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摘 要：本研究在原有焊接铝锹的技术基础上，为设计出更加牢靠且焊缝更加自然、焊接速度更快、材料损耗减少的焊接方法以及更为适合的焊接轨迹，通过三维造型以及二维平面图的设计，获得了最佳的基于MIG焊接机器人工作站的铝锹焊接设计方案，并在此基础上进行了铝锹的轻量化设计。此外还针对铝锹中的工艺问题，对双脉冲焊接工艺控制的弧长稳定控制、参数匹配原则、焊缝成形与频率的关系进行了研究。本小组将焊接好的铝锹，进行相应的力学测试，并展开了实际应用，铝锹在使用过程中牢固可靠，焊缝连续漂亮，焊接耗时短，焊接质量可靠，可批量生产。
关键词：MIG焊接机器人；轻量化；双脉冲焊接；铝锹
前言
铝和铝合金的电导率和热导率都较高，深受企业的青睐。近几年，随着我国制造业的发展，特别是铝锹等工具焊接的发展，预计焊接机器人的装配量会稳固上升。大力发展铝锹的轻量化技术，在保障铝锹质量和其他基本性能的前提下，通过减轻铝锹自身重量带来更好的操控性。
传统的焊接方式在焊接时会出现咬边、气孔的情况，焊接操作结束后，构件或者基体的金属很可能出现焊瘤、尺寸不符合要求等现象，并且焊接效率不高。相比于传统的焊接方式，基于MIG焊接的机器人[1-2]有以下优点：1、保持焊接参数的一致性和提高焊接质量的稳定性；2、提高焊接生产效率；3、改善劳动安全卫生条件；4、增强生产管理的可计划性和可預见性；5、可准确的预算材料的消耗和成本。
1实验过程
本研究在原有铝锹的基础上，查阅相关文献，为实施本项目做理论分析，进行了铝锹的设计，包括三维造型设计及二维平面图的设计，以及MIG焊接机器人工作站的控制电路分析及建模仿真研究，讨论了铝锹的轻量化和便于焊接的整体样式以及各种细节方面的完善，拟定以下几种设计方案：1、铝锹底部采用凹凸式，减轻重量的同时加大工作面积。铁锹外侧有6度的角度并向上折弯，以此扩大铝锹容量。长柄连接处与铝锹整体成型，并折弯形成一条缝隙，这条缝隙即为焊接处；2、铝锹的前铲面与市场上的铁锹无异，长柄连接处与铝锹分开，以空心铝管焊接到铲体的方式来连接。
通过对MIG机器人的学习、使用和练习，将设计好的两种铝锹加工成型，并开始焊接实验，焊接的方法为双脉冲焊接方法。后期进行焊接轨迹的优化设计，SolidWorks[3]建模及Robotstudio[4]仿真分析并试运行。完善后建立数学模型，分析研究机器人焊接电源参数与机器人速度之间的关系，并在已有的实验设备基础上，通过实验分析电流、电压参数对焊接效果的影响。
2 三维结构建立
铝锹的材料特殊，铝在与其他金属的结合下，强度硬度可以媲美碳钢，而其重量却远远小于碳钢。现代社会工具发展的趋向是轻量化，智能化。铝等其他密度相对钢铁较小的金属受到企业的青睐。
本铝锹的总体外形与市场铲锹相差无几，但容量参数，柄斜度等影响铲锹使用的数据大幅改进，铲边折弯弧度柔和，前铲面角度与柄成6度，在动作中可以使铲面更易冲入其他物体，柔和的折弯使物体不易从两边掉落，降低动作的重复率，进而提高生产效率，图2为柄铲结合的铝锹，由solidworks建模而成，图3为此种铝锹制作实物，图中可见焊缝位于柄下端，焊缝连续漂亮，经过实践测试，本种铝锹可满足对应的工作量。
3 结果分析
3.1 实验要求及目标
铝在焊接时，因其在高温时强度较低，且液态铝的流动性极好[5]，这就造成了焊接过程中，铲体的下塌，为了保证焊接的顺利，在焊接间隙下方放一块托板，就可以保证铲体不下塌。焊接柄和铲体为一体的铝锹时，因焊线位于柄的那条缝，所以托板可以改为与柄内孔直径相等的轴进行填塞，保证焊接过程中铝的下塌。
铝合金的焊接间隙应该恰当。在实验的初期，应所选焊接间隙过大，导致焊接质量不高，美观度也不好，经过反复的实验发现，焊接间隙最好控制在3mm到6mm左右，焊接间隙越大，其焊接张力过大导致受力不均，极易形成裂痕。
MIG焊接机器人的手臂肘为六轴联动，机器人也有很多的结构，使用较广泛的有直角坐标式，柱面坐标式以及球面坐标式等等，本次实验采用的结构即直角坐标式。
3.2 实验结果分析
