器人的豎直滑塊采用滾珠絲杠傳動，裝配帶剎車的電機，防止機器人水平滑塊斷電掉落；裝配旋轉電弧機構，配合水平滑塊合成豎直平穩的運動；運動過程經信號處理反饋，對各運動進行實時調節。

1.2立焊裝置的焊槍旋轉機構

完整的立焊就是實現全程焊縫的焊接，上下兩個焊縫的端點部分需要重點關注。為了在焊接過程中得到較均勻的焊縫，要求旋轉機構(圖2)運行平穩，由于豎直焊縫成形過程涉及速度合成，需要焊槍的旋轉足夠緩慢，因此選擇帶減速機構的步進電機進行控制。為保證焊接過程中速度的連續性，同時減小旋轉電機的徑向力，在旋轉機構中增加深溝球軸承來減小摩擦和旋轉電機的荷載，并輔以潤滑脂來提升焊接時焊槍轉動的連續性。同時由于焊槍尾端裝有焊絲與CO2輸送組合纜線，加重了焊槍的承重，加裝的軸承能更好地提升徑向力，電機的行星減速機構也提升了轉矩和靜力矩，以便維持焊槍姿態，從而保證了焊接的質量。

圖2　焊炬旋轉機構

2立焊裝置傳感器及其他設備

2.1立焊裝置傳感器

在焊接行業中使用最常見的傳感器一般是機械式傳感器、激光視覺傳感器和電弧傳感器，目前前兩種傳感器應用較廣。機械式傳感器使用簡單易安裝，激光視覺傳感器靈敏度高，提供的信息量大,能更好地識別焊縫。但是它的靈活性差,一般只能進行直線焊縫的跟蹤,對彎曲焊縫并不能進行跟蹤；而激光視覺傳感器必須安置在焊接位置的前側，會造成一定的提前誤差。

電弧式傳感器融合了焊接執行機構與傳感器，在焊接時使焊絲旋轉，通過焊絲長度變化導致的電流變化來進行焊縫的識別。這一方法不僅實時性好，而且在結構上比傳統的傳感器更為緊湊。傳統的前置傳感器會造成較高的提前誤差，在焊縫變形較大的情況下表現得尤為明顯。高速旋轉電弧[7]在焊接過程中的焊接位置即是采集信號的位置[8]，這樣就實現了零提前量的信號采集，在信號采集與執行時有效地消除了提前誤差。圖3所示為旋轉電弧傳感器的結構。

圖3　高速旋轉電弧傳感器結構

2.2立焊裝置其他設備

立焊裝置采用PC104總線結構加數據采集卡和運動控制卡來完成整個立焊系統的運作。用霍爾傳感器來進行焊接過程中焊接電流的信號采集，整個數據采集是由一塊ART2932數據采集卡來進行的，采集的數據傳送到工業計算機中由自主研發的軟件來進行數據處理與執行信號的生成。執行信號通過一塊ART1020運動控制卡來發送，控制焊槍完成動作。

3立焊裝置運動學模型與仿真

3.1立焊裝置運動學模型

機器人的機構簡圖見圖4，圖中AB為垂直滑塊，可上下移動；CD為水平滑塊，可伸出縮進；DE為旋轉電弧旋轉機構，可做俯仰運動；FG為豎直焊縫；焊槍與水平夾角為α；v為沿豎直焊縫方向的焊接速度。

圖4　立焊裝置機構簡圖

整個焊接過程分為三個階段：①豎直滑塊保持不動，焊槍由初始α=45°位置開始順時針旋轉，同時水平滑塊縮進；②焊槍與水平滑塊保持不動，豎直滑塊勻速向下移動；③焊槍由水平狀態順時針轉動至α=-45°位置，同時水平滑塊伸出，豎直滑塊保持不動。整個焊接過程保持勻速，即v不變，設時間為t，則第一階段有

(1)

式中，ω為焊槍旋轉角速度；L為焊槍轉動中心距離焊縫距離；L0為焊槍由轉動中心到焊接處距離；v2為水平滑塊縮進速度。

由式(1)可得

(2)

在焊接過程中要求避免焊接出現不平穩的跡象，式(2)中出現了兩個變量，但是在焊槍旋轉過程中，步進電機位于水平滑塊遠端，并且其轉動過程中需要拖動尾部纜線，因此控制其旋轉速度較為不易，采用使其角速度均勻的規劃方案，則ω 保持不變，可得焊接速度v、水平滑塊縮進速度v2和時間的關系式，通過焊接速度不變的關系，確定焊接速度，由此規劃水平滑塊的速度得出第一階段的運動學模型。第二階段中焊槍保持不動，只需豎直滑塊以焊接速度v向下運動即可。第三階段與第一階段相反，焊槍由水平狀態旋轉至俯角45°，即α由0變為π/4，依舊采用焊槍旋轉角速度不變的方式來進行運動學建模，即可完成模型建立。

3.2立焊軌跡仿真

采用Pro/E中的MDX模塊進行運動學仿真模型的建立，將已經建好的三維機器人系統導入MDX模塊中，再進行各個電機的添加與運動副的添加，最后將式(2)導入MDX模型，完成整個直線豎直焊縫的軌跡模擬。

經過仿真能夠得到豎直狀的焊縫軌跡，在實際焊接過程中由旋轉電弧傳感器進行精確的跟蹤調節，進而完成整個焊接過程。

4焊接實驗

將機器人組裝完成之后與焊機連接進行實驗。實驗采用Panasonic YD-500GM W型焊機和與其配套的送絲機；所用的保護氣為CO2保護氣；采用φ1.2 mm的實芯焊絲焊接；焊接電流194 A，電壓24 V；焊接速度40 cm/min；焊接樣品為厚度5 mm的45鋼豎直角焊縫。實驗結果(圖5)良好。

圖5　立焊裝置焊接實驗結果

5結束語

本文所述基于旋轉電弧立焊裝置能夠平穩地完成豎直焊縫的焊接與成形，成功改變了傳統的手工自蔓延焊接和氣電立焊設備的焊接方式。相較于固定的工作臺式六自由度機械手焊接設備，本方法具有更好的可運輸性，焊接結果成形良好，基本達到工業中對焊縫成形的要求，在焊接行業自動化技術領域有一定的發展前景。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-11

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2013AA041003)

中圖分類號：TG43

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.022

作者簡介：范宇，男，1991年生。南昌大學機電工程學院碩士研究生。主要研究方向為焊接機器人與自動化。張華，男，1964年生。南昌大學江西省機器人焊接與自動化重點實驗室教授、博士研究生導師。葉艷輝，男，1979年生。南昌大學機電工程學院講師、博士研究生。樂健，男，1988年生。南昌大學機電工程學院博士研究生。

Design and Motion Planning of Vertical Seam Welding Device Based on Rotating Arc

Fan YuZhang HuaYe YanhuiLe Jian

Key Laboratory of Robot & Welding Automation of Jiangxi Province,Nanchang University,Nanchang,330031

Abstract：A vertical seam welding robot mechanism was designed based on rotating arc, an industrial computer and a motion control card were used to control. Horizontal and vertical slider were controlled by a stepping motor respectively, and drove with ball screws. A vertical motor with brake was used to prevent the decline of vertical slide block. It might increase the accuracy of the slider, and improve welding tracking quality. The rotation of welding torch was controlled by a step motor, to realise welding gesture adjustment in welding process, and the upper and lower corner might be welded,and the flexibility and the performance were improved. Welding processes are more stable, the appearance of welding seam is excellent.

Key words:rotating arc sensor；vertical welding robot；vertical seam welding；motion simulation