機器人焊接挖掘機動臂的離線模擬及焊接質量優化

曹 晉，吳群彪，卓 峰，方海峰，王 琪

(江蘇科技大學機電與動力工程學院，江蘇 張家港 215600)

焊接技術是制造業中最重要的工業生產技術之一，廣泛應用于機械制造、航空航天、橋梁建筑、電子產品生產等領域中[1]。焊接機器人是通過法蘭盤將焊槍安裝在工業機器人的末軸上實現焊接工作的機器人。據有效統計結果顯示，焊接機器人占到工業機器人數量的一半，這也意味著，焊接機器人的發展史就能夠代表工業機器人的發展史[2]。國際上知名的工業機器人公司有瑞典的ABB、日本的安川(YASKAWA)和發那科(FANUC)、德國的庫卡(KUKA)，這四家被稱作世界工業機器人四大家族[3]。

挖掘機以其具有的多功能性(即能夠通過安裝不同的作業工具以適應各種工況條件)、靈活性和高效率等特點，已經成為最主要的工程機械之一。在世界范圍內，我國挖掘機的產銷量占第一位[4]。挖掘機的工作環境和條件要求挖掘機的整體結構必須具有足夠的剛度，所以挖掘機結構件在其制造中對焊接質量的要求非常高，尤其是挖掘機的動臂。通常情況下，焊接勞動強度高并且工作環境較為惡劣，對于焊接量大的工件，采用人工焊接時產品質量和精度普遍較低。由于挖掘機動臂焊縫較長，通常人工焊接難以實現高效率、高質量的焊接要求[5]。

隨著市場對焊接機器人焊接挖掘機動臂工作質量要求的提高，人們亟需一套適用性高的離線編程方法、焊接效果更好的焊接參數。通過計算機軟件完成焊接過程所需模型的建立，輸入編程或參數經過仿真計算后對輸出的數據進行比較分析以獲得參數的優化效果，則是一種可靠性高的優化方法。

1 建立焊接工作站

常見的挖掘機結構主要由工作裝置、動力裝置、傳動結構、回轉操縱結構、行走結構和輔助裝置等構成。

挖掘機動臂結構主要由上、下封板，左、右封板，安裝板和吊耳等組成，截面為矩形的箱體結構，內有加強板，如圖1所示。

1—左安裝板；2—上封板；3—下封板；4—油缸支座；5—后支座；6—右封板；7—左封板；8—右安裝板

圖2為挖掘機動臂的二維簡圖，焊接后的動臂尺寸參數：前后兩端孔間水平長度為6 144mm，左右兩封板距離為860mm，高度為1 323mm。

圖2 挖掘機動臂二維結構簡圖

通過計算并結合機器人運動范圍，選用型號為IRB7600的機器人，其動作區域如圖3所示。

圖3 IRB7600型機器人動作區域

RobotStudio是ABB機器人公司開發的進行機器人焊接離線編程的軟件，可在實際構建機器人系統之前，先進行系統設計與試運行。通過RobotStudio可以對機械手的運動路徑進行編程，通過試運行來觀察機械手的運動以確認焊接路徑是否合理，并獲得焊接所需的時間[6]。通過該軟件編寫的程序可以同步到機器人的控制器中，技術工人使用控制器即可控制機器人運動。

焊接機器人工作站的建立包括選擇合適的焊接機器人并設定其位置，選擇合適的控制系統，選擇合適的焊槍以及導入待加工工件。

第一次導入時，由于擺放的位置不合理可能會導致有些焊接目標點無法到達，因此需要顯示出機器人的工作范圍，方便觀察所有焊接路徑是否都在機器人的運動范圍內。

通過項目瀏覽器中的位置選項，直接定義機器人的坐標和角度，使其能夠與實際機器人運動情況保持一致，確保仿真結果真實可靠。最后導入控制柜、送絲機構和隔離欄等工具，得到完整的焊接工作站，如圖4所示。

圖4 焊接工作站

在使用虛擬示教器之前需要在工作站布局中建立機器人系統，使機器人模型能夠跟真實機器人一樣運動。創建機器人系統的方式有3種：根據已有布局創建系統、創建新的系統或者添加已有系統。本文選用上面布局好的焊接工作站，直接根據布局創建系統。對工業網絡進行設置，選擇Industrial Networks(工業網絡)中的709-1 DeviceNet Master/Slave(標準I/O板)。

