焊接机器人试制地锚导轨的作业轨迹设计.pdf

收稿日期：2023-03-07基金项目：2023 年度吉林省高教学会高教科研课题“数字赋能智能化汽车产线教培实训仿真平台开发研究”（JGJX2023D963）；2023 年度吉林省职业教育与成人教育教学改革研究课题“双链 融合背景下机器人系统集成 嵌入式 教学研究与实践”（2023ZCY239）；2022 年度吉林省职业教育科研课题“基于智能制造产业学院重构机器人技术技能人才培养模式的实践研究”（2022XHY088）；2022 年度吉林省教育科学“十四五”规划课题“基于智能制造产业学院的产教一体化创新型人才培养模式研究与实践”（GH22260）。作者简介：徐洪亮（1984），男，吉林长春人，讲师，硕士，从事工业机器人技术应用研究。焊接机器人试制地锚导轨的作业轨迹设计徐洪亮a，刘文敏b（长春汽车工业高等专科学校 a.电气工程学院；b.汽车运用学院，吉林 长春 130013）摘 要：随着高校“产学研”工作的逐步推进，高校与地方企业的合作越加紧密，校企合作项目愈加丰富，我校与吉林省本地企业联合开展的地锚导轨焊接试制加工项目便是其中一个较为成功的案例。针对本次地锚导轨焊接试制加工项目，由于地锚导轨的特殊性、现场量测工具精度低、夹具无定位功能等原因，导致地锚导轨定位难、预热难、施焊难等问题，本项目组成员以现有条件为基础、以作业轨迹为切入点，精研工艺方案，共同设计出“寻踪定位+多道焊+摆动焊+轨迹优化”的作业方案，即以寻踪定位解决焊缝位置与角度偏差；以“多道焊+摆动焊”进行施焊，并优化作业轨迹，提升焊接作业节拍和焊接质量，确保地锚导轨试制加工作业的高效性。关键词：焊接机器人；地锚；导轨；作业轨迹中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1674-4896(2023)04-061-070 引言随着高校“产学研”工作的推行，校企双方合作的深化，我校本着“优势互补、资源共享、互惠双赢、共同发展”的原则，与省内一汽集团领衔的各大、中、小型企业建立长期、紧密的合作关系，共建校内、校外生产性实训基地，共同打造“工厂化”学校、“培训式”工厂，充分发挥校企双方优势，服务于社会、行业与企业，共同助力地方经济的发展，而地锚地轨焊接试制加工项目即是我校深化校企合作的典型案例。在此次地锚地轨焊接试制过程中，不仅面临工件特殊化、设备教学化所导致的工件定位难、预热难、施焊难等诸多技术问题，而且时间紧任务重，即需在两个月的时间焊接 400 条地锚导轨，其中包括方案设计、供件、试验、送检等一系列批量生产前的准备工作，这使得实际生产时间被压缩至一个月左右。在如此严峻的情况下，校企双方技术人员共同设计出“寻踪定位+多道焊+摆动焊+轨迹优化”的机器人焊接作业方案。1 机器人焊接地锚导轨所面临的问题1.1 工件特殊、设备常规本次地锚导轨试制加工在我校机器人技术中心 igm 焊接工艺区进行，本工艺区以教学培训为主、生产为辅。虽然主要焊接工第 16 卷第 4 期2023 年 7 月清远职业技术学院学报Journal of Qingyuan PolytechnicVol.16,No.4July 202361艺生产设备与工厂并无差异，但是其他辅助作业设备相较于长春客车厂集团等大型生产企业而言则十分简陋，本次试制焊接的主要设备如表 1 所示。1.1.1 机器人范围有限尧裕量小本次所使用的焊接机器人是奥地利生产的 igm 焊接机器人，其型号为 RTI456S,并附带旋转轴，其工作范围为 3000mm+1000mm，地锚导轨长度 3750mm，其示意图如图 1 所示。虽然地锚导轨在机器人工作范围内，但是机器人在作业过程中，冗余空间少，导致其在作业远端极易到达限位，而在作业近端易出现奇异点。这就要求在编写焊接程序前，需进行机器人作业轨迹测试，确保能够正常焊接地锚导轨。