（材料加工工程专业论文）城际铁路客运专线桥梁伸缩装置焊接工艺研究及设备研制.pdf

摘要 焊接生产机械化、自动化及柔性化已经成为现代焊接生产的发展方向。本文 围绕城际铁路客运专线桥梁伸缩装置焊接工艺研究及设备研制这一课题进行论 述。搭建了基本的弧焊机器人焊接系统，通过试验得到了符合焊接质量要求的焊 接规范参数，满足生产要求各种性能。 对桥梁伸缩装置焊接生产工艺流程设计的基本原则进行了讨论，分析了工件 的加工工艺特点，确定了生产工艺流程。 利用弧焊机器人进行焊接，它具有生产效率高、具有保持焊接参数一致及提 高焊接质量稳定性等优点。对机器人工作站的结构设计和控制设计进行了讨论。 对异型钢的移位定位进行了初步设计，对锚固件上料机械手进行了原理设计，初 步确定了操作台的操作按钮功能，整个机器人工作站系统由p l c 控制。 工件焊接后产生焊接变形，不能满足使用要求，拟采用火焰加热的方式对工 件进行矫形。为了达到对火焰加热矫形过程可控的目的，设计了以单片机为核心 的矫形控制器。矫形控制器采用数模转换芯片d a c 0 8 3 2 与单片机连接单缓冲方 式，数模转换器d a c 输出的电流信号通过两级运算放大转换电路，经同相放大 使得到电压幅值、频率可调的三角波电压控制信号，能够满足直线状加热行走装 置的行走要求。 关键词： 焊接工艺生产流程机器人工作站矫形控制器 a b s t r a c t t h ed i r e c t i o n so fm o d e mw e l d i n gp r o d u c t i o na r em e c h a n i z a t i o n ，a u t o m a t i o na n d f l e x i b i l i t y t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e sr e s e a r c ho fw e l d i n gt e c h n o l o g ya n dd e s i g no f t h ew e l d i n ge q u i p m e n t su s e di nt h ew e l d i n gp r o d u c t i o nl i n eo ft h eb r i d g et e l e s c o p i c d e v i c e so ft h ei n t e r - c i t yr a i l w a yp a s s e n g e rl i n e a r cw e l d i n gr o b o ts y s t e mi sb u i l t o nt h eb a s eo fm u c he x p e r i m e n t ，w eg e tw e l d i n gp a r a m e t e r sw h i c hw i l lm e e t r e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o n b a s i cd e s i g np r i n c i p l e so fb r i d g et e l e s c o p i cd e v i c e sa n dw e l d i n gp r o d u c t i o n p r o c e s sa r ed i s c u s s e d t h ep r o d u c t i o nf l o wa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya r ed e t e r m i n e d t h eu s a g eo fa r c w e l d i n gr o b o t c a ni n c r e a s e p r o d u c t i v i t y , a l s oh a v e t h e a d v a n t a g e so fm a i n t a i n i n gw e l d i n gp a r a m e t e r sc o n s i s t e n ta n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f w e l d i n g t h es t r u c t u r eo ft h er o b o tw o r k s t a t i o na n dc o n t r o ls y s t e ma r ed i s c u s s e d a l s o t h ep o s i t i o n i n go fs p e c i a l s h a p e ds t e e la n dm e c h a n i c a la r ma r ep r e l i m i n a r yd e s i g n e d t h ef u n c t i o no fo p e r a t i o nb u t t o no nc o n s o l ei sd e t e r m i n e d a f t e ra l l ，a r cw e l d i n g r o b o tw o r k s t a t i o