張勝文，蘇延浩，管 凱，彭世警

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

立角焊自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭的研制

張勝文，蘇延浩，管 凱，彭世警

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

根據(jù)立角焊焊接的特點(diǎn)，針對(duì)立角焊自動(dòng)化程度低、調(diào)整困難、生產(chǎn)率低等缺陷，設(shè)計(jì)了一種立角焊自動(dòng)焊機(jī)的機(jī)頭。詳細(xì)介紹焊機(jī)機(jī)頭的總體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)以及技術(shù)要點(diǎn)，包括不同動(dòng)力裝置的對(duì)比分析，焊機(jī)機(jī)頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理分析和三維模型的建立，焊槍位姿數(shù)學(xué)模型的建立和分析。實(shí)現(xiàn)了焊槍與水平面夾角的自動(dòng)化調(diào)整，焊槍的自動(dòng)對(duì)齊焊縫以及焊槍（焊絲）與焊縫距離的自動(dòng)補(bǔ)償功能，焊機(jī)的自動(dòng)化和柔性化程度都得到了很大提高。

立角焊；自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；位姿分析

0 前言

立角焊是立焊與角焊的結(jié)合，焊縫質(zhì)量比立焊和角焊都難控制[1]，在船舶、工程機(jī)械和煤礦機(jī)械制造等行業(yè)都是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其焊接質(zhì)量的好壞以及焊接效率的高低直接影響著工件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此提高立角焊的焊接質(zhì)量和自動(dòng)化程度，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有至關(guān)重要的作用[2-4]。

目前立角焊技術(shù)主要存在的問(wèn)題：（1）手工焊接效率低，立角焊需要經(jīng)驗(yàn)豐富的焊工才能焊接出質(zhì)量較高的焊縫，并且一些狹小的格子間人員無(wú)法進(jìn)入；（2）實(shí)現(xiàn)部分焊接自動(dòng)化的焊機(jī)焊接效率雖然比手工焊高，但焊接準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足焊接生產(chǎn)線的需求；（3）焊機(jī)機(jī)頭大，無(wú)法伸入一些較狹小的格子間內(nèi)焊接，并且調(diào)整繁瑣，機(jī)頭容易碰撞到工件。

為有效解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)立角焊的自動(dòng)化焊接，本研究以實(shí)現(xiàn)焊機(jī)頭角度的自動(dòng)調(diào)整、焊槍的自動(dòng)對(duì)中以及焊槍的擺動(dòng)焊接為目標(biāo)，研制了一種立角焊自動(dòng)化焊機(jī)機(jī)頭，完成了其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及焊槍的位姿分析。

1 焊機(jī)機(jī)頭總體方案設(shè)計(jì)

立角焊焊機(jī)機(jī)頭的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的自動(dòng)化調(diào)整與焊接，機(jī)頭設(shè)計(jì)的整體方案采用多自由度及焊槍位置自動(dòng)調(diào)整的結(jié)構(gòu)，即自動(dòng)調(diào)整焊槍與水平面之間的夾角，自動(dòng)調(diào)整焊槍以與焊縫中心對(duì)齊，自動(dòng)調(diào)整焊槍與焊縫的距離，控制焊槍擺動(dòng)以形成不同形式和大小的焊縫。根據(jù)上述要求，為焊機(jī)機(jī)頭的設(shè)計(jì)確定了以下方案，焊機(jī)頭機(jī)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 機(jī)頭機(jī)構(gòu)原理

（1）焊機(jī)頭的定位。焊機(jī)頭整體安裝在豎直梁的底端，隨豎直梁一起運(yùn)動(dòng)，豎直梁從工件上方向下伸入到十字立板內(nèi)側(cè)后通過(guò)兩個(gè)互相垂直的傳感器定位到立板的十字交叉中心。

