SW25-8 微型挖掘机动臂机器人焊接系统的设计与应用

全鸿伟，陈炳森，陈剑彬，丁锡志

(1.广西水利电力职业技术学院，南宁530023；2.广西徐沃工程机械设备有限公司，南宁530105)

0 前言

微型挖掘机除可完成小型挖沟、清淤、装载等工作之外，通过简单更换工作装置后还可进行起重、夯土、浇筑、安装等工作。随着中国农业现代化发展步伐不断加快，微型挖掘机已逐渐成为现代农业生产的必备工具。由于微型挖掘机大部分结构件均为焊接件，其焊接工作量占产品生产总工时的30%以上，如何有效提升焊接作业效率，提高焊接质量，成为制造企业重要考虑的问题之一。

机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置［1］。随着中国装备制造的转型升级和工业机器人应用的不断推广，采用工业机器人来完成批量金属结构件的焊接不仅技术可行，而且质量易控、效率高、成本低、操作人员经过简单培训即可完成相应操作，对于当前面临熟练焊接技术工人紧缺，产品产能受限的制造企业而言，采用工业机器人来完成结构件大部分焊缝的焊接工作，成为中小型制造企业的首选。SW25-8微型挖掘机年产量已达到500 台以上，具备了批量生产的条件，为提升动臂焊接质量和效率，降低焊接的劳动强度，设计并研制了一套工业机器人焊接系统来完成动臂的焊接。

1 微型挖掘机动臂焊接工艺分析

SW25-8 微型挖掘机动臂结构如图 1 所示，1、4、6、7 等处轴承支座经车削加工成形后，与上下面板、左右侧面板，以及各轴承座的肋板通过焊接组成。动臂上下面板及侧面板均选用6 mm 厚的Q355B 低合金高强度钢板，上下面板采用激光切割下料再经卷板成形，左右侧面板直接激光切割成形。图2(a)为动臂的平面图，其1 和6 轴承支座孔间距为2 000 mm，动臂弯曲方向尺寸为600 mm。

图1 SW25-8 微挖动臂结构示意图

动臂结构并不复杂，但尺寸较大，焊缝较多且有空间曲线，焊接工作量大，图2(b)为上下面板与左右侧面板的焊缝，单侧长达3 850 mm，必须对两条长焊缝分段对称焊接，以避免过大的焊接应力和变形，具体焊接工艺如下：

(1)利用工装夹具，先定位并点焊固定上下左右面板，形成动臂主体结构。

(2)定位点焊各轴承支座及肋板。

(3)分段对称焊接上下面板与左右侧面板的长焊缝。

(4)焊接各轴承支座及肋板。

(6)焊接各油管支架。

图2 动臂工程图及主要焊缝示意图

2 基于工业机器人的动臂自动焊接系统设计

工业机器人常用于完成搬运、码垛、焊接、喷漆、打磨、装配等工作，但不同用途的机器人，其结构和应用还是有较大区别的。机器人本体可以是通用的，但工作任务不同、工作对象不一致，机器人的结构就不一样。对于焊接用工业机器人，可根据焊接的对象和任务，在通用机器人基础上，集成相应的工装夹具以及动作机构，才可以完成相应的焊接作业。

SW25-8 微型挖掘机动臂焊缝长，在焊接过程中需要不断翻转实行对称焊接，因此，针对动臂的焊接作业进行了系统的设计，总体布置方案如图3 所示，主要组成包括焊接机器人、双立柱单回转式变位机、机器人移动导轨、自动CO2保护焊机、焊枪清枪站、平衡吊等。

2.1 焊接机器人选型

结合SW25-8 微型挖掘机动臂的结构特点及焊接要求，焊接过程中除需要控制焊枪的空间移动及定位之处，还要控制机器人在导轨方向的移动和工件借助变位机实现的回转运动。常见的焊接机器人焊枪空间移动及定位需要六个自由度，而本项目用于实现动臂焊接的机器人应具备八个自由度，即需要控制八个轴的伺服电动机。

图3 动臂自动焊接总体布置图

为了便于实现动臂焊接八个自由度的控制，有两种方案可选。

方案一：可选择通用六轴焊接机器人再加上1台PLC(可编程控制器)及触摸屏组成，由六轴焊接机器人控制器实现焊枪空间移动控制及焊机控制，由PLC 负责整个系统焊接程序的选择、 工作启停以及机器人在导轨上的移动控制和变位机的回转运动控制。机器人移动导轨及变位机回转的伺服电动机可根据需要单独配置，PLC 通过PTO 脉冲以及行程开关、 伺服电动机驱动器实现对机器人移动及工件回转运动伺服电动机的控制。

方案二：直接采用九轴焊接机器人，除了六个轴用于焊接机器人本体(焊枪空间移动及定位)，再用第七轴用于控制机器人在导轨上的移动，用第八轴控制变位机回转运动，并实现八轴联动控制［2］，实现动臂焊接所需要的各种运动和姿态控制。此外，再配备一个远程操作面板，安装启动、暂停、急停按钮用于日常操作，具体焊接程序则由示教器来选择。

两种方案相比，各有优缺点，对于方案一，操作方便，焊接程序可在与PLC 连接的触摸屏上选择，但要实现机器人在导轨上移动和变位机回转运动与其它六个轴实现联动控制则较为困难；对于方案二，最大的优点在于焊接所需要的八轴可实现联动控制，因此，本项目选择了方案二，选用了1 台国产九轴控制的焊接机器人。