ns y s t e mi sc o n t r o l l e db yt h ep l c t h ew o r k p i e c ew i l ld e f o r ma f t e rw e l d i n g ，s oi tc a nn o tm e e t st h er e q u i r e m e n t so f a p p l i c a t i o n f l a m eh e a t i n gw i l lb eu s e dt or e s h a p et h ew o r k p i e c e i no r d e rt oc o n t r o l t h ep r o c e s s ，as h a p e - r i g h t i n gc o n t r o l l e rm u s tb ed e s i g n e d m c ui st h ec o r eo ft h e s h a p e - r i g h t i n gc o n t r o l l e r t h e c o n n e c t i o nd a cc h i pd a c 0 8 3 2w i t ht h em c ui s b u f f e r - w a y c u r r e n ts i g n a lg e n e r a t e db y d a ci st r a n s f e r r e di n t oat w o c l a s s a m p l i f i c a t i o nc o n v e r s i o nc i r c u i t a f t e rt h a t ，at r i a n g l ev o l t a g ec o n t r o l l i n gs i g n a lw h o s e v o l t a g ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yc a nb ea d j u s t e dw i l lb eg o t t h et r i a n g l ev o l t a g e c o n t r o l l i n gs i g n a lc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fo p e r m i n gd e v i c eu s e df o rh e a t i n gt h e d i s t o r t e dw o r k p i e c e s k e yw o r d s ：w e l d i n gp r o c e d u r e ，p r o d u c t i o np p c e s s ，w e l d i n gr o b o t - w o r k s t a t i o n ，s h a p e r i g h t i n gc o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：岔刁 签字日期：尸矿年多月，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅态堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刮膨 签字日期：掰年月jf t 导师签名： 名事互 签字日期：捌年月乡日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 铁路“十一五”路网规划中提出，加快铁路客运专线建设，以及重点线路扩 能改造，尽早实现客货分线运行i lj 。因此，高速铁路客运专线工程的开工建设， 为桥梁伸缩装置的研制开发制造提供了有利条件。2 0 0 1 年建设的第一条秦沈客 运专线工程，设计安装的u 型伸缩装置，由于生产厂家和施工单位受加工工艺、 装配方式的影响，存在着各种问题。京津城际安装的铝合金型材侧开口挂装u 型止水带简易装置，同样存在各种问题。同时，张集线、石太线、济青线、武合 线等工程设计的平板式、多孔板式的桥梁伸缩装置也存在着构造不合理、材质不 统一、维修困难等差距。衡水长江预应力有限公司进行研究分析发现：目前设计 或使用的u 型、平板型、多孔板型的伸缩装置几乎都与铁道部发布的客运专 线桥梁伸缩装置暂行技术条件的“材质标准”和“技术要求”不相符合，与桥 梁结构、寿命不相匹配。他们通过实用效果分析，实施结构创新，采用模拟系统 进行成型分析，设计出了t q s w v 型的桥梁伸缩装置并投产。 为了适应国内外高速铁路建设的需要，长江预应力有限公司进行实施扩产计 划，把自己建设成集研发、生产、销售、施工为一体的科技型企业。达到“产品 系列化、生产专业化、设备自动化、管理现代化 的标准要求。然而现有的桥梁 伸缩装置的焊接生产线因制造工艺落后，设备老化，装备太差，导致产品质量不 稳定，生产效率低下，材料浪费大，等一系列亟待解决问题。按照公司“科技创 新”的有关要求，结合公司发展战略，对无碴轨道桥梁伸缩装置的焊接生产过程 进行改进。新的生产过程采用新技术、新工艺、新装备，要体现合理性、先进性、 通用性及成本最优化。本论文就这一课题进行讨论。 