论文部分内容阅读
摘要：焊接是一项工作环境恶劣、劳动强度大、对操作人员的操作熟练程度要求高，且对操作人员会产生一定潜在危害的工种。在进入21世纪20年代的今天，伴随着国家经济规模的快速发展、人民生活水平的不断提升，同时由于我国社会老龄化不断加剧，一线焊接工人的数量呈现减少趋势。而根据国家统计局公布的我国焊接材料的产量数据，从2006—2014年，我国焊材产量在逐年增加，这意味着焊接工作量在逐年增加。焊接机器人的出现有效解决了这种供需矛盾，并且可以使更多人把有限的工作时间投入到更具创造力的工作中去。本文介绍了机器人焊接工艺制定、多层多道焊的焊缝规划和机器人焊接过程中变形补偿等，通过机器人焊接关键技术解决，对实现高质量、高效的、智能化的焊缝具有重要的理论意义和应用价值。
关键词：焊接缺陷;路径规划;数值模拟;机器人焊接
引言
随着机器人技术以及计算机技术飞速发展，以及市场对焊接产品的高质量、高效率的新要求，焊接机器人在焊接领域应用不断扩大。焊接机器人的使用可以大幅提高焊接生产效率，改善操作人员的劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现产品的差异化生产，并能够推动相关产业的自动化升级改造。机器人焊接是指机器人代替手工作业，即利用焊接机器人系统完成焊接作业，获得合格焊件的过程，按照机器人所用焊接工艺方法不同，可将其分为点焊机器人、弧焊机器人、搅拌摩擦焊机器人及激光焊机器人等类型;根据自动化技术发展程度的不同，焊接机器人可分为示教再现型机器人、智能型机器人等;机器人在焊接领域得到了广泛的应用，据统计约25%的工业机器人用于焊接操作。在机器人焊接过程中，如果不掌握焊枪的姿态与位置路径规划与控制、数字化焊机参数自动调节、机器人与焊机通信等，很容易出现各类焊接缺陷。
1机器人焊接关键工艺
1.1机器人焊接工艺性分析
机器人焊接工艺主要包括焊接方法、焊接电源、母材、焊材、气体、板厚（管径及壁厚）、坡口形式、焊前装配、焊接位置、焊接顺序、焊接轨迹、焊枪姿态及焊接参数等，在制定机器人焊接工艺前，首先要对被焊工件和焊材有着充分的了解，此后对焊件材料的焊接性、下料、成形加工工艺、装配方法的选用以及机器人的焊接轨迹、姿态、焊枪角度、焊接参数等进行分析，确定焊接重点及难点，制订解决措施，达到控制焊接质量、提高效率、降低成本等目的。根据焊件的技术要求，通过工艺分析，运用机器人焊接工艺知识来拟定机器人的焊接方案，并充分考虑焊接顺序、关键点的处理、焊枪角度及机器人的姿态等问题。在机器人焊接路径及姿态编程完成后，对焊接参数进行设置和调整，完成焊接工艺试验;最终从质量、效率、成本三方面进行工艺方案比较，选定最佳方案。
1.2机器人焊接缺陷及防止措施
机器人焊接对装配的精度要求较高，在间隙过大时可能出现金属漏到焊缝背面形成焊瘤，需要较高的加工及装配精度来避免这种问题。在设置直线焊接焊枪摆动时，两侧停留时间过长可能造成局部热输入大形成焊瘤，可通过调整停留时间解决。在T形接头的90°转角时，焊枪在旋转的过程中焊丝端点并未移动导致熔敷金属过多外流产生满溢缺陷，应通过设置合理的轨迹点或调整焊接参数来避免。当机器人TCP点不准时，焊枪位姿旋转变化会导致焊枪偏离焊缝，产生满溢缺陷或焊偏，如图1所示。为防止出现此类缺陷，应保证机器人TCP点的准确以及在示教时以合理干伸长来定位焊枪位置以及示教。除此之外，手工焊接时可能出现的包括烧穿、气孔、裂纹及弧坑等缺陷同样会出现在机器人焊接上，只有在保证了各类参数合理配合的基础上，才能得到高质量的焊缝。