2 機器人離線軌跡編程

2.1 創建工具坐標系

機器人系統對機器人位置的描述和控制是以機器人的工具TCP(tool center point，工作點)為基準的，利用該基準創建工具坐標系，可以將機器人的控制點移到工具末端，方便手動操縱機器人移動，實現更精準的定位。

定義工具坐標系前，先啟動機器人系統中的虛擬示教器，通過虛擬示教器進行設置。工具坐標系的定義通常采用四點法來實現。以第一種姿態將機器人手動移至兩尖端相接觸位置，選擇示教器中的點1，點擊修改位置，這是確定的第一個點，如圖5所示。

圖5 修改第一種姿態

依次用另外兩種姿態使得機器人與尖端相接觸，分別修改為第二個和第三個點。第四個點主要用來確定坐標系中的Z軸方向，使得焊槍沿Z軸正方向移動，并與原點保持一定的距離，如圖6所示。

確定完四點的姿態后，修改參數，輸入實際質量mass=0.5kg和工具重心參數cog.x=50mm、cog.z=100mm，點擊確定保存數據，為新模塊定義一個新名稱。

圖6 修改第四種姿態

2.2 創建焊接工件目標點和軌跡

機器人主要針對挖掘機動臂的長直焊縫進行焊接，即上、下封板與左、右封板之間的直線焊縫和圓弧焊縫以及中間油缸支座處的圓弧焊縫。

1)生成焊接目標點。

目標點用來定義上述焊縫在焊接過程中的起始點和終止點，目標點可以通過基本選項卡中的目標點選項建立。

2)生成焊接路徑。

RobotStudio中生成焊接路徑的方法有兩種：系統自動識別生成和人工手動生成。通常由系統自動識別生成的路徑是沿幾何體邊緣的直線或曲線創建的，當機械手焊接頭沿著該自動識別生成的路徑移動時，機械手運動過程中的姿態大多不是機器人的理想焊接姿態，軸關節可能會超過運動范圍，出現奇點現象。

因此本設計采用第二種手動編程生成路徑的方法。手動編程方便調整焊槍TCP的姿態，使其達到最適合的位置，保證生成的焊縫符合要求，生成的焊接路徑如圖7所示。

圖7 焊接路徑

2.3 機器人焊接路徑程序生成

示教器在手動模式下，建立主模塊以及主程序。圖8 為將焊接路徑轉化為路徑目標點的示意圖。

圖8 路徑目標點示意圖

將整個焊接路徑分為3段，即P10到P50、P60到P100和P120到P160。P10到P50為下封板和右封板間的焊接軌跡，P60到P100為上封板和右封板間的焊接軌跡，P120到P160為中間油缸支座與右封板間的焊接軌跡。

在焊接開始時要定義初始位置為運動起點，取名為“Phome”，從初始位置運動到焊接起始點為關節移動(MoveJ)，為防止產生碰撞，在中間定義一個目標點取名為“Phome10”，編輯程序指令：

MoveJ Phome，v1000，z50，tool0；

MoveJ Phome 10，v1000，z50，tool0；

從P10點開始為實際焊接路徑，通過虛擬示教器將機器人移動到焊接起始點P10。添加ArcLStart直線焊接開始指令，將機器人TCP點移動到直線焊接結束位置P20點。從P30到P40為圓弧焊接，添加ArcC圓弧焊接指令，P40到P50為直線焊接，添加ArcLEnd指令。第一段焊接路徑程序如下所示：

ArcLStart P10，v1000，seam2，weld2，z50，tool0；

ArcL P20，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

ArcC P30，P40，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

ArcLEnd P50，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

第二段焊接路徑為P60到P100，從P50到P60不需要焊接，因此焊槍移動為關節移動(MoveJ)，從P60開始焊接，到P70為直線焊接，P70到P90為圓弧焊接，中間P80點為過渡點，P90到P100為直線焊接。第二段焊接路徑指令為：

ArcLStart P60，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

ArcL P70，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

ArcC P80，P90，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

ArcLEnd P100，v1000，seam2，weld2，fine，tool0；

第三段焊接路徑為P120到P160，即中間油缸支座的圓弧焊接。從P100移動到P120為過渡路徑，也不需要焊接，同樣采用關節移動(MoveJ)，關節移動時再添加一個過渡點P110，在圓弧焊接過程中增加3個焊接過渡點，保證圓弧焊接的完整性和精確性。得到的焊接指令如下：