1 2 焊接结构生产工艺过程概述 近3 0 年来，我国经济持续高速增长，制造业作为我国国民经济主要的支柱 产业以空前的速度发展。2 0 0 3 年，我国钢产量突破2 3 亿吨，其中焊接结构用钢 超过1 0 亿吨，跃居世界首位，由此推动了我国焊接结构制造业向规模化发展。 焊接技术也从一中传统的加工工艺和材料连接方法演变成当今世界先进的制造 第一章绪论 技术之一。焊接结构生产工艺的先进性、合理性和经济性对我国制造业的发展和 经济效益正产生越来越大的影响。焊接技术具有一系列独特的优点，已在几乎所 有的工业部门得到了广泛的推广应用。其中最主要的应用领域有建筑结构、交通 运输、发电设备、冶金设备、石油化工机械、工业管道、食品医药机械、航空航 天工程、重型机械、工程机械和机床制造业等【2 j 。 焊接生产过程由材料入库开始，在此阶段先要进行材料的复验，包括力学性 能的复验和化学成分分析，有些产品还要求对钢板进行探伤。接着进行装焊前的 零件加工，包括矫正、划线、号料、下料( 机械加工和热切割) 、成形( 冲压成形和 卷板弯曲成形) 等。该工序完成后，则可将加工好的零件存入到中间仓库。然后 进行零件或部件的装配和焊接。最后制成的焊接机构经过修整后，进行涂饰( 包 括清除焊渣及氧化皮的喷丸处理、钝化处理和喷漆等) 。有些复杂的结构要预先 由零件、组件装焊成部件，这些组件或部件也可存入中间仓库或半成品库，从而 保证整个生产过程有条不紊地、不间断地进行。整个生产过程都穿插着检验工序， 材料入库所进行的主要是检验工作，此外无论是备料、装焊、焊接、返修乃至最 后的涂饰工作都是在质量检查的监督下按技术条件进行的【3 】。如图1 1 所示： 图1 1 焊接结构生产一般工艺过程简图 焊接生产过程可以归结为焊接生产由制造焊接结构的材料( 包括基本金属材 料和各种辅助、填充材料，外购毛坯和零件等) 经设备( 材料的准备设备、装配焊 接设备等) 加工制成产品的过程。这个过程的主体是参加生产的工作人员，包括 直接( 基本生产工人、辅助工人、工程技术人员) 和非直接( 管理人员、服务人员) 生产人员、检验人员。当然还需要开动机器的能源( 即动力) 和一定的生产空间( 即 生产的车间场地) 才能进行这个生产过程。所以所焊接生产是由材料、设备、场 地、动力和工作人员所组成，他们就是焊接生产的组成部分【4 1 。 1 - 3 我国焊接生产机械化及自动化技术的发展 中国的焊接生产，逐步发展了焊接自动机、焊接中心和焊接生产线机械化自 2 第一章绪论 动化技术【5 1 。中国在上世纪6 0 年代初期开始发展焊接生产线，如哈尔滨锅炉厂、 沈阳变压器厂等相继建立了锅炉蛇形管、变压器散热器管焊接件的自动生产线， 取得了显著的成绩。7 0 年代焊接生产线机械化自动化技术发展较快，例如：轻 工行业的上海自行车厂、天津自行车厂等发展了自行车车架钎焊生产线，实现由 管子和管接头等1 2 个零件在自动控制下进行盐熔钎焊生产；汽车行业的南京汽 车制造厂等发展了汽车后桥壳及总成装置生产线；锅炉行业的中小直径管( 体) 节 焊接生产线；石油行业的直缝管、螺旋缝管焊接自动生产线；建筑行业的钢筋网 装焊自动或半自动生产线等。到7 0 年代末，相当多的批量较大的焊接结构生产 都程度不等地发展并应用了各种类型的焊接生产线技术。 由于自动控制系统、可编程序控制器、微处理机和计算机技术等在焊接生产 中的应用，8 0 年代以后中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动 控制，由自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接生产 自动线，较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中， 不断提高焊接生产的自动化程度。1 9 8 6 年嘉陵工业股份有限公司( 集团) 引进美国 焊接机械手，与原有车架焊接生产线结合，形成了5 条先进的专业生产线。进入 9 0 年代后，中国焊接界把实现焊接生产机械化、自动化作为战略目标，已在各 行业的科技发展规划中付诸实施，大力发展焊接生产自动化和过程控制智能化技 术，发展焊接生产线和柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等。 到“八五”计划末期，国产c 0 2 半自动焊机在全国推广使用的范围迅速扩大， 自 动钨极氩弧焊、垂直自动立焊与横焊、多头电阻点焊等得到较普遍应用，建立了 如电站锅炉蛇形管组焊及系统弯管自动生产线、膜式水冷壁管排钢管组装和焊接 自动生产线、锅炉钢结构h 型钢焊接流水生产线等。东方锅炉厂周有培等研制 投入生产实际的新二条蛇形管自动生产线于1 9 9 5 年通过鉴定，具有9 0 年代国际 先进水平。西安重型机械研究所研制的2 1 9 m m 钢管直缝高频连续焊接机组，由 2 0 余台单机和机组组成的全连续生产线，采用p l c 控制系统，实现了开卷矫平、 剪切对焊、活塞储存等一系列动作的自动工作制，填补国内空白，达到国际同类 产品水平。锅炉集箱密排短接管焊接生产线、推土机及挖掘机部件焊接生产线等 都采用了机器人技术。“二汽 建立了以焊接机械t 和机器人为主的东风牌汽车 系列驾驶室及车身的焊接生产线，达到国际9 0 年代先进水平。