1.3机器人焊接路径规划
焊接路径规划是机器人焊接的首要问题。规划焊接接头的路径方法有三种：一层一道焊、一层多道焊和多层多道焊。其中一层一道焊和一层多道焊的区别是选择直线焊接摆动来规划路径，但摆动虽然减少了焊接道数，却会对机器人产生更高的要求。多层多道焊是以上两种焊接方法的结合。焊接路径规划主要分为：焊接参数规划、焊道截面积规划、焊接顺序规划和焊枪姿态规划4部分。以V形坡口为例，首先在完成坡口的探测后，根据坡口总高度来计算坡口填充所需要的总层数;然后在层数确定后，运算出层高，并以此计算出简化为菱形的焊道横截面积，而每层的最后一道焊道设定为梯形;最后通过每层横截面的总面积除以单道焊缝横截面面积便可求该层的总道数。完成运算后，根据每层多道焊的数量排布来进行焊缝的填充，为保证焊道的填充饱满致密和焊接过程平稳，选择合适的焊接次序，在确定焊接次序后，根据焊道的安排，推导出焊道起、收弧点的坐标，继而确定焊枪的位姿及其焊接摆幅，位姿和摆幅的确定决定于上述焊道的排布情况，使焊枪处于规划的每道焊缝的对称轴上，有助于焊出高质量的焊缝。
1.4基于多场耦合数值计算的机器人焊缝规划补偿技术
焊接机器人在进行焊接的时候，由于局部不均匀加热，焊接区域受热体积因周围冷金属的阻碍，发生弹塑性变形，使得工件发生形变，从而影响弧长、焊接电流和电弧电压等焊接参数。为了避免工件变形影响焊接过程稳定性，在焊接机器人施焊之前，需要根据不同焊缝部位与结构，直接进行误差修正。
2机器人焊接的应用优势与挑战
2.1优势表现
机器人焊接具有诸多优点，包括焊接稳定性高、质量好;可提高劳动生产率;改善了劳动条件，可在有害环境下工作;降低了工人的技术操作水平和劳动强度;保证焊接质量的前提下降低生产成本;柔性化程度高，可实现小批量产品的焊接自动化;可在各种极限条件下完成焊接作业。机器人焊接大致可分为三个阶段：准备、施焊和焊后检测。准备阶段主要进行工件的装配以及机器人的示教编程，目前常用的示教编程又可按照人工和自动、在线与离线两类。人工在线编程方法简单、成本低，但耗时多，同时依赖于焊工的技能。自动离线编程是目前关注度较高的先进技术，其特点在于柔性高、可以产生复杂轨迹、比人工在线编程速度快。在施焊过程中往往采用焊缝自動跟踪技术来补偿示教中可能出现的偏差，保证焊枪与焊缝的对中。
2.2 面临挑战
机器人焊接也带来了诸多新的挑战：①工件制备质量和焊件装配精度要求高。②设计工件的结构及焊接工艺时，要考虑焊枪的可达性、变位机的翻转次数等。③投资额度高，回收周期长。④电源功率须满足机器人自动化焊接所要求的高输出、高稳定性等特点。此外，机器人焊接对操作者的要求较高，需要具备较高的综合素质;为了获得高质量的焊缝，通过制定精准合理的机器人焊接工艺尤为重要。
3结束语
通过对机器人焊接过程中若干关键技术、缺陷及防止措施、最新理论和焊接方法介绍，得到以下主要结论：1）分析说明了机器人焊接时工艺制定的原则和缺陷防止措施，包括对材料性能的掌握、机器人运动轨迹与姿态的调整、焊接参数的优化，以及这三者之间的匹配关系，并介绍了间隙过大、摆动停留时间过长以及T形接头90°转角处常见的机器人焊接缺陷以及防治方法。2）提出了基于多场耦合数值计算的机器人焊缝规划补偿技术，建立了多层多道焊接有限元模型，利用多物理场耦合方法，计算焊接过程中的温度差、流场及焊接变形;以模拟得到的数据来对机器人焊接误差进行修正，保证焊接质量。
参考文献：
[1]戴建树，罗震.机器人焊接工艺[M].北京：机械工业出版社.
