第一章 緒論

1.1 研究背景
隨著工業(yè)化與信息化的深度融合，智能化機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。在工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)，徐工成為了首批焊接柔性生產(chǎn)線的應(yīng)用公司。中國(guó)是目前全球機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的國(guó)家，雖然焊接機(jī)器人具有節(jié)約人力、降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，保障工人安全，改善工作條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，機(jī)器人弧焊變形問(wèn)題變成了一個(gè)更加突出、普遍的難題。徐工裝載機(jī)鏟斗為承受動(dòng)載構(gòu)件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件制作公差和組裝公差范圍比較大，組裝間隙大，焊腳尺寸從 5mm 到 25mm 變化范圍大，焊縫長(zhǎng)度從 20mm 到 3000mm不等，需要焊接各種空間圓弧焊縫、狹窄空間焊縫、對(duì)接焊縫、搭接焊縫等，并且弧焊機(jī)器人的基本功能比點(diǎn)焊機(jī)器要復(fù)雜得多，工具中心點(diǎn)（TCP），也就是焊絲端頭的運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍姿態(tài)、各項(xiàng)焊接參數(shù)、焊接過(guò)程中的防碰撞功能、水冷卻功能、送絲系統(tǒng)的能力、清槍站的作用、尋位的準(zhǔn)確性、電弧追蹤能力、重復(fù)引弧、斷弧再引弧都要求精確控制。由于鏟斗焊縫密集，且角焊縫偏多，應(yīng)力集中較大，使用智能化機(jī)器人焊接系統(tǒng)焊接效率較高，但是焊接變形嚴(yán)重。目前焊接變形使主刀板平面度受到較大影響，在裝載機(jī)使用的過(guò)程中卸料不徹底，鏟斗內(nèi)容易粘結(jié)泥沙等物質(zhì)。另一個(gè)受到嚴(yán)重影響的就是鉸接板法蘭開(kāi)檔尺寸，鉸接板法蘭開(kāi)檔用于連接動(dòng)臂和拉桿，開(kāi)檔尺寸較小不能裝配，開(kāi)檔尺寸較大時(shí)存在裝配間隙，影響裝載機(jī)質(zhì)量。由于鏟斗拼點(diǎn)質(zhì)量的不穩(wěn)定性，以及對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)掌握的程度，在鏟斗通焊過(guò)程中，產(chǎn)生大量的焊接缺陷，如偏焊、氣孔等，通焊完成后，還需要大量的人工對(duì)焊接缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。
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1.2 裝載機(jī)鏟斗制造概述
裝載機(jī)鏟斗是由多個(gè)零部件焊接而成的結(jié)構(gòu)件，單板零部件是由下料切割、打磨毛刺、調(diào)平、折彎、機(jī)加工等工序加工而成。其中鉸接板法蘭和斗底護(hù)板提前焊接成小總成。在裝載機(jī)鏟斗生產(chǎn)過(guò)程中，首先需要將鏟斗各零部件及小總成，在鏟斗點(diǎn)焊工裝上進(jìn)行拼裝、點(diǎn)焊，其次將拼點(diǎn)成型的鏟斗放置到料臺(tái)上，自動(dòng)生產(chǎn)線中的 RGV，將工件轉(zhuǎn)運(yùn)到步進(jìn)式上料緩存臺(tái)存放。自動(dòng)生產(chǎn)線軌道兩側(cè)各布置了 12 臺(tái)機(jī)器人焊接工作站，通過(guò) DCS 調(diào)度系統(tǒng)，完成工作站上工裝對(duì)鏟斗的自動(dòng)裝夾，并調(diào)用對(duì)應(yīng)焊接程序，啟動(dòng)自動(dòng)焊接。焊接完成后，轉(zhuǎn)到鏜專(zhuān)機(jī)上對(duì)三組鉸接孔進(jìn)行加工，加工后以鉸接孔定位，焊接限位塊、固定塊等小件。針對(duì)焊接過(guò)程中鏟半產(chǎn)生的變形進(jìn)行測(cè)量，低于工藝要求平面度的，需要進(jìn)行校正工序，以保證鏟斗的平面度。
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第二章 裝載機(jī)鏟斗焊接仿真變形研究