嘉陵工业股份有 限公司( 集团) 开发了摩托车车架弧焊机器人焊接生产线，上海大众轿车厂等企业 也发展了点焊机器人焊接汽车侧框( 墙) 柔性生产线技术，工程机械行业的山东潍 坊推土机厂、合肥日立挖掘机厂等都发展了弧焊机器人焊接车架及框架组件。柳 州工程机械厂、常州林业机械厂等厂的工程机械构件生产已建成5 条较先进的机 器人柔性焊接制造系统f m s 。以上说明中国焊接生产线机械化自动化技术发展 第一章绪论 应用，已由传统机械化自动化向现代自动化方向发展，并且低成本机械化、自动 化，较好的经济效益及较短的投资回收期成为现在发展方向【6 1 。 1 4 无渣轨道桥梁伸缩装置的简介 1 4 1 桥梁伸缩装置的结构特点 无渣轨道桥梁伸缩装置结构如图1 2 所示： 簇 i i i ，镰、“、夕粼矗 惑 l l i m 心凼幺2 2 2 z z 盯 i l i i 罂让 1 惩位 一lj 小r r 不r r l j i i 曲 ( b ) 1 2 无渣轨道桥梁伸缩装置结构如图 ( a ) 无渣轨道桥梁伸缩装置断面图 ( b ) 无渣轨道桥梁伸缩装置通道平面图 l 一异型钢2 防水胶带3 固定卡管4 锚固板5 固定螺栓 长江预应力有限公司设计的无渣轨道桥梁伸缩装置，是用于时速2 5 0 公里客 运专线( 城际快速) 铁路的施工建设。伸缩装置由异型钢、防水胶带、固定卡管、 锚固板( 或锚固钢筋) 、锚固螺栓、挡水胶板等组成。用共有a 、b 、c 三个系列， 4 第一章绪论 每个系列有6 个规格- t q s w v - a 、b 、c 系列。t q s 是通用桥梁伸缩装置的 缩写代号，w v 型是无渣轨道，装v 字型防水胶带的代号。a 、b 、c 系列常用 规格各有6 个规格，分为等宽和不等宽的两个品种。不同型号的伸缩装置有不同 的安装方法，可按施工顺序分为清渣、定位、填充、装配四道工序。 ( 1 ) 清渣：由于梁体结构不同，吊装就位后梁端部伸缩缝的大小、高低都有 差别、为此按照设计要求预先清除建筑垃圾，不规则的梁缝要进行整修，并用 5 m m 厚的泡沫板把梁缝上部填平，以便于伸缩装置的安转。桥面保护应在安装 伸缩缝前施工，防止在施工过程中影响伸缩装置的安装质量。 ( 2 ) 定位：待桥面保护层施工完毕后再把伸缩装置吊装到位，把锚固钢筋或 锚固板和预埋件用连接筋焊接在一起，把锚固筋和保护层纵向钢筋焊在一起，把 预留部分形成钢筋骨架，满足桥面要求。 ( 3 ) 填充：用c 5 0 钢纤维混凝土把预留槽填满、填实、抹平，达到桥面保护 层强度的标准。 ( 4 ) 装配：待填充混凝土强度达到8 0 以上时，用专用器具把防水胶带拉进 伸缩装置异型钢的槽孔内。无渣轨道选用t q s w v - a 、b 、c 系列，把防水胶带 拉入异型钢槽孔内还要把防护墙两侧的挡水胶板安装就位。 1 4 2 桥梁伸缩装置被焊工件的分类 无渣轨道桥梁伸缩装置制造过程主要是异型钢和锚固件的连接过程。锚固件 是锚固板和锚固钢筋的统称。由于焊接在材料连接，特别是对金属材料的连接， 有着其独特的优点，因此采用合适的焊接工艺对其进行焊接。 此桥梁伸缩装置被焊工件分为两类：异型钢与锚固板，异型钢与锚固钢筋。 其材质都为1 6 m n ，具有良好的焊接性。 ( 1 ) 异型钢与锚固板的连接异型钢的长度为1 2 6 0 0 m m ，截面尺寸为4 7 m m 4 7 m m ，还有一个1 2 2 6 m m 的槽孔，槽孔是用来安装、固定防水胶带，如图1 - 3 ( a ) 所示；锚固板的尺寸是8 0 m m 5 0 m m 1 0 m m ，其上有d 1 8 m m 的光孔，如图l - 3 ( b ) 所示；异型钢和锚固板的连接如图1 3 ( c ) 所示。 第一章绪论 蝌i i 垒z j ( a ) _ r 掣 寸 曷l 上 口 二二二 j ( b ) ( c ) 图1 - 3 异型钢、锚固板及其连接的截面图 ( a ) 异型钢的截面图( b ) 锚固板尺寸图( c ) 异型钢和锚固板连接截面图 ( 2 ) 异型钢与锚固钢筋的连接被焊接锚固钢筋长度为8 0 m m ，直径为 d 1 2 m m 。锚固钢筋在异型钢上连接的位置和锚固板在异型钢上连接的位置相同。 1 4 3 桥梁伸缩装置焊接及技术要求 异型钢和锚固板( 锚固钢筋) 的连接，如上图1 2 ( b ) 及图1 3 ( c ) 所示，要求从 异型钢的端部为基准，每隔3 0 0 m m 将一锚固板( 锚固钢筋) 焊接在异型钢上，依 次类推，异型钢的两个端部不需要焊接锚固板( 锚固钢筋) 。要求桥梁伸缩装置焊 接过程中生产效率高、焊接质量稳定、并且焊后变形要求得到控制。 1 5 本论文拟解决的问题 根据上述桥梁伸缩装置锚固件和异型钢焊接的要求，综合考虑保证产品质 6 第一章绪论 量，提高生产率，改善劳动条件和降低生产成本，本课题的目的就在设计新的桥 梁伸缩装置的焊接生产过程，选择合适的焊接方法和工艺进行焊接，焊接变形进 行控制和矫正，对焊接、矫形设备进行研制设计。对此拟开展以下几方面的工作： 1 对桥梁伸缩装置的焊接工艺进行研究。选择合适的焊接方法，建立基本 的实验系统，进行焊接实验，确定合适的焊接参数，解决焊接工艺问题。 2 设计新的工艺过程。根据焊接生产线设计的基本原则，及工件加工工艺 的特点，对桥梁伸缩装置工艺过程进行分析和设计，确定工艺流程。 