机器人焊接工作站在椭球底封头焊接中的应用

夏旭新

（中国航天科技集团公司 长征机械厂，四川 万源 636371）

0 前言

椭球底封头是宇航燃料贮箱的重要结构件，工件结构复杂、焊接量大，对焊缝的质量要求高，要求焊接设备稳定可靠、柔性好。为了提高焊接质量，提高生产效率，减轻工人劳动强度，系统选用气动夹具、微电脑控制界面、专用电弧摄像头，焊接参数可预设，焊接过程可适时调整，并能存储打印。本系统由长征机械厂提出技术指标，由昆山华恒焊接股份有限公司设计、制造和集成。

1 装备要求

宇航燃料贮箱为椭球底结构，8条纵缝、2条环缝，铝合金材料，焊缝形式：对接焊缝，Y型坡口。工件直径大，焊缝轨迹是椭球曲线和圆弧曲线，焊接过程中必须使焊接熔池处于水平或爬坡的船形位置，如何使工件倾翻、旋转，焊枪的可达性是个较为突出的问题。

用于铝合金的焊接工装不同于黑色金属的焊接工装，不但要定位，还要抵抗焊缝收缩产生的应力和变形。本焊接工装要求高、功能多、设计制造复杂，为了使工件能够快速准确定位装夹，焊接过程中防止焊缝收缩及形面变形，设计制造椭球体模胎和纵、环缝气动夹具是解决机器人焊接定位和压紧的手段。该系统由椭球底模体、升降机构、气电防缠绕机构、加热系统、纵缝夹具体、环缝夹具外圈及环缝夹具内圈等部件组成。椭球底模胎如图1所示。

（1）焊接模胎。

与黑色金属相比，铝合金传热快、线膨胀系数大，焊接过程中产生较大的应力，装配和焊接过程中要托住工件，在拘束条件上焊接，防止和抵消焊接应力收缩产生的变形。椭球底模胎是工装的骨架，由Q235钢板拼焊而成，可承受8 t的压力，制造过程中采用局部及整体去应力失效，外表面按椭球方程理论形面进行精加工。

图1 椭球底模胎

为适应铝合金变极性TIG焊接，焊接过程中能对焊接区域进行加热，减少气孔的产生和裂纹的出现，满足单面焊双面成形工艺要求，采用不锈钢衬垫（相对紫铜冷却慢）并带加热装置。镶嵌在模胎上，外表面与模胎一起按椭球方程理论形面进行精加工，中间开有宽8～10 mm、深1～2 mm的焊漏槽，背面槽形内镶嵌1～2 kW的远外加热管。

环缝垫板可气动升降，纵缝拼焊完后，工件在不卸胎的情况下，环缝垫板下降，低于模胎形面5～10 mm，进行圆环余量铣切及焊缝坡口加工。

（2）焊接夹具。

纵、环缝夹具由Q235钢板拼焊而成，内部装有日本SMC气动原件，压指选用不锈钢材料，形面按椭球方程理论形面进行精加工与椭球模胎完全贴合，夹持厚度3～8 mm，选用0.65 MPa气源，压指线压力27～30 kN/cm。纵、环缝夹具与椭球底模胎装配关系如图2、图3所示。

（3）防缠绕接头。

工件装配后夹持在气动夹具与模胎之间，焊接过程中要使焊接熔池始终处于水平、爬坡的船形位置，这就要求模胎在焊接过程中可实时翻转、旋转，不锈钢衬垫加热线、电磁气阀信号线、压缩空气管路通过旋转接头的形式与外部连接，防止电线、管路出现缠绕。防缠绕接头的结构小巧、紧凑、精密，可承受交流500 V/50 A，1.5 MPa压缩空气压力。防缠绕接头安装在模胎底部中心，结构如图4所示。

图2 纵缝气动夹具

图3 环缝气动夹具

2 机器人与外部轴的协调控制

一般弧焊接机器人为6自由度直角坐标机器人，能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中，3个自由度（XYZ）用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度（ABC）用于控制焊枪的空间姿态。但对于几何尺寸较大的工件，机器人本体的作业空间无法达到，对拥有复杂空间椭球曲线的焊缝工件，仅靠6轴机器人既无法将被焊位置移动到平焊或爬坡焊的船形焊接位置，获得较高的成形质量，工作范围也无法满足实际焊接需求。因此，需要建立一个由6轴机器人+3轴龙门架滑台+2轴变位机组成的弧焊接器人工作站系统协调处理焊接过程中焊缝轨迹位置的变化，使被焊位置处于平焊、爬坡焊的船形位置，同时扩大机器人的工作范围。

图4 防缠绕接头

机器人有直立、侧壁、倒挂三种安装方式，机器人底座可安装在滑台上，根据自由度组合方式的不同，可分为三种类型：具有一个自由度滑台（X、Y、Z）、具有两个正交平移自由度滑台（XY、YZ、ZX），具有三个自由度滑台（XYZ）。