除了用机器人焊接外，本次实验还进行了手工焊接，手工焊接适合于焊接小批量且精度要求不高的零件。我们将手工焊接和机器人焊接进行了对比。可以清楚的看到手工焊接的焊缝的连续性和美观度明显差于机器人焊接的焊缝。在加工时间方面，手工焊接的速度略快于机器人焊接，但机器人不会疲劳，而工人是会产生疲劳的，如果将产品的产品扩大至一万倍以上，机器人的经济效益就远远大于人力。在焊接过程中，手工焊接使得工件因人为的取动，清洁度不如机器人，且在焊接过程中，因人力的掌控不均匀，火星的溅射影响了产品的表面质量，也使得焊缝受力不均，易出现破裂。
4 结 论
基于MIG焊接机器人工作站设计制造铝锹的研究，通过三维软件的建模对铝锹进行改进；利用有限元分析软件，对铝锹进行力学性能分析，发现薄弱处并加以完善；阅读大量文献并对市场上出现的铝锹进行研究，改进焊接轨迹，提高焊接质量。不但使得铝锹的设计时间缩短，节约了材料，同时在保证质量的前提下，实现了轻量化的目标。该基于MIG焊接机器人工作站的铝锹焊接设计有以下特点：
1、铝锹经过轻量化设计使得工作面积较传统铁锹的工作面积更大，但重量却更轻，使用更加轻松方便，效率也大幅提高；
2、焊缝力学性能好，强度硬度比铲本体要高；
3、MIG焊接机器人进行双脉冲焊接，主要用在铝合金焊接上，能在不摆动的情况下焊出鱼鳞纹效果，类似交流TIG焊接的效果。可有效的控制热输入量，类似于脉冲氩弧，既能焊透又不至于焊穿，适合于所有金属焊接，是一种先进的焊接方式；
4、焊接过程由机器操作，使人远离焊接弧光、烟雾和飞溅等，安全清洁；
5、利用MIG焊接机器人可实现自动化大批量生产。
参考文献
[1]姚屏，薛家祥，蒙万俊，et al.工艺参数对铝合金双脉冲MIG焊焊缝成形的影响[J].焊接学报，2009，30（3）：69-72.
[2]刘溪.焊接机器人应用的优势与劣势研究[J].农业科技与装备，2015（12）：41-43.
[3]宋勇，尚久浩.基于SolidWorks的三维模型参数化设计研究[J].陕西科技大学学报：自然科学版，2003，21（1）：59-61.
[4]郝建豹，宋春华.基于MATLAB和RobotStudio的6-DOF机器人运动学分析与仿真[J].机械设计与制造，2018（2）.
[5]刘挺.薄壁铸造铝合金流动性的影响因素[J].新疆有色金属，2011，34（s2）：86-88.
作者简介
施卓奇（1998-），男（汉族），浙江省余姚人。浙江师范大学工学院本科生。E-mail：806807838@qq.com。
（作者单位：浙江师范大学工学院）
关键词：MIG焊接机器人；轻量化；双脉冲焊接；铝锹
前言
铝和铝合金的电导率和热导率都较高，深受企业的青睐。近几年，随着我国制造业的发展，特别是铝锹等工具焊接的发展，预计焊接机器人的装配量会稳固上升。大力发展铝锹的轻量化技术，在保障铝锹质量和其他基本性能的前提下，通过减轻铝锹自身重量带来更好的操控性。
传统的焊接方式在焊接时会出现咬边、气孔的情况，焊接操作结束后，构件或者基体的金属很可能出现焊瘤、尺寸不符合要求等现象，并且焊接效率不高。相比于传统的焊接方式，基于MIG焊接的机器人[1-2]有以下优点：1、保持焊接参数的一致性和提高焊接质量的稳定性；2、提高焊接生产效率；3、改善劳动安全卫生条件；4、增强生产管理的可计划性和可預见性；5、可准确的预算材料的消耗和成本。
1实验过程
本研究在原有铝锹的基础上，查阅相关文献，为实施本项目做理论分析，进行了铝锹的设计，包括三维造型设计及二维平面图的设计，以及MIG焊接机器人工作站的控制电路分析及建模仿真研究，讨论了铝锹的轻量化和便于焊接的整体样式以及各种细节方面的完善，拟定以下几种设计方案：1、铝锹底部采用凹凸式，减轻重量的同时加大工作面积。铁锹外侧有6度的角度并向上折弯，以此扩大铝锹容量。长柄连接处与铝锹整体成型，并折弯形成一条缝隙，这条缝隙即为焊接处；2、铝锹的前铲面与市场上的铁锹无异，长柄连接处与铝锹分开，以空心铝管焊接到铲体的方式来连接。
通过对MIG机器人的学习、使用和练习，将设计好的两种铝锹加工成型，并开始焊接实验，焊接的方法为双脉冲焊接方法。后期进行焊接轨迹的优化设计，SolidWorks[3]建模及Robotstudio[4]仿真分析并试运行。完善后建立数学模型，分析研究机器人焊接电源参数与机器人速度之间的关系，并在已有的实验设备基础上，通过实验分析电流、电压参数对焊接效果的影响。