（2）焊槍位置的調(diào)整?？紤]到若將焊機(jī)機(jī)頭水平固定，機(jī)頭在水平面內(nèi)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，機(jī)頭在十字立板或格子板上方向下伸入工件時(shí)，由于空間狹小機(jī)頭容易碰撞到工件從而損壞焊機(jī)；焊槍姿態(tài)對(duì)立角焊焊縫的成形存在較大的影響，不同的焊接工藝采用的焊槍姿態(tài)都會(huì)有所不同，立角焊時(shí)焊槍向上傾斜，與水平面的夾角一般在10°～40°內(nèi)變化，即與焊縫下成50°～80°角，立角焊示意如圖2所示。立焊分為立向上焊和立向下焊兩種方法，立向上焊一般采用10°～30°仰角，立向下焊一般采用30°～40°仰角，不同厚度、不同坡口的板焊接時(shí)對(duì)該角度也有一定的要求[5-7]，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用機(jī)頭與水平面夾角可自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)：支撐氣缸與機(jī)頭構(gòu)成滑塊連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)頭未伸入立板內(nèi)側(cè)時(shí)，機(jī)頭垂向下以減小機(jī)頭在水平面上的長(zhǎng)度，從而防止機(jī)頭向下伸入立板內(nèi)側(cè)時(shí)焊槍撞到立板，機(jī)頭伸入立板內(nèi)側(cè)后，支撐氣缸推動(dòng)機(jī)頭轉(zhuǎn)到所需的角度。焊絲與焊縫之間的距離隨焊槍與水平面夾角的變化而變化，因此，焊槍前后距離的調(diào)節(jié)采用自動(dòng)補(bǔ)償氣缸控制的方式實(shí)現(xiàn)。

圖2 立角焊示意

（3）焊機(jī)頭前端部件的推進(jìn)。機(jī)頭伸入立板內(nèi)側(cè)，支撐氣缸帶動(dòng)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)到指定角度后，滾輪和焊槍機(jī)構(gòu)通過(guò)推進(jìn)氣缸的伸向立角焊縫，使?jié)L輪頂住兩側(cè)立板的交叉角。

（4）焊槍與焊縫的對(duì)齊。滾輪與焊槍在同一豎直面內(nèi)并與兩側(cè)立板成相等角度，滾輪與焊槍擺動(dòng)裝置構(gòu)成一體可沿滑軌左右滑動(dòng)，將焊槍柔性定位到立板的十字交叉中心。推進(jìn)氣缸推動(dòng)滾輪與焊槍前進(jìn)時(shí)滾輪與立板接觸，若焊槍與焊縫不對(duì)齊，滾輪在氣缸的推力和立板的反作用力下沿滑軌滑動(dòng)，直至滾輪的兩輪緣對(duì)稱頂住立板的交叉角，自動(dòng)將焊槍對(duì)齊到立板的十字交叉中心。

（5）焊槍的擺動(dòng)。焊槍的擺動(dòng)可增大焊喉厚度，通過(guò)伺服電機(jī)控制的方式實(shí)現(xiàn)，經(jīng)大減速比的減速器帶動(dòng)焊槍調(diào)節(jié)和夾持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焊槍擺動(dòng)，焊槍的擺動(dòng)與豎直梁的直線運(yùn)動(dòng)組合形成焊槍的四種運(yùn)動(dòng)軌跡，即直線形、鋸齒形、矩形和梯形[8]。

2 焊機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊機(jī)機(jī)頭分為連桿機(jī)構(gòu)、對(duì)中機(jī)構(gòu)、自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)四部分，分別用于焊槍與水平面的夾角調(diào)整、焊槍與焊縫的對(duì)齊、焊槍與焊縫距離的自動(dòng)調(diào)整以及擺動(dòng)焊接，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意

連桿機(jī)構(gòu)、對(duì)中機(jī)構(gòu)以及自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)采用氣缸傳動(dòng)的方式，其具有速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、有一定的緩沖能力等優(yōu)點(diǎn)，以FESTO的標(biāo)準(zhǔn)氣缸、帶導(dǎo)桿氣缸和伺服標(biāo)準(zhǔn)氣缸為例，其技術(shù)參數(shù)的比較如表1所示。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)采用伺服電機(jī)傳動(dòng)，其具有對(duì)速度和精度控制好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

表1 氣缸技術(shù)參數(shù)比較

2.1 連桿機(jī)構(gòu)

為有效較少焊機(jī)機(jī)頭在水平面上的長(zhǎng)度以防止機(jī)頭碰撞到工件，為滿足不同工件立角焊的工藝要求，機(jī)頭需要具有多角度自由調(diào)整的功能，為此，需要精確控制支撐氣缸的伸出長(zhǎng)度。因此，支撐氣缸可選用FESTO的DNCI系列伺服標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其內(nèi)部集成了位移編碼器，可對(duì)活塞桿進(jìn)行全行程定位，其重復(fù)定位精度達(dá)±0.5 mm，可滿足焊槍角度調(diào)整的需求。

由于推進(jìn)氣缸需要承受較大的扭矩和彎矩，因此，推進(jìn)氣缸選用抗扭轉(zhuǎn)和抗側(cè)向力性能好的帶導(dǎo)桿氣缸。由于接近開關(guān)定位精度不高，若要實(shí)現(xiàn)氣缸的精確定位可采用固定限位（俗稱死限位），此處工件即起到固定限位的作用，推進(jìn)氣缸推動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)向前行進(jìn)直至滾輪撐住工件立角時(shí)，氣缸停止向前推進(jìn)。