3 弧焊机器人工作站系统进行结构设计和控制系统的设计。初步实现异型 钢的自动移位、定位，锚固件的自动上料的初步设计及操作台操作按钮的功能设 定。 4 设计焊后矫形系统，对异型钢焊后变形的矫正进行控制，实现矫形过程 可控化，操作简单化。 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 2 1 桥梁伸缩装置焊接生产现状 现有的桥梁伸缩装置焊接生产采用的焊接方法为手工焊条电弧焊。焊前将两 根异性钢刚性固定在一起，目的是两根异型钢焊后在相互拘束力的作用下，不出 现焊接变形。锚固件在异型钢上的定位由专门划线工位完成，焊接生产过程生产 效率低下，对工人的操作技能要求比较高，工件焊后焊缝粗糙，热输入较大，焊 后残余应力和残余变形比较大，产品的质量不稳定。且生产过程中采用手工焊条 电弧焊，焊接完几个锚固件后，焊工和电焊机都需要移位，生产效率低。因此， 需要对焊接方法、工艺进行改进。 因此，本文采用弧焊机器人，选择c 0 2 气体保护焊的焊接方法，对锚固件进 行焊接工艺试验研究。 2 2 弧焊机器人的示教编程 2 2 1 弧焊机器人的介绍 本文选用的是首钢莫托曼机器人有限公司生产的m o t o m a nh p 6 - 卟10 0 焊接机器人。m o t o m a l 、j - _ n x 1o o 由机器人本体“机器人”、机器人控制柜 “n x l 0 0 ”、“n x l 0 0 示教编程器”和“供电电缆”构成，如图2 1 所示。 图2 1 弧焊机器人的组成 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 机器人研究经历了3 个阶段，即示教再现编程阶段、离线编程阶段和自主编 程阶段。因技术尚不成熟，目前，在国内外生产中应用的机器人系统大多处于示 教再现编程阶段。示教及焊接试验采用了首钢莫托曼公司生产的弧焊机器人 m o t o m a n n x l o o ，它具有6 个旋转关节，每个轴都由伺服电机驱动，轴上 安装转角编码器，可随时检测每轴的运动位置，使其不仅工作精度高，而且灵巧。 机器人示教主要有2 种方式，一种为在线示教，由人直接通过示教盒对 m o t o m a n 机器人进行示教；另一种为离线示教，操作者不对实际作业的机器 人直接进行示教，而是脱离实际作业环境生成示教数据，通过p c 机间接对机器 人控制器x r c 进行示教【7 1 。 为使机器人完成用户所期望的作业，需对机器人进行编程。在工业机器人中 应用最广泛的编程就是示教，对于机器人焊接锚固件这样精度要求相对比较高的 弧焊作业，m o t o m a n h p 6 型工业机器人利用示教盒进行示教。示教是操作 者利用示教盒的按键控制各关节动作，使机器人到达一些所要求的目标点，并将 对应这些点的关节坐标值记录下来，示教点之间机器人的实际轨迹由控制系统采 用样条函数进行插补自动生成。示教时，如需实现轨迹控制，须按轨迹精度的要 求在路径上示教很多个点，只要示教点数足够多，从理论上讲也能保证再现时所 获得的轨迹精度，但过多的示教点会使得示教过程非常繁琐。在再现阶段，机器 人便可利用获得的路径参数重复实现示教轨迹。在示教编程中，编程所产生的程 序实际上只是反映机器人动作路径的一些关节位置数据。 n x l 0 0 型机器人控制柜的示教盒具有以下示教功能： 指定坐标系：直角、关节、工具。 指定运动性质：点、直线、圆弧。 设定速度：可以以多种方式设定速度值。 设定动作方式：单次、重复、单步进、退等， 修正示教数据：对已示教过的数据进行修正。 切换方式：示教、再现等。 m o t o m a n 堋1o o 机器人所采用的编程语言为i n f o r m ，属于动作级编 程语言，该语言是以机器人的动作行为为描述中心，由一系列命令组成，一般一 个命令对应一个动作，语言简单，易于编程。m o t o m a n n x l0 0 机器人指令根 据功能可以概括为5 种【8 】：运动控制功能、环境定义功能、运算功能、程序控制 功能和输入、输出功能等。运动控制功能是其中非常重要的一项功能，机器人运 动轨迹的控制方式有：a p t p ( p o i n t t o p o i n tc o n t r 0 1 ) 控制方式，是机器人轨迹上 的一种点位控制，它仅考虑控制的点位是否到达，而不考虑各点位之间的轨迹形 态。b c p ( c o n t i n u o u sp a t hc o n t r oi ) 控制方式，表示一种机器人连续轨迹控制方式， 9 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 或表示指定机器人全部运动轨迹的控制方式。在c p 控制方式中，实际上是在p t p 控制方式中尽量把插补点的间隔取得很小，使得这些插补点之间的连线近似于一 条连续曲线。无论采用哪一种控制方式，都是以动作顺序为中心，通过使用示教 这一功能，省略了作业环境内容中位置姿态的计算。其中，轨迹插补方式分为一j ： 关节插补、直线插补、圆弧插补、自有曲线插补等。此外，还包括工具变换、基 本坐标设置和初始值的设置、作业条件的设置等功能，这些功能往往在具体的程 序编制中体现主要由弧焊机器人m o t o m a n n x l 0 0 、机器人控制器( x r c ) 、示 教盒、伺服电机驱动系统、转角编码器和有关辅助设备组成l l 。 