MoveJ P110，v1000，seam2，weld2，z50，tool0；

MoveJ P120，v1000，seam2，weld2，z50，tool0；

ArcCStart P130，P140，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

ArcCEnd P150，P160，v1000，seam2，weld2，z10，tool0；

3 路徑仿真及驗證

程序編寫完成后，使機器人按照程序運動，同時使用仿真選項中的碰撞監控功能來檢測焊槍與挖掘機動臂以及工裝夾具之間是否有干涉現象。當出現干涉現象時，應當及時調整機器人姿態，或改變機器人的運動軌跡。

焊接機器人從運動起始位置Phome點開始運動，經過Phome 10點，到達實際焊接起始點P10，運動過程中各關節動作自動將焊槍調整至合適角度，如圖9所示。

第一段焊接路徑為P10點到P50點，中間包含P10到P20的直線焊接、P20到P40的圓弧焊接和P40到P50的直線焊接，機器人的部分運動姿態如圖10所示。

圖10 焊接第一段路徑時機器人運動姿態

第二段焊接路徑為P60點到P100點，在第二段焊接路徑之前的P50到P60不需要焊接，機器人以關節移動的方式運動。第二段焊接路徑包含P60到P70的直線焊接、P70到P90的圓弧焊接和P90到P100的直線焊接，機器人運動姿態如圖11所示。

圖11 焊接第二段路徑時機器人運動姿態

機器人在結束第二段焊接路徑后，以關節運動的方式運動到第三段的焊接起點P120。第三段焊接路徑為中間油缸支座的圓弧焊接，焊接結束后機器人運動到Phome點，程序結束。機器人運動姿態如圖12所示。

圖12 焊接第三段路徑時機器人運動姿態

4 焊接質量仿真及焊接參數優化

4.1 焊接質量仿真

在Simufact.welding中用戶可以自己創建焊接路徑和機器人模型，焊接路徑和焊接參數可以按需求自行修改。工件的夾緊工具、固定和支撐等邊界條件也可以通過軟件輸入。Simufact.welding中所有的模型和參數都可以在進程樹中進行定義和修改，然后對比不同工藝帶來的仿真結果變化[7]。

安潔西微微皺了下眉，剛才她感覺出有一道不明的視線在背后注視著她，那種感覺……令人不悅，就好像置身于林中，隨時都會有狩獵者從暗中撲出一樣。

挖掘機結構的焊接方式主要是熔化焊，常見的有二氧化碳氣體保護焊。二氧化碳氣體保護焊作為一種焊接效果好、消耗低的焊接方法，在國內的工程機械行業已經成為最主要的焊接方法。進行焊接質量仿真的步驟如下：

1)網格劃分。調用網格劃分界面，選擇Body選項，進行體網格劃分，選擇hex網格類型，輸入網格尺寸大小為5mm，其余參數默認，開始劃分網格。依次對剩下的所有實體進行網格劃分，劃分好的網格如圖13所示。

圖13 網格劃分結果

2)定義焊接路徑。在Simufact.welding中需要通過設定一系列的點集，將其儲存為集合的形式，再將集合應用到焊接軌跡的定義中。為方便計算，只選取圓弧的1/4作為焊接路徑。建立好點集后，將先前建立的點集導入到新建路徑中，坐標系設置為x=0，y=-1，z=1，導入單位選擇Millimeter。

對焊接路徑進行焊接參數設置，焊接速度為5mm/s，焊接電流為200A，焊接電壓為28V，熱效率為0.85。熱源模型選用高斯雙橢球熱源模型，雙橢球熱源模型結構如圖14所示。

圖14 雙橢球熱源模型

其中af是沿長軸方向上熱源中心到前端點的距離，取值為3mm；ar是熱源中心到后端點的距離，取值為12mm；b是短軸方向上橢圓寬度的1/2，取值為4mm；d是橢球的深度，取值為4mm。參數設置好后，將設置好的焊接路徑拖拽到機器人(Robot)進程樹下。

3)焊槍參數的設定。雙擊焊槍進入參數設置界面，在第二個選項卡Trajectories中，將焊接路徑投射到組件的表面，并設置焊槍偏移表面0.4mm。點擊第三個選項卡fillet generation，生成焊縫填充單元，設置焊縫厚度為5mm，另外設定焊縫凹凸值b為0.8mm，在網格細化質量中選擇中級，預覽生成為焊縫，檢查無誤后單擊“OK”完成創建，得到的焊接路徑和焊縫如圖15所示。