变位机分为三种类型：具有两个正交平移自由度的变位机（XY变位机）、具有两个正交旋转自由度的变位机（RT变位机）以及将两个RT和一个独立旋转轴相互组合的变位机（5轴变位机）。

机器人底座滑台、变位机有顺序运动控制和同步运动控制两种控制方式，也可作为机器人的外部轴，与机器人组成协调运动控制方式。

（1）6轴机器人。

采用德国KUKA KR16焊接机器人，第6轴最大负载16 kg，机器人工作半径1 610 mm，重复定位精度±0.1 mm。该机器人具备焊接中厚板复杂结构所必须的功能，如：精确的直线、圆弧、曲线插补和点到点的运动功能等。该机器人具备焊接中厚板复杂结构所必须具有的功能如下：

a.精确的直线、圆弧、曲线插补和点到点的运动功能。

b.接触寻位功能。通过带有电压的焊丝/喷嘴触碰工件，找到正确的焊缝起始点、结束点或焊缝中间任意点。

c.电弧跟踪功能。在焊接过程中实时修正焊接轨迹，补偿工件因装配或焊接变形产生的偏差。

d.多层多道焊功能。对于多层多道焊接，只示教打底轨迹，机器人控制系统根据焊接规范和具体焊缝形式自动生成盖面程序。

e.轨迹重现功能。打底时通过电弧跟踪获得的实际焊缝轨迹，可以在生成多层多道焊盖面轨迹时得到调用。

f.TCP自动校正功能。一段时间自动运行后，机器人自动校正TCP。

g.多种横摆形式。多种及用户自定义摆动形式，摆动幅度及频率可调。

h.坡口尺寸偏差修正。通过接触寻位，获取坡口变化量，根据坡口宽度自动调整焊接电流、电压、速度和摆幅等参数。

i.在线优化功能。供工艺人员在设备调试时在线修改焊接参数。

j.程序复制功能。在多套工作站同时交货调试时，编制好的焊接程序可从一个工作站复制到另一个工作站中，缩短编程调试时间，使多套工作站迅速进入正常生产。

防碰撞装置、机器人枪夹、TIG焊枪、电动横摆微调滑架、电弧摄像系统安装在机器人第六轴的手腕上。

（2）3轴龙门架。

3轴龙门架包括安装在立柱上的X方向导轨，在X方向导轨上行走的Y方向导轨，以及在Y方向导轨上滑动的Z方向导轨，适用于机器人悬挂安装。伺服电机（德国Siemens）驱动行星轮减速机，通过独有的齿轮齿条无间隙传动技术，齿轮在转动过程中始终与齿条啮合，驱动溜板/梁在三组直线导轨上滑行。

由于龙门架运动采用的伺服电机和伺服驱动和机器人属于同一系列，同时受基于工控机基础上开发的KRC2机器人控制器控制，属机器人外部轴，可自由编程，因此龙门架运动和机器人本体运动的联合轨迹插补，实现龙门架和机器人的联动。机器人悬挂在Z方向导轨的末端，滑架控制框布置于X方向导轨附加溜板上，高频高压引弧器通过固定板安装在Z方向导轨下端。在龙门架两端均设有楼梯和操作维护平台。X/Y/Z方向溜板的直线滑轨副均连接到中心润滑系统，润滑油直接泵入滑轨副，保证直线滑轨的精度和长寿命使用。

高度集成的系统联线总成包括机器人的动力电缆及信号电缆，外部轴的动力电缆及信号电缆，焊接电源的水、电、气管线等，穿入坦克链的部分均采用高柔性电缆。在龙门架一端设有系统联线总成转接，在龙门架安装或运输时只需要拔插若干航空插头，而不需要重新对龙门架进行布线。6轴机器人和3轴龙门架配合使用，有效行程X=10 000 mm；Y=2 000 mm；Z=1 500 mm。重复定位精度±0.1 mm；外形结构如图5所示。

图5 焊接机器人龙门架结构

（3）2轴变位机。

2轴变位机由头尾架、转盘、摇篮组成，也受基于工控机基础上开发的KRC2机器人控制器控制，可自由编程，可与机器人系统联动控制（联合进行轨迹插补），实现变位机和龙门架与机器人的联动。工件、气动夹具装卡在椭球底模胎上，总质量在5 t以上，因此选用承载10 t的变位机。要使变位机运转平稳，重复定位精度高，以满足实际生产的要求。

