浅谈装载机前车架焊接机器人工艺优化方法

梁为国，李荣军

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州545007）

随着柳工的快速发展，装载机销量已经连续多年居中国首位，但是，市场竞争日益加剧，有的国内装载机焊接生产线还是沿用半自动焊或手工焊作业，很大程度上制约着装载机制造的发展。因此，发展和掌握更高的焊接机器人技术就可以在激烈的市场竞争中抢占先机。工业机器人是一种可重复编程和多功能的、用来搬运物料、零件、工具的机械手，可进行弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业，机器人焊接（图1）由于具有安全、快速、方便、变形小等特性被机械制造企业广泛使用。在柳工结构件厂，从1992年第一次使用IGM焊接机器人（图2）进行结构件的焊接生产，到现在的唐山开元焊接机器人系统作业，焊接机器人已使结构件的产品质量大大提升，并且在员工保护方面，也降低了劳动强度，减少了焊工职业健康的危害。

图1 机器人焊接

图2 IGM焊接机器人

1 前车架焊接特点（问题描述）

前车架（图3）都是由钢板焊接而成的组合结构，焊接量较大，而且结构复杂，焊接尺寸大小不等，容易发生焊接变形，控制前车架制造质量的关键，在于焊缝成型和焊接变形。这就对车架的生产技术提出了更高的要求，催生了焊接机器人在柳工生产制造中深入广泛的应用。虽说焊接机器人在车架生产制造中得到广泛应用，焊接质量与半自动焊和手工焊对比得到了极大的改善，而且有效提高了生产效率，但目前焊接机器人在生产制造中的应用仍有诸多问题有待解决，经过以下对原前车架焊接生产线中唐山开元焊接机器人存在的问题进行工艺优化和新技术的应用，减少了机器人工位的生产时间，提高了生产效率，编写的程序能有效的进行焊接作业顺序优化。

图3 前车架结构图

2 原因分析与工艺优化

（1）问题1：焊缝接头多、变位机翻转次数过多，焊缝的外观（起弧和收尾）没有得到很好处理，手工补焊的外观一致性也较差。

原因分析：编程没有经过有效的验证对比，编制程序过程中一步到位，在机器人验证过程中没有持续改进程序，没有形成一个良好的程序。

焊接程序优化：与实际生产相结合，考虑机器人变位机的定位和装夹部位，在设计时避免在焊枪没有干涉的结构下，提高机器人焊接可达率，经过反复进行验证对比，最后优化程序，最后实现了焊缝数量、焊缝接头、工装翻身次数的减少，焊后达到了焊缝方向和焊缝外观的统一（见图4）[1]。

图4 焊接程序优化后的焊缝

（2）问题2：起始点检测报警平均次数过多和出现焊接跟踪偏移的现象。

原因分析：三方向传感起始点、焊枪角度和焊枪位置选择错误。

焊缝工艺优化：根据拼搭造成的尺寸误差来调整三方向传感起始点，通过验证来调整焊枪角度和焊枪位置，基本消除传感起始点跟踪偏移造成的焊接缺陷和报警[2]。

（3）问题3：清枪次数过多。

原因分析：子程序过多。

接头设计优化：在满足强度要求的条件下，尽量设计焊缝的连续焊接，采用最少的焊道进行焊接，焊缝全部翻转成船型焊缝进行焊接，提高了产品的焊接质量及效率，子程序数量从8个降到了4个。

（4）问题4：拐角处焊缝只有少量工件能达到质量要求，焊接过程质量不稳定，补焊后外观质量较差。

原因分析：机械手焊接顺序没有考虑焊缝外观统一，焊接参数和焊枪姿态不对。

焊接顺序的优化：利用机器人焊接的稳定性，对焊接顺序进行了统一优化。如利用焊缝覆盖上一道焊缝的起弧和收尾，提高了焊缝外观质量；取消一部分联系焊缝，以消除焊缝外观缺陷，降低了焊接应力，减少焊接变形对结构件的影响[3]。

（5）存在问题5：焊接时间过长（结构件前车架机器人焊接前车架（30D1746）时间为118 min/台）。

原因分析：机器人三方向传感次数过多，变位重复翻转位置次数多，无弧光时间较长。

焊接方法优化：通过减少焊缝三方向寻位技术运用和减短焊枪空间过渡移动轨迹，通过合理的翻转位置来减少重复翻转，避免翻转次数过多，减少了无弧光时间，提高了机器人焊接的效率。

（6）存在问题6：焊缝出现焊接缺陷（咬边、气孔、飞溅、弧坑、焊偏）。

原因分析：焊接数据库参数和焊枪姿态欠佳。

焊接工艺参数优化：选用合理的工艺参数，对数据库进行专人管理和定期维护。

（7）存在问题7：系统经常出现故障（报警）。

原因分析：培训力度不够，系统维护不到位。

焊接工艺文件优化：专门编制了《焊接机器人日常保养作业规范》、《弧焊机器人操作与编程初级教材》、《焊接机械手校正作业指导书》、《焊接机械手冷却系统的保养和检修指导书》、《机械手送丝系统保养和检修作业指导书》，对操作者进行了相关的培训，定期对机器人进行系统保养和检修。

3 实施验证及结果

为了实现分析中提出的工艺优化，我们进行了首件样件试制、针对出现的相关问题进行了程序修改，修正完毕样件程序之后，我们又进行了9台的小批量验证。验证结果显示，焊缝的质量均满足工艺要求。这说明前车架机器人工艺优化方案可行，根据小批量验证的数据再对补焊过程、焊后变形进行验证之后，我们的前车架机器人工艺优化效果良好，可以落实到批量生产上面。

4 效果对比

（1）成型的改善。通过对焊接机器人的工艺优化，接头数量减少8处，降低焊接缺陷存在的点数14个，焊接过程质量稳定，质量波动范围比程序工艺优化前要小很多，焊缝外观质量较好，焊缝均匀、饱满、无缺陷等，手工焊焊缝外观在机械手焊后基本能形成统一，焊缝达到了工艺要求。

（2）效率的提升。在焊接效率上，单台前车架机械手焊接时间降低了20分钟，效率提升了16%，机械手报警现象平均为一次/每台，减低了50%的报警现象，生产节拍能满足各工序的时间需求。

（3）收益。如果按每年生产5 000台，每台节约20 min，则节约成本20×5 000×0.28=25 000元。减少返修效益=（改善前返修率－改善后返修率）×年生产台量×单台返修工时×小时工缴费－投入费用=（30%-10%）×5 000×20×0.28-1 200=4 400元。

[1]熊 薄，高 鹏，裴续东.弧焊机器人操作与编程初级教材[M].唐山:唐山开元机器人系统有限公司出版，2012.

[2]邓洪军.焊接结构生产[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]贾安东.焊接结构及生产设计[M].天津：天津大学出版社，1989.