2 2 2 示教编程内容 机器人的示教编程内容包括：选择坐标系、移动机器人、引弧、熄弧、设置 轨迹插补方式及再现速度、设置焊接参数( 焊接电流和焊接电压) 及保护气体的流 量，最后要进行检查试运行。 编写程序的步骤为：a 移动机器人焊枪至待机位置，编辑程序点间的轨迹 插补方式和再现速度，回车( 此时系统将记录当前位姿参数、插补方式和再现速 度等数据，以便再现时调用这些数据) ；b 移动机器人焊枪至焊接开始位置附近； c 移动机器人焊枪至焊接开始位置( 引弧点) ；d 移动机器人焊枪至焊接结束位 置( 熄弧点) ；e 机器人焊枪移至不碰到工件和夹具的位置；f 机器人焊枪移至 待机位置 1 2 | 。具体操作论述如下： 在对机器人进行示教前，应首先保证被操作工件的定位一致性。只有定位偏 差与机器人末端重复定位误差之和在允许范围之内，机器人才能完成给定的作业 任务。然后按作业要求，确定示教次序，并根据控制持点和作业空间的限制确定 必要的中间示教点。 编程前必须先设定机器人的作业原点位置。作业原点是与机器人作业相关的 基准点，它是机器人不与周边设备发生干涉、启动生产线等的前提条件，可使机 器人确定在设定的范围内。设定的作业原点位置可通过示教编程器操作或外部信 号输入进行移动。另外，机器人在作业原点位置周围时，作业原点位置信号置为 o n 。设置作业原点，如同示教一个位姿。每一作业程序最先出现的运动命令及 最后出现的运动命令都以作业原点为示教位姿。设置作业原点，通常使其处于机 器人控制系统正常送电、断电时的位姿，还要考虑到断电之后，机器人机构各关 节轴不受到过大的力矩作用，否则，会影响抱闸的寿命。作业原点设置后，即可 以进行机器人编程。 示教编程前，将示教编程器上的“焊接n 试”拨档开关拨到测试位置，这样 可以确保在示教编程时焊丝和工件之间不会有电流产生。用示教器移动机器人， 1 0 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 并选择合适的焊丝伸出长度，以便再现或真正焊接作业的时候，焊丝保持较接近 的干伸长度。 记录下每个位置和插补方式，直到将焊枪移到接近第一个起焊点上方一个合 适的点，并调好焊枪的姿态，设定焊接信号。根据每个焊点处的板的层数和实际 的焊接厚度，使用不同的焊接规范( 焊接电流、通电时间等) 进行焊接，然后编程 焊接下一点，如此重复，并在适当位置插入互锁等待信号，直到对所有待焊焊缝 都被编入焊接程序内。 在示教编程完成后，应进行示教准确性的试验。因为在示教时和再现时机器 人的受力情况不一致，会由于位姿的微小差异而使焊接质量不能令人满意。主要 的解决办法是利用编辑功能对示教数据进行修正，这种修正也可理解为一种微 调。编辑示教点时，可以选择相关的关节坐标，并修正其坐标值。编辑与示教的 一个主要区别在于示教是在线的，机器人随之动作。而编辑则是离线的，机器人 并不动作，实际被修改的是控制系统内存单元中的数据。除了示教点可以被编辑 外，还可编辑示教线路，即可改变示教点的先后次序，复制或删除示教点。利用 编辑功能可以避免示教时的重复劳动。 将“焊接测试”拨档开关拨到测试档，先不焊接，空走几遍示教程序，检查 焊枪的姿态和位置是否合适，互锁信号是否正常，如不满意可再进行修改。 2 3 焊接工艺试验及规范的选定 2 3 1 c 0 2 气体保护电弧焊的特点 c 0 2 气体保护电弧焊( c 0 2g a s - s h i e l da r cw e l d i n g ) 肛种高效的焊接方法【1 引。 是采用连续等速送进可熔化焊丝与焊件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材 金属，形成熔池和焊缝的焊接方法，为了得到良好的焊缝，j i - d ic 0 2 气体保护 熔滴、熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。 而c 0 2 气体保护电弧焊具有多种功能【l 州引，所以广泛的应用和取代焊条电弧 焊方法。其主要原因是： 1 ) 克服了焊条电弧焊法焊条长度的限制。 2 ) 与焊条电弧焊相比，c 0 2 气体保护电弧焊熔敷高，且焊材利用效率高。 3 ) 焊接速度比焊条电弧焊高。 4 ) 与焊条电弧焊相比，生产成本可成倍降低，c 0 2 气体和实心焊丝均为价格 低廉的焊接材料。 5 ) 采用低电流短路过渡焊接法时，热输入量低，熔池容易控制，能够进行全 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 位置焊接，且工件焊后相对变形比较小， 6 ) 当采用射流过渡时，可以得到比焊条电弧焊更深的熔深，所以可以减少填 充金属，并得到高等级强度焊缝。 7 ) 焊缝金属的含氢量属低氢级。 2 3 2 c 0 2 气体保护电弧焊的熔滴过渡 c 0 2 气体保护电弧焊方法的工艺特点按熔滴过渡分为3 种形式：短路过渡； 大滴过渡；喷射过渡。影响熔滴过渡的因素很多，其中主要原因有： 1 ) 焊接电流的大小和种类。 2 ) 焊丝直径。 3 ) 焊丝成分。 4 ) 焊丝伸出长度。 5 ) 保护气体。 1 短路过渡 c 0 2 气体保护电弧焊短路过渡发生在细焊丝的小电流、低电压条件下。