1.1.2 辅助设备精度差尧定位难地锚导轨工件本身长且重，一旦放置位置偏差较大将不利于焊接作业的进行，甚至无法完成焊接作业。为保证工件安放位置的准确性，叉车在放置地锚导轨时，需对安放位置进行精确测量；而现场所具备的量测工具卷尺精度有限，难以保证量测的精准度，造成了每次放置地锚导轨位置都会出现一定偏差；更有现场固定地锚导轨的夹具只能对其进行固定，无法定位，这进一步提高了地锚导轨安装位置不精准的概率。正是由于现场辅助设备的简陋，因此对后续焊接作业方案的制定增加了很大的难度。1.2 工件厚长、焊接困难1.2.1 预热难本次技术文件给出的地锚导轨工件长度 3750mm,焊接母材（地锚和导轨）厚度均不小于 20mm,且碳当量大于 4，因此在焊接地锚导轨前需对工件进行预热处理，防止常温焊接造成裂纹等焊接缺陷的发生1。本次焊接作业中，整条地锚导轨只可进行一次预热，无法持续加热；而随着焊接作业的持续进行，未焊接的地锚将逐渐散逸预热时的热量，其自身温度逐渐降低，极有可能部分地锚不能满足焊接作业条件，这也进一步增加了焊接作业方案制定的难度。1.2.2 施焊难本次焊接作业面临的最大问题之一是时间紧、任务重。采用单道焊虽然可以大大提升焊接速度、减少作业时间，但是焊接厚母材的地锚导轨需要使用大电流，而大电流产生巨大的热量将造成地锚导轨发生较大热变形，导致未焊接的地锚导轨焊缝发生偏移，更严重的是，这种偏移会以迭代的方式向后续焊缝传递，从而严重影响整条地锚导轨的焊接质量,故单道焊在本次焊接作业中不可取。常规焊接中厚度母材则多是采用多层多道焊，虽然采用多层多道焊时可以减少焊接变形、焊缝应力、防止焊缝过热，同时具有起到焊后热处理作用的优点2-3；但也易出现夹渣、气孔、未焊透等焊接缺陷，且随着焊接道数越多，生产节拍越慢，因此本次焊接序号 主要设备 设备名称 数量 单位 1 生产设备 igm 焊接机器人系统 1 套 福尼斯焊接系统 1 套 工作台 1 个 焊接耗材 若干 2 辅助设备 叉车 1 台 夹具 20 套 卷尺 2 个 角磨机 1 台 预热器 1 套 表 1 试制的主要设备1723456图 1 地锚导轨示意图总第 90 期徐洪亮，刘文敏：焊接机器人试制地锚导轨的作业轨迹设计第 4 期62作业极具挑战性。2 寻踪定位精准焊，优化方案保高效2.1 寻踪定位，精准施焊本次试制地锚导轨所使用的夹具、量测工具较为简陋，造成工件在安装时存在一定偏差，因此，在焊接作业施行前，项目团队采用 igm 焊接机器人系统自身所具有寻踪定位功能，编写寻踪定位程序。机器人通过喷嘴触碰地锚导轨量测每次安装地锚导轨所产生的位置偏移与角度变化，计算当前焊缝的位置与角度，并准确定位当前焊缝，有效剪除安装过程中所产生的偏差，以保证焊接作业的准确性和精确度，从而提高焊接质量4。本次焊接作业中，由于地锚导轨的特殊性、辅助设备的精度差以及热变形影响，因此采用了单点寻找的寻踪定位方式，即对地锚导轨进行“左、中、右”三组定位，以确保能够取得焊缝的准确位置。其中，寻踪定位程序主要包括：寻找开始、寻找组 1（存放目标点信息）、寻找组 2（存放目标点信息）、寻找组 3（存放目标点信息）、寻找中介和寻找结束等相关信息，其中，目标点分别在地锚 1处（寻找组 1）、地锚 4 处（寻找组 2）和地锚 7 处（寻找组 3）,寻踪定位示意图如图 2所示。2.2 多道摆动，质高提效本次焊接试制针对单层焊接造成热变形较大与多层多道焊作业时间长的问题，采用“两层三道+摆动”的方案进行施焊作业。由于多道焊的后道焊缝对前道焊缝可进行退火处理，减少了前道焊缝的应力，后道焊缝到前道焊缝的再加热，细化了前道焊缝的晶粒，提高焊缝整体韧性；而摆动焊的介入，则增加焊道宽度、减少焊道数量、减少线能量的输入；在保留多道焊优势的同时，不仅降低焊缝宏观缺陷发生的概率，更提升焊接作业节拍5，进一步保证了焊接质量，提升了作业效率。