[2]周军，黄建鹏，贾小磊，等.弧焊机器人工作站在重工行业的应用[J].金属加工（热加工）.
[3]王会永，邢力，李向男，等.工业机器人的应用现状及发展分析[J].机电技术，2018（6）：115-117.
关键词：焊接缺陷;路径规划;数值模拟;机器人焊接
引言
随着机器人技术以及计算机技术飞速发展，以及市场对焊接产品的高质量、高效率的新要求，焊接机器人在焊接领域应用不断扩大。焊接机器人的使用可以大幅提高焊接生产效率，改善操作人员的劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现产品的差异化生产，并能够推动相关产业的自动化升级改造。机器人焊接是指机器人代替手工作业，即利用焊接机器人系统完成焊接作业，获得合格焊件的过程，按照机器人所用焊接工艺方法不同，可将其分为点焊机器人、弧焊机器人、搅拌摩擦焊机器人及激光焊机器人等类型;根据自动化技术发展程度的不同，焊接机器人可分为示教再现型机器人、智能型机器人等;机器人在焊接领域得到了广泛的应用，据统计约25%的工业机器人用于焊接操作。在机器人焊接过程中，如果不掌握焊枪的姿态与位置路径规划与控制、数字化焊机参数自动调节、机器人与焊机通信等，很容易出现各类焊接缺陷。
1机器人焊接关键工艺
1.1机器人焊接工艺性分析
机器人焊接工艺主要包括焊接方法、焊接电源、母材、焊材、气体、板厚（管径及壁厚）、坡口形式、焊前装配、焊接位置、焊接顺序、焊接轨迹、焊枪姿态及焊接参数等，在制定机器人焊接工艺前，首先要对被焊工件和焊材有着充分的了解，此后对焊件材料的焊接性、下料、成形加工工艺、装配方法的选用以及机器人的焊接轨迹、姿态、焊枪角度、焊接参数等进行分析，确定焊接重点及难点，制订解决措施，达到控制焊接质量、提高效率、降低成本等目的。根据焊件的技术要求，通过工艺分析，运用机器人焊接工艺知识来拟定机器人的焊接方案，并充分考虑焊接顺序、关键点的处理、焊枪角度及机器人的姿态等问题。在机器人焊接路径及姿态编程完成后，对焊接参数进行设置和调整，完成焊接工艺试验;最终从质量、效率、成本三方面进行工艺方案比较，选定最佳方案。
1.2机器人焊接缺陷及防止措施
机器人焊接对装配的精度要求较高，在间隙过大时可能出现金属漏到焊缝背面形成焊瘤，需要较高的加工及装配精度来避免这种问题。在设置直线焊接焊枪摆动时，两侧停留时间过长可能造成局部热输入大形成焊瘤，可通过调整停留时间解决。在T形接头的90°转角时，焊枪在旋转的过程中焊丝端点并未移动导致熔敷金属过多外流产生满溢缺陷，应通过设置合理的轨迹点或调整焊接参数来避免。当机器人TCP点不准时，焊枪位姿旋转变化会导致焊枪偏离焊缝，产生满溢缺陷或焊偏，如图1所示。为防止出现此类缺陷，应保证机器人TCP点的准确以及在示教时以合理干伸长来定位焊枪位置以及示教。除此之外，手工焊接时可能出现的包括烧穿、气孔、裂纹及弧坑等缺陷同样会出现在机器人焊接上，只有在保证了各类参数合理配合的基础上，才能得到高质量的焊缝。
1.3机器人焊接路径规划
