焊接机器人在轨道交通装备制造中的应用

尹光剑 姜立民 邱存宝 王文 贺永辉中车四方车辆有限公司 山东青岛 266000

随着我国经济实力不断加强，我国轨道交通行业获得良好的发展。而焊接技术在此领域的应用愈加广泛。焊接技术是在高温或高压的条件下，使用焊接材料或＋使用焊接材料来实现网母体之间连接的一种操作方法。目前常用的焊接方法有利用辐射加热脉冲控制的激光焊接、利用电子束高速轰击的电子束焊接、利用高频振动摩擦使分子层相互熔合的超声波焊接、不需要母料，通过圆柱针搅拌摩擦达到焊接目的的搅拌摩擦焊，以及机械手，机器人等高度智能化的焊接技术。

1 焊接机器人原理

焊接机器人是一种特殊焊接设备，采用高度自动化焊接程序以及焊接技术。接机器人的定义是根据国际标准化组织标准设定。可重复编程多用途的自动控制操作机。模拟了人类手臂，通过传感器等感应电路以及设备，可以按照程序进行焊接。工作时，须依赖于各辅助设备以及控制系统。焊接机器人的基本构造为，变位机、操作手、控制器以及焊接系统传感器，中央控制计算机和相应设备[1]。

2 焊接机器人在轨道交通装备制造中的应用

2.1 焊接机器人在制造交通轨道装备中的具体应用

①焊接HXD3C 型电力机车的底架牵引梁横梁、中梁横梁以及旁承梁横梁等外部焊缝；②焊接HXD3C 型的电力机车底架牵引梁整体、中梁整体以及旁承梁整体等外部焊缝；③焊接HXD3C 型电力机车的转向架构架牵引梁、前端梁、后端梁、中梁、右侧梁及左侧梁等外部焊缝；④焊接LTZ-800 型处理路基车转向架构架的侧梁外部焊缝；⑤焊接各类出口机车和调车机车的箱型梁外部焊缝；⑥焊接风缸环焊缝以及纵焊缝。焊接机器人的特点是具有稳定的焊接质量、优美焊缝外观等，其可通过寻找以及示教功能，利用编程对程序进行优化，以实现批量生产。在这之中焊接机器人选用L 型变位机的，因为变位机能够灵活地进行位置摆放，设计开发其工装，在焊接多种钢结构上都适用。

2.2 轨道客车转向架制造中的应用

在中国中车高速轨道客车转向架制造过程中，焊接过程中无需变位，可以在工作台面上把工件固。在此种情况下，机器人与变位机器可以分别运动，机器人的运动复合在变位机上，使焊枪相对于工件运动既能满足焊缝轨迹又能满足焊接速度以及焊枪姿态的要求。箱体焊接机器人工作站由焊枪送焊丝机构、焊接电源、回转双工位变位机、弧焊机器人、工装夹具和控制系统[2]。

2.3 焊接机器人参数

将RTi330—S 型的焊接机器人作为应用对象，这一焊接机器人运用6 轴设计，应用交流伺服的电动机驱动所有轴，具有焊枪碰撞传感器和焊枪座。其系统使用全数字化控制技术，其中可数字化控制各系统部分及焊接电源与控制柜间通信。使用总线连接整个系统，可以减少连接电缆数量，将处理数据速度提高，进行更精准的控制，降低故障率。焊接系统使用TPS5000 逆变焊接电源，其可进行全数字化控制，适合用CO2/MIG/MAG、脉冲MIG 和脉冲MAG 焊接方法；可在有效焊接区域开展全方位焊接，使焊缝满足TB/T1580—1995、EN15085 与有关标准要求；机械手使用内置蒸馏水与酒精混合防冻液的封闭式循环系统，设置有缺水的报警装置；应用单丝焊枪，使用一体化水冷焊枪，水冷至喷嘴和导电杆。其可数字化控制焊接过程，在焊接质量及性能上可以反映出控制的可靠性和安全性。将其当做胎位开展编程以及焊接工作，其可按照工件形状在各种焊缝焊接位置进行合理应用，对于形状不同的工件有着较高适应性。比如HXD3C 型电力机车的底架牵引梁整体具有复杂钢结构，可通过L 型变位机焊接，利用变位机能够变化的位置，适应那些难以接近的焊缝进行焊接。在开发这一工装时，应该对其工作状态下承载状况进行充分考虑，不应超过最大承载重量。

2.4 焊缝跟踪控制理论与方法

①焊接过程中，在焊接轨迹方向上，焊枪相对工件按照每移动固定的距离，就完成一次调整，或者说，每移动固定的距离，控制器向传感系统发出一次位置指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，进行焊接作业。②在焊接过程中，以固定的时间间隔控制器向控制系统发送位置请求的指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，从而进行焊接作业。③焊接过程中，在焊接速度方向上，提前确定焊缝线路，传感器对焊缝前段（未开始焊接）进行跟踪，向控制系统发送位置请求指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，进行焊接作业。

2.5 焊后检查和程序改进

由于工件的组装中存在少数工件组装误差偏大的问题，而对于焊接机器人来说，需要工件尽可能的保持一致性，才能保证每次焊接生产出来的工件质量。而工件的焊缝打底也因焊工不同存在差别，打底层的焊缝薄厚，会影响机器人焊接的焊缝的成形。在每次安装工件之前检查焊缝组装情况，检查焊缝打底情况，可能会出现问题的工件，对其填充层进行监控，调整参数，以保证填充层能达到在编程时候填充层焊接的填充量和焊角尺寸。这样，在盖面层焊接时就能保证其能按照焊接程序，自动跟踪焊接出美观结实的焊缝[3]。

3 结语

近年来我国的经济的高速发展，对于能源的需求增大，全自动焊接机器人逐渐崭露头角。对焊接机器人的需求一直处于稳步增长态势。在中国中轨道交通装备制造行业中，我国对于城市轨道交通以及运输业等需求量的不断增加，对高速列车提速的需求也越来越多。焊接机器人在轨道交通装备制造中起了关键性的作用。