2.1 裝載機(jī)鏟斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)流程
鏟斗結(jié)構(gòu)狀如斗形（如圖 2.1、圖 2.2），呈中空敞口狀。由于鏟斗中空導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身剛度較小，中間敞口區(qū)域又沒(méi)有可靠的約束，如果對(duì)其施加向內(nèi)的力的話就很容易收縮，使主刀板中部向內(nèi)凹陷。6 塊鉸接板環(huán)繞斗壁板以立板形式坐落在斗壁板上（如圖2.1），可以將其簡(jiǎn)化看做雙面焊接的 T 型接頭，其變形原因主要為鉸接板兩側(cè)焊縫先后施焊收縮變形導(dǎo)致。鏟斗結(jié)構(gòu)和斗壁板外側(cè)焊縫布置見(jiàn)圖（如圖 2.2），鏟斗主體由較多規(guī)格、尺寸不同（厚度 8~53mm）的鋼板焊接而成，鏟斗焊縫主要集中在斗壁板外側(cè)，主要焊腳尺寸8~10mm，熱輸入量大，并且焊縫數(shù)量多、尺寸長(zhǎng)，繞斗壁板外側(cè)一周，焊縫縱向收縮應(yīng)力大。尤其鏟斗底部焊縫密集，不僅有斗底護(hù)板繞斗壁板環(huán)焊縫的作用更有主刀板及加強(qiáng)筋板區(qū)域性交錯(cuò)焊縫產(chǎn)生的大量熱輸入。機(jī)器人連續(xù)焊接時(shí)，強(qiáng)大的熱輸入使主刀板及其附近斗壁板區(qū)域的屈服強(qiáng)度降低，之后在先施焊焊縫冷卻后的殘余應(yīng)力及其自身冷卻應(yīng)力的共同作用下，主刀板產(chǎn)生塑性變形，其中部區(qū)域凹陷。除了焊接的影響，鏟斗在生產(chǎn)過(guò)程（如圖 2.3）中也有許多注意點(diǎn)：主刀板、斗側(cè)板等來(lái)料的尺寸及公差要求，斗壁板經(jīng)全自動(dòng)卷板機(jī)加工后的各項(xiàng)尺寸必須滿足要求，鏟斗在自動(dòng)定位壓緊液壓工裝（如圖 2.2）上拼點(diǎn)時(shí)各項(xiàng)尺寸及拼點(diǎn)間隙應(yīng)滿足要求。
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2.2 裝載機(jī)鏟斗變形原因分析
裝載機(jī)鏟斗焊縫形式多為角焊縫，并且焊接變形以角變形居多。焊接角變形機(jī)理分析：焊接角變形表現(xiàn)為焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生角位移，角變形是一種面外變形[4]。角變形的三種常見(jiàn)形式：由圖可知：鏟斗主刀板變形類(lèi)似于圖 2.4 所示角變形，鉸接板變形類(lèi)似于圖 2.5 所焊縫角變形。角焊縫所造成的 T 形接頭的角焊縫變形由兩部分組成：其一是角焊縫使翼緣產(chǎn)生橫向收縮而造成翼緣偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度；其二是角焊縫自身的收縮引起的角變形。角變形的根本原因是橫向收縮在厚度方向上的不均勻分布所造成，角變形的大小取決于熔化區(qū)的寬度和深度以及熔深及板厚之比，因此角變形沿焊縫長(zhǎng)度方向上的分布也與橫向收縮類(lèi)似，在開(kāi)始時(shí)比較小，以后逐漸增大。其實(shí)角變形根本的原因還是熱源在板厚方向上產(chǎn)生的溫度差，可以用板正面和背面溫度差來(lái)計(jì)算，即溫度差越大角變形就越大。
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第三章 基于弧焊機(jī)器人系統(tǒng)控制焊接質(zhì)量 ........ 21
3.1 弧焊機(jī)器人概述...... 21
3.2 弧焊機(jī)器人突出問(wèn)題系統(tǒng)改善.......... 22
3.2.1 焊槍問(wèn)題改善..... 22
3.2.2 送絲不暢問(wèn)題改善.... 25
3.2.3 機(jī)器人清槍系統(tǒng)改善....... 29
3.3 鏟斗焊接問(wèn)題改善......... 30
3.4 本章小結(jié) ......... 34
第四章 鏟斗工藝改進(jìn) ......... 35
4.1 焊接缺陷跟蹤分析......... 35
4.2 鏟斗工藝改進(jìn).......... 37
4.3 本章小結(jié) ......... 55
結(jié)論與展望...... 56

第四章 鏟斗工藝改進(jìn)