2.3 轨迹设计，兼容并包2.3.1 方案一院节拍第一尧质量第二本方案焊接作业顺序为从左到右依次进行焊接，即从 1 号地锚开始，顺次至 7 号地锚结束。本方案在焊接作业实行中，全面突出了快速的优点，但存在问题也较为明显。（1）工件预热。地锚导轨工件预热至相应温度后，工业机器人开始运行焊接作业轨迹。经测量，工业机器人运行到 3 号地锚时，3 号地锚与导轨的温度有所降低，运行至 4号地锚时，其温度降低较多，而运行至 5 号地锚时降低更多，6 号与 7 号地锚已经接近室温；即使将焊接热量传导考虑进来，焊接1 号地锚产生的热量传导至相邻 2 号地锚时，可充分补充 2 号地锚前期散逸的热量，2号地锚可正常焊接，而随着地锚热量的继续散逸，3 号地锚被补充的热量较之 2 号地锚将有所减少，4 号则更少，以此类推，到达 6号或 7 号地锚时，其散逸热量将难以得到充分补偿，无法满足焊接条件，导致工件易产1723456寻找组1寻找组2寻找组3图 2 寻踪定位示意图第 16 卷清远职业技术学院学报2023 年63生裂纹等焊接缺陷。（2）焊缝偏移。由于本次焊接作业现场没有大型变位机，所用卡具无法实现精准定位和完全固定，因此，在焊接作业施行过程中，导致的导轨热变形，将使得未焊接的地锚焊缝发生一定偏移，而这种偏移随着焊接作业的持续进行将产生迭代效应，以至于后面部分地锚的焊缝偏移较大，极易造成焊偏，甚至后续无法施焊。虽然在本次焊接作业中使用寻踪定位可实现焊缝偏移位置补偿，能够保证焊接作业的正常施行，但为进一步确保焊接生产的顺利进行，仍需尽量规避已知问题。因为一旦相关问题出现，将导致停工停产，这其中产生的时间成本、人力成本和物力成本是我们与合作单位难以承受的，所以，在本次焊接作业中该方案的可行性存疑。此时，部分成员提出了通过阶梯式预热解决后焊接工件散热快的问题，即以先焊接的 1 号地锚为标准，逐级加热地锚和导轨，在 7 号地锚加热量为最大，以此达到在焊接每个地锚时，地锚与导轨的温度都恰好符合焊接作业的效果，从而解决预热温度降低问题。但是这个方案最大的问题在于：第一，7号地锚和附近导轨加热到如此高温的情况下，其内、外结构是否会发生改变，即此温度不适合本次焊接作业；第二，其更大问题在于导轨本身传导热量，所谓的逐级加热在导轨导热效应的影响下，1 号地锚和 7 号地锚附近的温度相差并不多，而此时 1 号地锚是否适合进行焊接作业，则更有待商榷；更由于受到厂家提供试件有限（1 件）、库存相似母材有限的客观元素的制约，不具备多次做此类实验的条件。因此，项目组成员提出，在适当提高母材预热温度的条件下，可否通过机器人焊接作业轨迹的调整，对较后焊接的地锚进行适量的热量补偿，从而保证焊接质量。2.3.2 方案二院确保质量袁缓速施行方案一中，虽然作业速度快的优势十分显著，但是其存在的问题也较为明显。为解决方案一中所存在的问题，方案二以机器人焊接作业轨迹为切入点，将其作业顺序进行适当调整，以制定更为合理、有效的焊接作业方案。方案一在进行模拟焊接作业时，1 号、2号地锚可正常作业；3 号地锚的温度虽有所降低但在前一地锚焊接热量补充作用下，可进行正常焊接作业的概率较高。在只考虑预热因素的情况下，可了解到 7 个地锚中任取2 个地锚先进行焊接，其作业完成后，与之相邻的地锚都可正常完成焊接作业。同时，由方案一中还可知，距离 1 号地锚最远的 7号地锚在焊接作业施行过程中，散逸热量最多，最难得到热量补偿。为防止焊接作业中某一地锚热量散逸较多，本方案采取“始两端，止中间”的作业顺序，由两端向中间焊接，逐级进行预热温度补偿，即在焊接完成1 号地锚后，焊接 7 号地锚，同时 2 号地锚得到了相应的热量补充；而焊接完成 7 号地锚后，6 号地锚也得到热量补充，接下来焊接 2 号地锚，以此类推焊接 6 号地锚、3 号地锚、5 号地锚、4 号地锚。由于两端焊接的热量向中间传导，对后续进行焊接的地锚导轨进行适量的热量补偿，虽然至 4 号地锚时已达最弱，但是可通过适当提高预热温度解决这个问题，故而本方案的焊接作业顺序为1-7-2-6-3-5-4。