2 三维结构建立
铝锹的材料特殊，铝在与其他金属的结合下，强度硬度可以媲美碳钢，而其重量却远远小于碳钢。现代社会工具发展的趋向是轻量化，智能化。铝等其他密度相对钢铁较小的金属受到企业的青睐。
本铝锹的总体外形与市场铲锹相差无几，但容量参数，柄斜度等影响铲锹使用的数据大幅改进，铲边折弯弧度柔和，前铲面角度与柄成6度，在动作中可以使铲面更易冲入其他物体，柔和的折弯使物体不易从两边掉落，降低动作的重复率，进而提高生产效率，图2为柄铲结合的铝锹，由solidworks建模而成，图3为此种铝锹制作实物，图中可见焊缝位于柄下端，焊缝连续漂亮，经过实践测试，本种铝锹可满足对应的工作量。
3 结果分析
3.1 实验要求及目标
铝在焊接时，因其在高温时强度较低，且液态铝的流动性极好[5]，这就造成了焊接过程中，铲体的下塌，为了保证焊接的顺利，在焊接间隙下方放一块托板，就可以保证铲体不下塌。焊接柄和铲体为一体的铝锹时，因焊线位于柄的那条缝，所以托板可以改为与柄内孔直径相等的轴进行填塞，保证焊接过程中铝的下塌。
铝合金的焊接间隙应该恰当。在实验的初期，应所选焊接间隙过大，导致焊接质量不高，美观度也不好，经过反复的实验发现，焊接间隙最好控制在3mm到6mm左右，焊接间隙越大，其焊接张力过大导致受力不均，极易形成裂痕。
MIG焊接机器人的手臂肘为六轴联动，机器人也有很多的结构，使用较广泛的有直角坐标式，柱面坐标式以及球面坐标式等等，本次实验采用的结构即直角坐标式。
3.2 实验结果分析
除了用机器人焊接外，本次实验还进行了手工焊接，手工焊接适合于焊接小批量且精度要求不高的零件。我们将手工焊接和机器人焊接进行了对比。可以清楚的看到手工焊接的焊缝的连续性和美观度明显差于机器人焊接的焊缝。在加工时间方面，手工焊接的速度略快于机器人焊接，但机器人不会疲劳，而工人是会产生疲劳的，如果将产品的产品扩大至一万倍以上，机器人的经济效益就远远大于人力。在焊接过程中，手工焊接使得工件因人为的取动，清洁度不如机器人，且在焊接过程中，因人力的掌控不均匀，火星的溅射影响了产品的表面质量，也使得焊缝受力不均，易出现破裂。
4 结 论
基于MIG焊接机器人工作站设计制造铝锹的研究，通过三维软件的建模对铝锹进行改进；利用有限元分析软件，对铝锹进行力学性能分析，发现薄弱处并加以完善；阅读大量文献并对市场上出现的铝锹进行研究，改进焊接轨迹，提高焊接质量。不但使得铝锹的设计时间缩短，节约了材料，同时在保证质量的前提下，实现了轻量化的目标。该基于MIG焊接机器人工作站的铝锹焊接设计有以下特点：
1、铝锹经过轻量化设计使得工作面积较传统铁锹的工作面积更大，但重量却更轻，使用更加轻松方便，效率也大幅提高；
2、焊缝力学性能好，强度硬度比铲本体要高；
3、MIG焊接机器人进行双脉冲焊接，主要用在铝合金焊接上，能在不摆动的情况下焊出鱼鳞纹效果，类似交流TIG焊接的效果。可有效的控制热输入量，类似于脉冲氩弧，既能焊透又不至于焊穿，适合于所有金属焊接，是一种先进的焊接方式；
4、焊接过程由机器操作，使人远离焊接弧光、烟雾和飞溅等，安全清洁；
5、利用MIG焊接机器人可实现自动化大批量生产。
参考文献
[1]姚屏，薛家祥，蒙万俊，et al.工艺参数对铝合金双脉冲MIG焊焊缝成形的影响[J].焊接学报，2009，30（3）：69-72.
[2]刘溪.焊接机器人应用的优势与劣势研究[J].农业科技与装备，2015（12）：41-43.
[3]宋勇，尚久浩.基于SolidWorks的三维模型参数化设计研究[J].陕西科技大学学报：自然科学版，2003，21（1）：59-61.
[4]郝建豹，宋春华.基于MATLAB和RobotStudio的6-DOF机器人运动学分析与仿真[J].机械设计与制造，2018（2）.
[5]刘挺.薄壁铸造铝合金流动性的影响因素[J].新疆有色金属，2011，34（s2）：86-88.
作者简介
施卓奇（1998-），男（汉族），浙江省余姚人。浙江师范大学工学院本科生。E-mail：806807838@qq.com。
（作者单位：浙江师范大学工学院）