这种 过渡形式产生小而快的速凝固的焊接熔池，适合于焊接薄板、全位置焊接。熔滴 过渡只发生在焊丝与熔池接触时，而在电弧空间不发生熔滴过渡。 2 大滴过渡 c 0 2 气体保护电弧焊的焊接电流和电压超过短路过渡范围时，熔滴在斑点压 力、( 包括电弧收缩力、带电质子的撞击力和斑点处的金属蒸汽的反作用力) 产生 非轴向大滴过渡。斑点面积只占熔滴底部的局部面积，该力偏离焊丝轴线，使熔 滴偏离轴线，并上翘，在斑点力和重力的作用下，使熔滴旋转着脱离焊丝，产生 飞溅和成形不良。 3 喷射过渡 c 0 2 气体是焊接低碳钢和低合金钢最常用的气体。在使用较大电流和较低的 电压时能够形成潜弧。这时焊丝端头和电弧在工件表面以下的凹坑内。在其中， 电弧气氛变为c 0 2 气体及其分解产物与金属蒸汽的混合物，使得电弧空间的电 场强度降低，电弧扩张，熔滴过渡呈喷射状。这时电弧力很大，足以维持相对稳 定的空腔，这样改善了熔滴过渡形式而减少飞溅，且空腔还能捕捉到大部分金属 飞溅，使得焊接飞溅损失减少。这种方法熔深很大，是一种高效焊接方法，广泛 应用在较厚工件的焊接。 1 2 第二章桥粱伸缩装置焊接工艺研究 2 33 基本的焊接系统 摹本的焊接试验系统如图2 2 所示，丰要包括一台m o t o m a n 弧焊机器人 本体，一台n x 】0 0 机器人控制桓，一个示教编程器，福尼斯的焊接电源自带送 丝机，此外还有焊接辅助设各包括气瓶( c q 气体) ，流量计等。 i _ ，厂riij 面傩甄霭 j 口li 广 j 昌il 目 t j 一。e 兰型l 弧焊机器人本体，如图2 - 3 所示它具有6 个旋转关节，每个轴都由伺服电机 驱动轴上安装转角编码器，可随时检测每轴的运动位置。s 一轴用于本体的回转， l 轴用于下臂前后摆动，u - 轴用于上臂上下摆动，r 一轴用于上臂回转，b 一轴j j j 于 手腕上下摆动，t 轴用于手腕的回转。 u # 。：j 簿? ，氐 图2 - 3 弧焊机器 车体 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 锚固板、锚固钢筋焊接工艺研究实验条件如下表2 1 所示： 表2 一l 锚固件焊接工艺研究实验条件 c 0 2 气体保护焊选用单一c 0 2 气体，其气体和露点要求如下表2 - 2 所示： 表2 2 气体和露点要求 2 3 4 试验过程 1 锚固钢筋的机器人焊接 锚固钢筋的弧焊机器人焊接过程中，焊缝属于水平角焊缝，焊接焊缝的工作 角为4 5 。锚固钢筋的弧焊机器人焊接过程分两段进行，如图2 4 所示： 1 4 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 第 j 。 道 焊接参数如表2 3 所示： 图2 - 4 锚固钢筋的焊接过程 表2 3 焊接参数 第 道 锚固钢筋焊接最终示教程序为： 0 0 0 0n o p 0 0 0 10 0 lm o v jv j = 1 0 0 0 0 0 0 20 0 2m o v jv j = lo 0 0 0 0 0 30 0 3m o v cv = 1 0 0 0 0 0 4a r c o n 0 0 0 50 0 4m o v cv = 1 0 0 0 0 0 60 0 5m o v cv = 1 0 0 0 0 0 7 a r c o f 0 0 0 8 t i m e rt = 1 0 0 0 0 0 90 0 6m o v jv j = l0 o o 0 0 1 00 0 7m o v cv = 1 0 0 1 5 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 0 0 1 10 0 7a r c o n o o l 20 0 8m o v cv = 1 0 0 0 0 1 30 0 9m o v cv = l o o 0 0 1 4a r c o f 0 0 1 5t i m e rt = i 0 0 0 0 1 60 1 0m o v jv j = 1 0 0 0 0 0 170 1lm o v jv j = 1 0 0 0 0 0 1 8e n d 2 锚固板的焊接 锚固板的弧焊机器人焊接过程中，焊缝属于水平角焊缝，焊接焊缝的工作角 为4 5 。，焊接过程中的焊接电流为约2 7 0 a ，焊接电压约为3 0 1 v ，焊丝直径为 n 1 2 m m ，送丝速度自动匹配。锚固板的弧焊机器人焊接过程分四段进行如图2 5 p ) r 不： 第一道 - 一 第二道 图2 5 锚固板的焊接过程 焊接过程每一组的示教参数和焊接参数如表2 4 所示： 表2 4 锚固板的焊接参数 锚固板与异型钢的机器人焊接示教程序为： o o o on o p 0 0 0 10 0 lm o v jv j = 1 0 0 0 0 0 0 20 0 2m o v jv j = 10 0 0 1 6 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 0 0 0 30 0 3m o v jv j - 1 00 0 0 0 0 4a r c o n 0 0 0 50 0 4m o v lv - 6 0 0 0 0 6t i m e rt - 08 0 0 0 