本方案中始于两端，止于中间的作业顺序，相当于在焊接作业中先固定工件的两端，再逐次向中间固定工件，也极大降低了焊缝位置的偏移。故本方案的实施恰好解决了方案一的两个难题。由于本方案突出强调通过焊接传导热总第 90 期徐洪亮，刘文敏：焊接机器人试制地锚导轨的作业轨迹设计第 4 期64量补偿预热散逸热量和规避焊缝偏移，有效地提高了焊接质量，但是本方案中焊接作业中辅助点较多，工业机器人运行过程中的重复路径较多，导致其生产节拍慢的劣势也较为明显。2.3.3 方案演化袁快速高效本次焊接作业，在保证焊接质量的同时，需要在规定时间焊接完成所有工件，故而在综合方案一和方案二优缺点的情况下，提出以下五个演化方案。演化方案一：该方案按照 1-7-3-5-2-6-4 的顺序依次进行焊接作业。本方案是在方案二的基础上演化而来，1 号、4 号和 7 号地锚焊接顺序不变，只是将 2 号、3 号、5 号和 6 号地锚的焊接次序由原来先焊 2 号与6 号、后焊 3 号与 5 号，改为先焊 3 号与 5号、后焊 2 号与 6 号。演化方案二：该方案按照 1-7-4-2-6-3-5 的顺序依次进行焊接作业。焊接过程中，考虑到补偿热量低于散逸热量，焊接作业至 4 号地锚时，其热量补偿不足，温度下降较多，不满足焊接作业条件，导致增加其裂纹发生的概率，故而该方案采用“两端中间两边”的作业方式；同时，先固定两端，次固定中间，再依次进行两边的焊接方式，可大大降低地锚导轨焊缝发生位置偏移的概率。演化方案三：该方案按照 1-7-4-3-5-2-6 的顺序依次进行焊接作业，而该方案则是基于演化方案二的变形。演化方案四：该方案按照 1-4-7-2-5-3-6 的顺序依次进行焊接作业，此方案在方案一和演化方案二的基础上演化而来，先将寻找点位置进行定位，然后再依次焊接，此方案基于保证焊缝位置准确和温度补偿的前提下，提升焊接速度，但需计算验证。演化方案五：该方案按照 1-4-7-3-6-2-5 的顺序依次进行焊接作业，该方案是演化方案四的变形。此地锚导轨的焊接作业实施方案，经讨论由两套初始方案与五套演化方案组成，方案一由于自身缺陷明显，故不使用。剩余六套方案均基于焊接热量是适量或少量补偿预热散逸热量的理论，只要尽量提高焊接作业节拍、缩短作业时间，则会减少母材（导轨和地锚）热量散逸，保证焊接母材的预热温度，从而达到降低焊接缺陷的发生概率，提升焊接质量的效果。此时，焊接的快速性则成为方案选取的重要因素，而真正影响工业机器人焊接作业节拍的关键因素则在于其作业路径的长度。2.4 优选方案，成功试制2.4.1 计算路径袁质速兼得工业机器人焊接作业路径主要包括空路径和工作（焊接）路径，如图 3 所示。其中，空路径包括：原点值至安全点 s左 1自由路径（长度表示为 a1）、s左 1至 1 号地锚左侧焊缝起始点的辅助路径（长度表示为 b）、1号地锚左侧焊缝目标点至 s左 2的辅助路径（长度表示为 b）、s左 2至 s右 1等辅助路径（长度表示为 c）、中间避障路径以及焊缝附近最后一个安全点至机器人原点的自由路径（长度表示为 a2）、地锚之间的过度路径（长度表示为 d）等，作业路径为焊缝起始点至焊缝目标（长度表示为 e），设定工业机器人焊接作业的长度为 l,地锚数量为 k，焊接一个地锚所走工作路径为长度 x(两层三道焊),工业机器人于地锚之间行进的空路径长度为 y,其中忽略避障路径，则l=a1+a2+kx+y其中，x=4b+6e+c由此可知，只需比较各方案中 y 值的大小即可。