伺服电机（德国Siemens）驱动RV减速机，通过独有的齿轮无间隙传动技术，依靠弹簧预紧方式，避免防冲间隙，齿轮在转动过程中始终与回转支撑啮合，驱动变位机转盘旋转，实现模胎回转和翻转两自由度的运动，保证焊接时焊缝始终处于最佳的焊接姿态（平焊或立焊）。变位机尾架外形尺寸和结构设计与头架相同，无驱动，变位机头架通过万向联轴器与摇篮框架连接，消除模胎回转和翻转过程产生的冲击，使得运行平稳，伺服精度提高。最大旋转速度16°/s；最大负载10 000 kg；最大输出扭矩13 000 N·m；最大倾覆扭矩100 000 N·m；旋转范围±185°；重复定位精度±0.03 mm。外形结构如图6所示。

3 焊接系统

焊接系统采用美国Miller公司制造的Dynasty700全数字逆变变极性弧焊电源，美国WELDTEC公司制造的WT-27BW水冷焊枪，德国TBi公司制造的KS-1f防碰撞装置及机器人枪夹。华恒公司制造的外部水循环制冷系统、弧长调节系统及电动微调横摆滑架、视频监视系统、高频高压引弧器等。

图6 头尾架双回转变位机结构

Dynasty700弧焊电源选用与专机配套的28芯控制接口，控制起弧、收弧、焊接电流参数调整，以满足铝合金变极性TIG自动焊接的要求。高频高压引弧器因焊接电源布置在地面，焊接电缆长度大于20 m，对高频引弧能量衰减很大，靠弧焊电源内部高频引弧器很难引燃电弧。在Z方向导轨下端靠近焊接机器人底座上侧安装高频高压引弧器，距TIG水冷焊枪约3.5 m，引弧容易，引弧高度5～6 mm。引弧过程为：高频高压-直流电弧-交流电弧，解决了铝合金交流TIG焊专机引弧难的问题。

智能焊接控制系统采用德国BEKHOFF公司产品，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，独特的现场总线、嵌入式操作系统对自动焊接中的各项功能参数进行集中设置、存储，分布式同步精确控制，并有良好的扩展性。在实际生产焊接过程中，要对相关的焊接参数和运动参数进行匹配，并通过集中控制器来实施。该控制器采用多模块集中控制方式，通过编程对相关的焊接参数和运动参数进行协调通讯。该控制器具有编程简便、界面直观、维护方便、抗干扰能力强等特点，操作台实现实时显示功能，可以在操作台上看到过程中的各种状态。焊接过程可随时调整横摆速度、横摆中心、横摆摆宽、电流、焊接速度等焊接参数，以达到在某些焊缝处的特殊要求。增加了引弧电流、熄弧电流的设置。友好、直观的编程界面，易学的焊接工艺控制过程，无需专业化人员操作。实时显示焊接电压、焊接电流、行走距离/度数，并可控制焊接行程，实现自动衰减。一个焊接工艺程序可分10个区间，以满足工件不同时段的焊接要求。另外还配有水冷、保护气、压缩空气检测元件，组成故障检测系统，直接显示故障原因，确保系统持续工作。

4 系统调试与运行

机器人标定是机器人使用中必须完成的重要工作之一，其标定精度直接影响到机器人末端的轨迹精度。按照机器人所标定的对象，可以将机器人标定分为：（1）机器人本体各杆件坐标系与基坐标系关系标定；（2）机器人与其他设备（如变位机、其它机器人等）的关系标定；（3）机器人作业任务中的标定（如工具参数标定、工件参数标定等）。

当装上机器人、摇篮框架、焊接模胎后，整体精度要求为：横梁轨道平行度小于0.5 mm、直线度小于1.0 mm，悬臂梁直线度小于0.5 mm、挠度小于1.0 mm，变位机头尾架回转支撑盘平行度小于0.5 mm、同轴度小于0.5 mm。龙门架的3个外部轴（XYZ）的导轨与溜板、变位机2个外部轴（RT）的转盘与摇篮框及床头箱之间都安装有零位校准装置，保证了龙门架重复定位精度在±0.03 mm以内，变位机回转与翻转重复定位精度在±0.03 mm以内。

焊接机器人示教编程。根据8条纵缝在椭球体封头上等均分布的特点，只需示教1条纵缝轨迹及相应点位的焊接区间，模胎依次旋转45°，即可完成另外7条纵缝的示教编程；而环缝只有1条，示教环缝轨迹及相应点的焊接区间，即可完成环缝轨迹示教编程。这样可减少纵缝示教工作量，缩短编程时间。根据示教点位的焊接区间，依次在焊接控制系统上完成起弧段、焊接段、收弧段焊接参数设置。工件采用变极性TIG焊接，采用平焊、爬坡焊两种工艺。

试片焊接后，经X射线探伤、机械性能试验合格，符合行业标准要求。试验箱底经X射线探伤、氦质谱检漏、强度气密试验合格。与手工焊接相比：焊缝坡口加工要求高，装配质量要求高，焊接参数设定范围缩小。

机器人焊接工作站的应用确保了产品焊接质量，提高了生产效率，改善了工人劳动条件，降低了劳动强度，企业经济效益提高。

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