結(jié)構(gòu)件的機器人焊接工藝分析2013.08.29

1、結(jié)構(gòu)件的機器人焊接工藝分析王生龍（神光新能源股份有限公司西寧810000） 摘要 ：本文以高倍聚光光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)的主要部件模組支撐架及主傳動軸（扭管組合）為例，了解機器人焊接工作站系統(tǒng)，焊接工藝特點及各工序時序圖（ Time Chart），利用反變形的統(tǒng)計分析法，以保證產(chǎn)品的精度要求。 關鍵詞 ：鋼結(jié)構(gòu)焊接變形機器人時序圖鋼結(jié)構(gòu)普遍采用焊接， 金屬焊接時在局部加熱、 熔化過程中， 加熱區(qū)的金屬與周邊的母材溫度相差很大，產(chǎn)生焊接過程中的瞬時應力。冷卻至原始溫度后，整個接頭區(qū)焊縫及近縫區(qū)的拉應力區(qū)與母材在壓應力區(qū)數(shù)值達到平衡，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)本身的焊接殘余應力。此時，在焊接應力的作用下鋼結(jié)構(gòu)件

2、發(fā)生變形，使焊后工件與原設計不符， 需進行施力或加熱校正方可達設計要求。為提高生產(chǎn)效率，就要從實際中尋找規(guī)律，找到防止和糾正變形的方法。一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及特點1.1 模組支架：如圖 1 所示，模組支撐架由長度分別為1250mm 和 2070mm 的 10#輕型槽鋼及 40mm 80mm 3mm 的矩形管組合焊接而成， 材質(zhì)均為 Q253A。其特點為焊后兩槽鋼側(cè)面須在同一平面上，且兩槽鋼必須平行，以保證1052.1 0.5mm 安裝尺寸。但是，焊接完成后 2070 槽鋼易發(fā)生焊接應力變形， 導致安裝裝尺寸變小，需火焰加熱校正或錘擊校正至要求尺寸方可。1052.1 0.51052.10.5圖 1. 模

3、組支撐架1.2 主傳動軸（扭管組合）：BDAEC圖 2. 主傳動軸（扭管組合）（ A- 法蘭板組合件 I， B- 法蘭板組合件 II ， C-M2055 法蘭螺栓， D- 扭矩管， E- 軸管組合見）如圖 2 所示為主傳動軸組合焊接件，其材質(zhì)全部為Q235A。主要由兩端法蘭板組合件、軸管組合件和1683mm圓管等焊接而成。其特點為組焊零件多，易發(fā)生變形，對兩法蘭板與扭管之間的垂直度要求高；為整個光伏發(fā)電光線追蹤系統(tǒng)提供各方向的旋轉(zhuǎn)支持， 因此對于主傳動軸焊接完成后的直線度及軸管與扭管的垂直度要求非常高。一般要求主傳動軸整體直線度為4000mm/2mm；軸管與扭管垂直度為2mm。二、工藝過程2.

4、1 模組支架加工工藝：根據(jù)加工方法的不同， 模組支架的加工工藝分為傳統(tǒng)加工工藝和現(xiàn)代加工工藝。傳統(tǒng)加工工藝為先焊后孔， 即焊接完成后再鉆安裝孔； 現(xiàn)代加工工藝為先孔后焊，即將安裝孔鉆好后再焊接。具體介紹如下：1）傳統(tǒng)加工工藝為人工焊接，勞動量大，效率低，生產(chǎn)成本高。其一般生產(chǎn)步驟為：人工上料至手工焊夾具 夾緊工件 點焊定型 松開工件 取件 手工焊接 將工件裝卡至鉆孔模具 鉆孔 取件 完成。依照生產(chǎn)步驟，如時序圖所示，共耗時 700 秒左右。時序圖 12）現(xiàn)代加工工藝為機器人焊接，裝備先進，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好，可不間斷作業(yè)。其一般生產(chǎn)步驟為： 人工上料 夾緊工件 機器人焊接 夾具翻轉(zhuǎn) 機器人