2.2 移动导轨设计

常见机器人移动导轨结构有多种型式，考虑到本项目机器人移动部分的重量不大，为了获得较高的定位精度，决定采用直线导轨+斜齿轮齿条的结构型式，结构件包括基础钢架、2 条导轨。4 个滑块以及安装平板、机器人基座。

机器人基座固定在安装平板上，平板再固定安装在导轨滑块上，通过两条平行导轨承受机器人移动部分的全部重量并传递至基础钢架和地面上。固定在安装平板上的伺服电动机通过轴端斜齿轮和固定在基础钢架上的斜齿条传动带动安装平板及其上的机器人在导轨上移动，实现机器人移动控制。

结合考虑动臂的结构尺寸，移动导轨的总长度取3 000 mm，直线导轨副如图4 所示。

图4 机器人移动用直线导轨副

2.3 变位机选型

变位机是焊接辅助设备，主要用于焊接过程中实现待焊接工件的回转变位，以获得所需的加工位置，实现连续焊接。其应能够与焊接机器人联动控制，以组成自动焊接系统。

变位机有多种类型，本项目变位机主要用于实现对动臂的回转控制，考虑到动臂的结构尺寸和重量均较大，因此，选用双立柱单回转式变位机，其一端立柱安装伺服电动机驱动装置作为主动端，带动两立柱间工作平台沿一个回转方向转动，另一端随主动端运动。

综合考虑动臂的结构尺寸，选择变位机的工作平台长度为3 000 mm，平作台宽度为200 mm，同时，为便于操作，将焊接系统的远程操作面板(安装有启动、暂停、急停按钮)安装在变位机的立柱上。

2.4 电焊机选型

电焊机的选择，首要考虑的是焊接方式和焊接电流大小，而焊接电流的大小与焊件厚度、 接头型式、焊接位置、焊条型号、焊条直径、焊接速度均有关，为获得较好焊接质量和较高的生产效率，本项目选用广泛应用于全自动化焊接的CO2保护焊机。

对于CO2保护焊，焊接电流的大小主要取决于焊接送丝的速度。焊接送丝速度越快，则焊接电流就越大。考虑到动臂焊接钢板的厚度达6 mm，焊丝直径可选1.6 mm、2.0 mm、2.5 mm，

为保证一定的焊接电流安全裕量和较高的焊接速度，选择最大焊接电流应达400A 以上的电焊机。

经市场调研后，选用Ehave CM500 型全数字IG BT 逆变CO2保护电焊机(含送丝机构、 焊枪及清枪站)，其采用微机全数字化控制，输入容量24 kVA 的3 相交流电源，电流输出 30～500 A，送丝速度 1.4～24 m/min，可接收机器人控制器输出的4～20 mA 模拟量信号实现焊接电流的连续调节。

2.5 平衡吊选型

为了实现动臂在变位机上的安装与调整，需要配置一套吊运设备。结合图3 所示的布置图和动臂的重量，选择1 台额定起重量为300 kg、工作半径为2 500 mm 的PJ030 型机械平衡吊。

平衡吊利用三相交流异步电动机通过驱动螺母转动从而带动丝杆上升来实现货物吊运，同时靠主吊杆后端的平衡块来平衡起吊时的重力，从而使运动平滑，操作省力，避免工作时形成侧翻力矩而导致设备倾倒。同时为了便于动臂的安装与调整，给平衡吊设计制作了一个可移动式底座，工作时，可根据需要万向移动整个平衡吊。实物如图5 所示。

图5 机械平衡吊实物

3 动臂机器人焊接系统的应用

根据前述SW25-8 微型挖掘机动臂自动焊接系统的方案设计，项目选用了1 台国产九轴控制(有一轴为备用)的宏太焊接机器人，订购了长度为3 000 mm、配备2 个滑块的滚珠直线导轨2 套和长度为3 000 mm 的双立柱单回转式变位机1 台，订购了焊接电流达500 A 的全数字IGBT 逆变CO2保护电焊机1 套以及机械平衡吊1 台，设计制作了机器人移动导轨的基础钢架、安装平板和机器人固定底座，选配了相应的伺服电动机、斜齿轮和齿条、导轨风琴式防护罩。

整个系统配置、安装完成后，使用机器人示教器协调配对好机器人控制器与第七轴(机器人移动)和第八轴(变位机回转)伺服电动机及驱动器的参数，实现八轴联动控制。之后将定位点焊后的动臂主体结构安装于变位机上进行了试焊，效果良好。焊接现场如图6 所示。

图6 动臂机器人焊接现场

4 结束语

项目自2019 年1 月投产后，经过2 个多月的磨合以及对焊接程序的完善和对焊接参数的不断优化，单个动臂的安装和焊接时间约为40 min，比人工焊接大约快了40 min，同时，焊接速度稳定，焊缝尺寸均匀，采用翻转对称焊接，焊缝应力小，变形量也明显优于人工焊接，焊接质量和效率达到了预期的目标。同时，在生产过程中也发现定位点焊后的动臂主体结构如果存在较大的尺寸误差时，会直接影响到最后的焊缝位置和焊接质量，需要在焊接前把好钢板卷板以及点焊主体结构成型的质量，才能更好地发挥本系统的作用。