焊接路径规划是机器人焊接的首要问题。规划焊接接头的路径方法有三种：一层一道焊、一层多道焊和多层多道焊。其中一层一道焊和一层多道焊的区别是选择直线焊接摆动来规划路径，但摆动虽然减少了焊接道数，却会对机器人产生更高的要求。多层多道焊是以上两种焊接方法的结合。焊接路径规划主要分为：焊接参数规划、焊道截面积规划、焊接顺序规划和焊枪姿态规划4部分。以V形坡口为例，首先在完成坡口的探测后，根据坡口总高度来计算坡口填充所需要的总层数;然后在层数确定后，运算出层高，并以此计算出简化为菱形的焊道横截面积，而每层的最后一道焊道设定为梯形;最后通过每层横截面的总面积除以单道焊缝横截面面积便可求该层的总道数。完成运算后，根据每层多道焊的数量排布来进行焊缝的填充，为保证焊道的填充饱满致密和焊接过程平稳，选择合适的焊接次序，在确定焊接次序后，根据焊道的安排，推导出焊道起、收弧点的坐标，继而确定焊枪的位姿及其焊接摆幅，位姿和摆幅的确定决定于上述焊道的排布情况，使焊枪处于规划的每道焊缝的对称轴上，有助于焊出高质量的焊缝。
1.4基于多场耦合数值计算的机器人焊缝规划补偿技术
焊接机器人在进行焊接的时候，由于局部不均匀加热，焊接区域受热体积因周围冷金属的阻碍，发生弹塑性变形，使得工件发生形变，从而影响弧长、焊接电流和电弧电压等焊接参数。为了避免工件变形影响焊接过程稳定性，在焊接机器人施焊之前，需要根据不同焊缝部位与结构，直接进行误差修正。
2机器人焊接的应用优势与挑战
2.1优势表现
机器人焊接具有诸多优点，包括焊接稳定性高、质量好;可提高劳动生产率;改善了劳动条件，可在有害环境下工作;降低了工人的技术操作水平和劳动强度;保证焊接质量的前提下降低生产成本;柔性化程度高，可实现小批量产品的焊接自动化;可在各种极限条件下完成焊接作业。机器人焊接大致可分为三个阶段：准备、施焊和焊后检测。准备阶段主要进行工件的装配以及机器人的示教编程，目前常用的示教编程又可按照人工和自动、在线与离线两类。人工在线编程方法简单、成本低，但耗时多，同时依赖于焊工的技能。自动离线编程是目前关注度较高的先进技术，其特点在于柔性高、可以产生复杂轨迹、比人工在线编程速度快。在施焊过程中往往采用焊缝自動跟踪技术来补偿示教中可能出现的偏差，保证焊枪与焊缝的对中。
2.2 面临挑战
机器人焊接也带来了诸多新的挑战：①工件制备质量和焊件装配精度要求高。②设计工件的结构及焊接工艺时，要考虑焊枪的可达性、变位机的翻转次数等。③投资额度高，回收周期长。④电源功率须满足机器人自动化焊接所要求的高输出、高稳定性等特点。此外，机器人焊接对操作者的要求较高，需要具备较高的综合素质;为了获得高质量的焊缝，通过制定精准合理的机器人焊接工艺尤为重要。
3结束语
通过对机器人焊接过程中若干关键技术、缺陷及防止措施、最新理论和焊接方法介绍，得到以下主要结论：1）分析说明了机器人焊接时工艺制定的原则和缺陷防止措施，包括对材料性能的掌握、机器人运动轨迹与姿态的调整、焊接参数的优化，以及这三者之间的匹配关系，并介绍了间隙过大、摆动停留时间过长以及T形接头90°转角处常见的机器人焊接缺陷以及防治方法。2）提出了基于多场耦合数值计算的机器人焊缝规划补偿技术，建立了多层多道焊接有限元模型，利用多物理场耦合方法，计算焊接过程中的温度差、流场及焊接变形;以模拟得到的数据来对机器人焊接误差进行修正，保证焊接质量。
参考文献：
[1]戴建树，罗震.机器人焊接工艺[M].北京：机械工业出版社.
[2]周军，黄建鹏，贾小磊，等.弧焊机器人工作站在重工行业的应用[J].金属加工（热加工）.
[3]王会永，邢力，李向男，等.工业机器人的应用现状及发展分析[J].机电技术，2018（6）：115-117.