方案一：1-7-2-6-3-5-4第 16 卷清远职业技术学院学报2023 年65y1=|1-7|+|7-2|+|2-6|+|6-3|+|3-5|+|5-4|d+|1-7|+|7-2|+|2-6|+|6-3|+|3-5|+|5-4|-(n-1)e=21d+15e演化方案一：1-7-3-5-2-6-4y2=|1-7|+|7-3|+|3-5|+|5-2|+|2-6|+|6-4|d+|1-7|+|7-3|+|3-5|+|5-2|+|2-6|+|6-4|-(n-1)e=21d+15e演化方案二：1-7-4-2-6-3-5y3=|1-7|+|7-4|+|4-2|+|2-6|+|6-3|+|3-5|d+|1-7|+|7-4|+|4-2|+|2-6|+|6-3|+|3-5|-(n-1)e=20d+14e演化方案三：1-7-4-3-5-2-6y4=|1-7|+|7-4|+|4-3|+|3-5|+|5-2|+|2-6|d+|1-7|+|7-4|+|4-3|+|3-5|+|5-2|+|2-6|-(n-1)e=16d+10e演化方案四：1-4-7-2-5-3-6y5=|1-4|+|4-7|+|7-2|+|2-5|+|5-3|+|3-6|d+|1-4|+|4-7|+|7-2|+|2-5|+|5-3|+|3-6|-(n-1)e=19d+13e演化方案五：1-4-7-3-6-2-5y6=|1-4|+|4-7|+|7-3|+|3-6|+|6-2|+|2-5|d+|1-4|+|4-7|+|7-3|+|3-6|+|6-2|+|2-5|-(n-1)e=20d+14e经路径计算得，演化方案三地锚之间行进的空路径仅为其他方案的 75%左右，优势明显，而其他五个方案则相差无几，故留取演化方案三，淘汰其他方案，而演化方案三是否能够保证焊接作业生产，需进行焊接试验测试。2.4.2 试制地锚袁如期交付甲方所提供的试验地锚导轨只有一条，且焊接之后需特定专业团队进行检测、试验，验证焊接质量是否合格。面对这种情况，贸然使用这条地锚导轨进行试制，一旦失败后果难以承受。项目组成员收集与地锚导轨相似的库存母材，并将其拼接成与导轨等长、地锚数等量的大型焊件，进行焊接试验。经多次测试发现：适当提高预热温度并配合演化方案三的作业轨迹，每块地锚都达到了预期的预热温度，符合焊接温度条件；且在多次的焊接实验中，经本团队专业人员检验，试制品均为合格。试制成功后，采用演化方案三进行试制甲方提供的地锚导轨，并由第三方专业团队检验，鉴定为合格。后经一个月的时间，焊接完成全部地锚导轨工件，经甲方验收全部合格，项目团队成员克服重重困难、精研技术方案，保时、保质、保量地完成此次任务。3 结束语本次校企合作试制地锚导轨，校企双方在设备、人员等条件有限的情况下，携手精图 3 工业机器人焊接作业路径示意图1723456Robota1a2ededededededeebcbs左1s左2s右1总第 90 期徐洪亮，刘文敏：焊接机器人试制地锚导轨的作业轨迹设计第 4 期66Working Trajectory Design of the Ground Anchor Guide Rail Trial Production byWelding RobotXU Honglianga,LIU Wenminb（a.School of Electrical Engineering;b.School of Automotive Applications,Changchun Automobile IndustryInstitute,Changchun 130013,China）Abstracts：With the gradual advancement of industry-teaching-research work in colleges and universi原ties,the cooperation between universities and local enterprises has become closer and closer,and the school-enterprise cooperation projects have become more and more