4.1 焊接缺陷跟蹤分析
通過(guò)深入現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，記錄所有位置產(chǎn)生的焊接缺陷，將其歸類(lèi)總結(jié)如下，從焊接程序及來(lái)料控制方面分析原因，提出解決措施，見(jiàn)表 4.1：上述改進(jìn)措施主要包括以下幾方面：保證來(lái)料尺寸及表面質(zhì)量，確保點(diǎn)焊質(zhì)量，改進(jìn)機(jī)器人尋位方法，優(yōu)化焊接參數(shù)。改善后缺陷數(shù)明顯下降，焊接質(zhì)量得到提高。但要想鞏固現(xiàn)階段的改進(jìn)成果，徹底消除焊接缺陷，提升焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，必須采取更科學(xué)更系統(tǒng)的解決辦法。因此，從人、機(jī)、料、法、環(huán)方面入手，從源頭找出影響鏟斗焊接質(zhì)量及效率因素，全面改善。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中工裝確實(shí)發(fā)生了滑動(dòng)現(xiàn)象，這足以解釋為何采取船型位姿態(tài)焊接的角焊縫經(jīng)常出現(xiàn)偏焊、氣孔等缺陷。由于鏟斗自動(dòng)線為柔性化設(shè)計(jì)，要求工裝能適應(yīng)不同型號(hào)產(chǎn)品，因此待工件裝上工裝后，長(zhǎng)度方向需要采用液壓方式向兩側(cè)拉緊并固定。油缸壓力設(shè)計(jì)值為 8MPa，將其升至 10MPa 后不能解決該問(wèn)題，因此考慮改進(jìn)工裝結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的工裝由雙向拉緊改為單向拉緊，拉緊一側(cè)增加靠板。經(jīng)驗(yàn)證，改進(jìn)后工裝沒(méi)有發(fā)生明顯滑動(dòng)現(xiàn)象，從源頭上降低了焊接缺陷數(shù)。原通焊機(jī)器人變位夾緊工裝為兩側(cè)均采用液壓方式固定鏟斗左右位置，且僅左邊一側(cè)有固定塊（如圖 4.5），鏟斗在變位翻轉(zhuǎn)時(shí)，液壓工裝不能保證鏟斗左右方向位置固定，鏟斗發(fā)生滑動(dòng)，，造成偏焊及氣孔等缺陷。

結(jié)論

本文對(duì)裝載機(jī)鏟斗在弧焊機(jī)器人通焊過(guò)程中的焊接變形和焊接缺陷作為主要研究對(duì)象，通過(guò)模擬仿真、焊接試驗(yàn)和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)特點(diǎn)分析，研究了降低裝載機(jī)鏟斗焊接變形和焊接缺陷的工藝規(guī)范和工藝措施，得到如下結(jié)論：
（1）采用固有應(yīng)變法和彈塑性有限元法相結(jié)合的方法對(duì)裝載機(jī)鏟斗焊接過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。模擬出結(jié)構(gòu)件的整體變形趨勢(shì)，找到對(duì)變形影響較大的焊縫，然后采用彈塑性有限元法重點(diǎn)對(duì)這些焊縫精確模擬。對(duì)焊接順序提出了改進(jìn)方法，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件變形趨勢(shì)。
（2）在焊接試驗(yàn)及焊接仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)鏟斗上各個(gè)區(qū)域的焊縫進(jìn)行逐一仿真，針對(duì)仿真結(jié)果又逐一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)焊接機(jī)器人編程調(diào)整焊接順序，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域焊縫對(duì)主刀板焊接變形的影響，制定出獲得鏟斗變形量最低的合理工藝規(guī)范，使鏟斗變形量降為最低。
（3）針對(duì)裝載機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，弧焊機(jī)器人在生產(chǎn)應(yīng)用中存在著一些突出問(wèn)題：焊接缺陷嚴(yán)重，機(jī)器人故障率、停機(jī)率高。結(jié)合國(guó)內(nèi)外幾種弧焊機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理，對(duì)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的改善，如：機(jī)器人送絲系統(tǒng)改進(jìn)，清槍系統(tǒng)優(yōu)化，機(jī)器人編程的改善等，獲得較好的效果。
（4）結(jié)合焊接仿真結(jié)果和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的尋位特點(diǎn)，對(duì)鏟斗的結(jié)構(gòu)形式、焊接順序都進(jìn)行了優(yōu)化，并制定了詳細(xì)的拼點(diǎn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、通焊作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)對(duì)操作者的培訓(xùn)等措施的大力推進(jìn)，使得鏟斗鉸接板開(kāi)檔變形得到了控制，通焊后不需校正，杜絕了下道工序裝配過(guò)程的問(wèn)題反饋；使鏟斗主刀板的焊接變形減小 30%~50%，焊后校正時(shí)間減少 50%。鉸接板開(kāi)檔尺寸控制在合格尺寸范圍內(nèi)。焊接缺陷減少了60~80%提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并且同步提升了生產(chǎn)效率。
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參考文獻(xiàn)（略）