5、焊接 焊接停止，夾具翻轉(zhuǎn)至取件位置 打開夾具 取件 補焊 校正 完成。依照生產(chǎn)步驟，如時序圖 2 所示，共耗時 236 秒。時序圖 23）從以上時序圖可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代工藝在節(jié)約成本的基礎上大大的提升生產(chǎn)效率，并且針對鍍鋅時工件的吊裝姿態(tài)，對漏鋅孔進行了改良， 將所有的漏鋅孔改至同一方向（如圖 3 所示）。如此，在鍍鋅時易于排鋅，保證質(zhì)量的同時減少了鋅的殘留，節(jié)約成本。漏鋅孔位置（圖 3. 模組支架漏鋅孔優(yōu)化后）4）現(xiàn)代加工工藝雖然在生產(chǎn)節(jié)拍上較占優(yōu)勢，但是在批量生產(chǎn)時，也存在一定的弊端。因為機器人焊接軌跡是一定的，而矩形管在鋸床下料時， 存在一些不確定因素而導致所有零件尺寸并非一致，這就導致了偏差

6、尺寸的零件與設定的焊接軌跡之間不吻合的矛盾，需人工補焊方可解決。2.2 主傳動軸（扭管組合）加工工藝：主傳動軸的加工過程分為定位焊接、機器人焊接和人工補焊。 在此過程中要求加工時間的平衡，即t 定位焊接 =t 機器人焊接 =t 人工補焊 ，以達生產(chǎn)效率最大化的目的。以下具體介紹定位焊接、機器人焊接和人工補焊的生產(chǎn)工藝。1）定位焊接將所有的零件（見圖2）裝卡至定位焊接工裝，并按照指定要求（見圖4）進行定位點焊的過程稱為定位焊接。A. 兩端法蘭板與扭管點焊位置B. 軸管與扭管點焊位置圖 4.主傳動軸點焊位置示意圖（ 為點焊區(qū)域 ）為了使機器人在焊接時不發(fā)生撞搶、 粘絲以及避免定位焊縫與機器人焊接軌

7、跡發(fā)生重合等情況，定位焊接時必須按照必須按照如圖所示的位置進行點焊定位，定位焊縫一般 10-15mm 左右。2）雙機器人及變位機聯(lián)動焊接把定位焊接好的工件通過自行小車吊運至機器人焊接夾具， 夾緊夾具并啟動焊接程序，此時，變位機轉(zhuǎn)動并通過制定的程序與雙機器人之間聯(lián)動配合焊接，這個過程就是雙機器人和變位機的聯(lián)動焊接。三機聯(lián)動在軸管處采用的對稱焊接， 不但生產(chǎn)效率快， 而且使焊接所產(chǎn)生的拉壓應力保持平衡， 保證了兩軸管的同心度。 在批量生產(chǎn)時， 使產(chǎn)品質(zhì)量得到了保證。3）人工補焊對上工序機器人焊接時有可能造成的漏焊、 虛焊及定位焊接與機器人焊接銜接等情況進行檢查并對不合格處進行補充焊接，以保證產(chǎn)品質(zhì)

8、量。綜上所述，現(xiàn)代機器人焊接工藝既有其優(yōu)勢，又存在一定的弊端。 但是在批量高效生產(chǎn)，追求效率的現(xiàn)代化企業(yè)，機器人代替人工焊接時必然趨勢。所以，怎樣在縮短生產(chǎn)加工時間的同時能保證產(chǎn)品質(zhì)量完全合格成為現(xiàn)在我們攻堅的課題。在不久的將來，相信我們肯定會找到一種又快又好的生產(chǎn)工藝方法。三、工藝參數(shù)分析3.1 模組支架的 工藝參數(shù)優(yōu)化：圖 5.模組支架主要工藝尺寸優(yōu)化前（“ ”所示為關鍵尺寸，“ ”為優(yōu)化尺寸，其余為重要尺寸。）圖 6.模組支架主要工藝尺寸優(yōu)化后（ “ ”所示為關鍵尺寸， “ ”為優(yōu)化尺寸，其余為重要尺寸。 ）根據(jù)實際生產(chǎn)情況，經(jīng)反復多次試驗得到（實驗數(shù)據(jù)見表1）模組支撐架與模組梯形支架的