0 7a r c o f 0 0 0 8t i m e rt - lo o 0 0 0 90 0 5m o v jv j - 1 00 0 0 0 1 00 0 6m o v jv j = l o0 0 0 0 l la r c o n 0 0 1 20 0 7m o v jv = 6 0 0 0 1 3 t i m e rt = 08 0 0 0 1 4a r c o f 0 0 15t i m e r1 10 0 0 0 1 60 0 8m o v jv j - 1 00 0 0 0 1 70 0 9m o v jv j = 1 00 0 0 0 】8e n d 2 3 5 试验结果分析 锚固钢筋的弧焊机器人焊接过程中，采用低电压、小电流短路过渡，锚固钢 筋焊后焊缝及成形如图2 - 6 所示： c o ) 第二章桥粱伸缩装置焊接工艺研究 _ 圉2 - 6 锚固钢筋焊后焊缝及成形图 f a ) 焊接速度为6 0 c t 1 m i n 时的焊缝 m 焊接速度为8 0 c m m i n 时的焊缝 ( c ) 焊接速度为1 0 0 t 删 m i n 时的焊缝 ( d ) 焊接速度为1 2 0 c m m i n 时的焊缝 焊缝属于角焊缝采用短路过渡，热输入量低，且工件焊后相对变形比较小。 由图( a ) 、( b 】、( c ) 、( d ) 中，当焊接速度在6 0 c m m i n 1 0 0 c m m i n 时，焊缝成形美 观，能够满足焊接要求。当焊接速度达到1 2 0 c m m i n 时，焊缝成型开始变坏。因 此弧焊机器人的焊接速度确定在6 0 c m m i n 1 0 0 c r r d m i n 。 锚周板的弧焊机器人焊接过程中，电流约为2 7 0 a ，焊接电压约为3 0 v ，锚 固钢筋焊后焊缝及成形如图2 7 所示： ( b ) 第二章桥梁伸缩装置焊接工艺研究 图2 7 锚固板孤捍机器人焊后的焊缝 ( 曲2 - 1 组第一道焊缝( b ) 2 - 1 组第二道捍缝 0 ) 2 - 5 组第一道焊缝( d ) 2 5 组第二道焊缝 两组实验的焊接电压、电流相同，焊缝属于角焊缝。( 曲、( b ) 图片是2 - 1 组工 件第一道焊缝和第二道焊缝，在这两道焊完停弧后都产生明显的弧坑。2 - 5 组工 件焊接时，当焊枪移动至第一道和第二道焊缝的末端收弧时，调用了弧捍机器人 延时焊接功能，停弧时继续焊接o8 s ，填充被电弧作用下产生的弧坑，由( c ) 、( d ) 圈可阻看出焊缝束端的弧坑基本消失，成形得到了改善。原锚固件四个边都进行 焊接，本文对此进行了改进，只焊两道就能满足焊接要求。 第三章焊接生产工艺过程分析及设计 第三章焊接生产工艺过程分析及设计 新开发的焊接产品，当产品设计完成之后即进入焊接生产过程设计。焊接生 产过程设计主要包括：焊接工艺流程设计、焊接工艺装备设计和焊接车间设计等。 这些都属于产品投产前需做的技术准备工作。 3 1 焊接工艺流程设计的基本原则 3 1 1 焊接工艺流程设计的概念 焊接工艺流程设计是根据产品的生产性质、图样和技术要求，结合现有条件， 运用现代焊接技术和知识和先进生产经验，确定产品加工方法和程序过程。它是 焊接生产设计的先行部分和关键环节。焊接工艺过程设计得好坏将直接影响产品 制造质量、劳动生产率、和制造成本，而且是组织与管理生产、设计焊接工装和 焊接车间的主要依据引。 工艺流程设计是焊接生产线设计的核心【i 刀。一方面工艺过程设计贯穿于焊接 生产线设计的始终，如在焊接生产线的可行性报告中，论证生产技术方案，制定 相应的工艺；在初步设计阶段，拟定生产工艺流程，编制工艺文件；在施工图设 计阶段则要彻底解决全部生产工艺技术问题，以达到试生产和试运转要求l l 引。另 一方面工艺流程设计又决定了车间设计和工艺装备设计的水平和要求，是进行后 者的依据。工艺流程设计的好坏直接影响产品的质量，决定着焊接生产线设计的 综合技术经济指标。 3 1 2 工艺流程设计内容 工艺过程设计的主要内容是： ( 1 ) 确定产品各零件、部件的加工方法、相应的工艺参数和工艺措施。 ( 2 ) 确定产品的合理生产过程，包括各工序的工步顺序。 ( 3 ) 决定每一个加工工序所需要的设备、工艺装备及其型号规格，对非标准 设备提出设计要求或结构原理图。 工艺设计的结果主要有工艺方案、产品零、部件工艺路线图( q - 艺流程图) 和 工艺规程等。 第三章焊接生产工艺过程分析及设计 3 1 3 工艺过程设计的依据 工艺过程设计的依据包括： ( 1 ) 产品样图及有关技术条件。 ( 2 ) 产品生产纲领，即在计划期内应当生产产品的数量和进度计划。 产品的生产性质和生产类型。生产性质是指属样机试制还是属于批量试制， 抑或属正式生产。生产类型是指企业( 或车间、工段、工作地) 根据生产专业化程 度划分的生产类别，一般分为大量生产、成批( 大批、中批、小批) 生产和单件生 产三种类型。 ( 3 ) 本企业现有生产条件。 3 1 4 工艺过程设计要求 焊接工艺过程设计有三方面的要求。 1 保证生产过程的“四性要求，即： 生产过程的连续性要使产品生产过程的各个阶段、各个工序之间紧密衔 接、连续不断的进行。 生产过程的平行性要使生产过程的各个阶段、各个工序平行作业、交叉 进行，以缩短生产周期，节省整体作业时间。 生产过程的比例性要使