圖15 焊接路徑及焊縫

4)設定邊界條件。因為焊接所用時間為14.8s，所以卸載時間設置為20.0s。重復該操作，對fixing2也進行同樣的設置。根據實際載荷的變化量與工件變形的位移量，設置夾持彈簧的剛度為1 000N/mm，設置夾持力為500N。重復該操作，對clamping2、clamping3、clamping4也進行同樣的設置。

圖16 熔池切片形狀

計算完成后查看結果，包括溫度場變化、焊接變形、殘余應力等，如圖17，18所示。

從圖18所示結果可以看出，焊接變形主要出現在生成焊縫部分，其中最大變形長度為0.7mm。

圖17 焊接過程溫度場變化

圖18 焊接變形圖

從圖19可以看出，應力集中主要出現在生成焊縫的兩側，其中最大應力值為270MPa。

圖19 應力集中圖

4.2 焊接參數優化

焊接過程不是一個穩態過程，焊縫區和熱影響區的溫度會隨著焊絲的移動而發生變化[8]。因此焊接電流、焊接電壓和焊接速度這些焊接參數對焊接質量有著很重要的影響[9-11]。

1)焊接電流與電壓的選擇。焊接電流決定了焊接熱輸入量的大小，影響焊縫的熔深，而焊接電壓對焊縫的熔寬影響較大。在仿真中將焊縫的寬度固定為5mm，所以這里保持焊接電壓和焊接速度不變，根據前期實驗的結果，擬采用表1中不同的焊接電流進行仿真。

表1 焊接工藝參數表

焊接仿真完成后，調整監視器位置，查看熔池的形狀，如圖20所示。

圖20 不同焊接電流下的熔池形狀

通過熔池形狀可以看出，第一組兩邊焊腳熱輸入不夠，導致熔深和焊縫長度較短，易造成不完全焊透、夾渣和冷裂紋等問題；第四組和第五組熱輸入較多，導致熔深較大、焊縫寬，可能造成焊縫的咬邊、氣孔以及熱裂紋等問題；第二組和第三組的熱輸入足夠，熔深、焊縫都較符合要求。通過對上述結果的比較，可知焊接電流在240～280A范圍內較為合理。

2)焊接速度的選擇。根據上面仿真得到的合理范圍內的焊接電流及電壓值，接下來確定合理的焊接速度。根據前期實驗的結果，擬采用表2中不同的焊接速度進行仿真。

表2 焊接工藝參數表

焊接仿真完成后，調整監視器位置，查看熔池的形狀，如圖21所示。

圖21 不同焊接速度下的熔池形狀

從熔池形狀中可以看出，第一組焊接速度過慢，熱源移動緩慢進而導致熔深較大，焊縫較寬；第三組和第四組由于焊接速度較快，熔化溫度不夠，導致焊縫熔寬較窄，不符合焊縫要求，易造成生成的焊縫不標準；綜合來說，第二組焊接速度最為合理，焊縫符合要求，熔深也足夠。所以焊接速度選為10mm/s。

3)優化的焊接方案。從前文得到優化的焊接參數：焊接電壓為30V，焊接電流為260A，焊接速度為10mm/s。將這些焊接參數輸入Simufact.welding中，再次進行仿真。將其與優化前焊接參數(焊接電流取200A，焊接電壓為28V，焊接速度為5mm/s)得到的仿真結果進行對比，如圖22所示。

圖22 焊接方案優化前后仿真結果對比

通過優化前和優化后的仿真結果對比可以看出，優化后熔池形狀更加合理，焊縫符合要求，焊深足夠，最大變形位移為0.7mm，產生的最大應力為270MPa，主要分布在焊縫兩側，優化后的焊接質量有了明顯的提升。

5 結束語

本文給出的焊接挖掘機動臂離線編程過程通用性較好，為避免焊接機器人關節運動超出范圍或遇到奇點問題提供了一種新的解決方法，所提供的焊接參數提高了焊接機器人對挖掘機動臂的焊接質量。但是，目前的研究工作僅通過模型仿真來驗證方案的優化效果，要真正在實踐中體現其價值，還需要后續安排實驗并對實驗數據進行采集分析。同時后續可在RobotStudio中進行離線編程，并在該軟件中對編程焊接效果進行檢測，以獲得反饋數據，從而通過對數據的分析得到更好的編程方法與焊接參數。