9、最佳裝配尺寸，即將尺寸9270.5 優(yōu)化為 9280.5，如圖 6 所示，并且對長槽鋼與矩形管處焊縫的焊接順序進行了調(diào)整（如圖7 所示）。這樣一來，一方面便于模組梯形支架的裝配；另一方面模組支撐架在焊接后1052.1 0.5mm 尺寸合格或微校正即可，保證了關鍵尺寸的精度，同時節(jié)約生產(chǎn)時間，提高產(chǎn)能。機器人焊接軌跡調(diào)整前序2序1序3序4機器人焊接軌跡調(diào)整后序3序1序2序4圖 7.機器人焊接軌跡優(yōu)化圖表 1.模組支架的試驗記錄1兩矩形管長度一致（尺寸 1-尺寸 5 位置見圖6）表 2 模組支架的試驗記錄1兩矩形管長度不一致（尺寸1-尺寸5 位置見圖6）由表1、表2（此處僅列部分數(shù)據(jù)）可知，焊接變

10、形量最大處在尺寸1 和尺寸 4 處槽鋼 2070 的焊接變形。結(jié)合實際情況，得知當矩形管尺寸在927.5-928.5mm范圍內(nèi)時，既滿足裝配尺寸的要求，又易于校正，降低勞動強度，提高了產(chǎn)能。3.2 扭矩管的工藝參數(shù)優(yōu)化:扭管在焊接時， 兩端法蘭板處一般焊接變形量不大，可忽略不計； 但是在軸管的焊縫為兩圓弧全面之間的焊縫，易產(chǎn)生焊縫虛焊、 焊接變形導致兩側(cè)軸管不同心等情況，因此須采用對稱焊擺動焊接， 即將兩臺機器人焊接軌跡調(diào)整至對稱狀態(tài)，并在焊接程序中加上擺動焊接，以保證焊接完成后軸管兩側(cè)焊縫一致，提高產(chǎn)品合格率。四、焊后矯正的方法構(gòu)件發(fā)生彎曲和扭曲變形的程度超過現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和設計要求時，必須

11、進行矯正。變形矯正的方法有：機械矯正法、火焰矯正法和混合矯正法。施工時，可以根據(jù)實際情況合理選用， 矯正時要遵守以下原則： 先總體，后局部；先主要，后次要；先下部，后上部；先主件，后副件。其中機械與火焰矯正法分別為：(1)機械矯正法：所謂機械矯正法就是利用外力，使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，與焊接變形相抵消，從而達到消除焊接變形的目的。(2)火焰矯正法：火焰矯正法是利用火焰在與焊接變形方向相反的對應部份局部加熱產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，來達到矯正變形的目的。使用火焰矯正法的關鍵是正確選擇加熱位置和加熱范圍。根據(jù)火焰矯正法加熱時， 有否采用水冷及水冷位置的不同， 又可分為空冷、 正冷和背冷三種。空冷是指火焰加熱時不用水冷的矯正方法； 正冷是在火焰加熱面采用跟蹤水冷的矯正方法； 而背冷則是指火焰加熱時， 在火焰加熱背面采用跟蹤水冷的矯正方法。根據(jù)實際生產(chǎn)要求， 本著以保護環(huán)境、 降低生產(chǎn)成本和勞動強度及提高生產(chǎn)效率為目的，本單位選擇以機械校正法為主對變形件進行校正。五、結(jié)論通過對機器人焊接的了解，以及機器人焊接在實際中的運用，掌握焊接變形規(guī)律，并在實踐中