abundant,and the ground anchor guide rail weld原ing trial processing project jointly carried out by our university and local enterprises in Jilin Province is onesuccessful case.For this ground anchor guide rail welding trial production and processing project,due to theparticularity of the ground anchor guide rail,the low accuracy of the on-site measurement tool,and the lackof positioning function of the fixture,etc.,the ground anchor guide rail is difficult to position,preheating andwelding.Based on the existing conditions,the members of the project team took the operation trajectory as thestarting point,refined the process plan,and jointly designed the operation scheme of“tracing and positioning+multi-channel welding+swing welding+trajectory optimization”,that is,solving the deviation of the posi原tion and angle of the weld by tracing and positioning;“Multi-pass welding+swing welding”is used for weld原ing,and the operation trajectory is optimized,the welding operation beat and welding quality are improved,and the efficiency of the ground anchor guide rail trial production processing operation is ensured.Key words:welding robots;ground anchors;guide rail;working trajectory研技术方案，共同完成了地锚导轨焊接作业任务，不仅提升校企双方技术人员的工业机器人焊接作业实践能力，更为校企合作提供了成功案例，使我校的“产学研”工作向前迈进了一大步。同时，地锚导轨的试制成功，丰富了我校工业机器人焊接教学的经典案例，进一步拓展了工业机器人技术专业的相关教学资源，也切实有效地推动了工业机器人技术专业的向前发展。参考文献：1 姚丹丹，于双，张洪超.转向架焊接部件预热温度的确定方法J.电焊机，2019(12)：99-103.2 廖伟东,李俊渊,黄昕,等.多层多道焊机器人离线编程路径规划J.机床与液压，2021(15):67-70.3 胡啸，崔川，陈纬，等.厚板大坡口多层多道焊接轨迹规划算法J.热加工工艺，2022(15):102-106.4 索琪,刘科.一种全自动检测高频焊管焊缝位置的装置与方法J.钢管,2022(5)：51-53.5 宋树崎，刘仁培，赵文勇，等.槽焊接头摆动焊热过程与残余应力的数值分析J.机械制造文摘(焊接分册)，2019(5):17-22.第 16 卷清远职业技术学院学报2023 年67