2.2 對(duì)中機(jī)構(gòu)

對(duì)中機(jī)構(gòu)分為機(jī)頭定位裝置和焊槍柔性定位裝置。

（1）機(jī)頭定位裝置用于豎直梁與機(jī)頭的整體定位，機(jī)頭從工件上方下降到立板內(nèi)側(cè)后需進(jìn)行位置調(diào)整，使豎直梁的左右兩側(cè)與兩立板的距離相等。

其具體結(jié)構(gòu)是采用安裝在豎直梁兩側(cè)并與工件兩塊立板分別垂直的激光傳感器定位，并配合梁的運(yùn)動(dòng)將豎直梁定位到立板的十字交叉中心。

（2）焊槍柔性定位裝置用于防止焊絲與焊縫不對(duì)齊，采用柔性定位裝置在推進(jìn)氣缸向前推進(jìn)時(shí)將焊槍自動(dòng)對(duì)齊到焊縫中心，以保證焊接精度。

其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，具體結(jié)構(gòu)是在推進(jìn)氣缸活塞桿的前端安裝電機(jī)安裝座，電機(jī)安裝座上設(shè)有與兩塊立板在水平面內(nèi)成45°角的兩個(gè)平行滑軌，滾輪裝置和擺動(dòng)裝置安裝在同一塊安裝板上，并且可整體沿滑軌滑動(dòng)，滾輪和焊槍在同一豎直面內(nèi)，滾輪和擺動(dòng)裝置安裝板的兩側(cè)對(duì)稱裝有彈簧裝置，初始狀態(tài)時(shí)滾輪和擺動(dòng)裝置在兩側(cè)彈簧的作用下位于電機(jī)安裝座的對(duì)稱中心位置。機(jī)頭伸入立板內(nèi)側(cè)后，推進(jìn)氣缸推動(dòng)滾輪和擺動(dòng)裝置一起伸向焊縫，由于滾輪與兩側(cè)立板的夾角相等，若滾輪中心面與焊縫不對(duì)齊，滾輪首先碰到一側(cè)立板，在推進(jìn)氣缸的推力和立板的反作用力下滾輪與擺動(dòng)裝置一起沿滑軌滑動(dòng)，直至滾輪的兩輪緣對(duì)稱抵住兩側(cè)立板，此時(shí)焊槍已與焊縫對(duì)齊。

2.3 自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

由于焊絲與焊縫的距離隨焊槍與水平面夾角的變化而變化，因此為了實(shí)現(xiàn)焊接的自動(dòng)化，減少焊接準(zhǔn)備時(shí)間，焊機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)后焊絲與焊縫的距離需進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，并且該距離可單獨(dú)調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)這一功能，自動(dòng)補(bǔ)償氣缸選用伺服氣缸，由于FESTO的DNCI系列伺服標(biāo)準(zhǔn)氣缸的活塞桿不得吸收任何扭矩，而焊槍擺動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩和側(cè)向力，因此將帶軸承導(dǎo)向的安裝附件與自動(dòng)補(bǔ)償氣缸一起安裝，以提高抗扭矩和彎矩的能力。

如圖4所示，自動(dòng)補(bǔ)償氣缸通過(guò)連接法蘭安裝在減速器下端，并與減速器的輸出軸垂直，其活塞桿前端裝有焊槍連接板，焊槍與焊槍安裝座安裝在焊槍連接板上，焊槍初始位置可手動(dòng)調(diào)節(jié)，由于焊槍與水平面的夾角在10°～40°內(nèi)調(diào)整，為了減小支撐氣缸的行程并提高支撐穩(wěn)定性，焊槍初始安裝角定為向上傾斜20°，則推進(jìn)氣缸與水平面的夾角調(diào)整范圍則變?yōu)?10°～20°。

圖4 機(jī)頭前端結(jié)構(gòu)示意

2.4 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

焊槍的擺動(dòng)可增大焊喉厚度，是獲得較好焊縫成形的一個(gè)重要的手段。同時(shí)擺動(dòng)方式、擺長(zhǎng)、擺幅、擺動(dòng)頻率以及焊接速度對(duì)焊接成形具有重要的影響，是獲得良好焊縫成形的重要因素[9]，因此焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)需要較高的響應(yīng)速度和控制精度。

擺動(dòng)裝置與滾輪裝置安裝在同一塊支撐板上，可隨滑塊一起運(yùn)動(dòng)，電機(jī)采用伺服電機(jī)，減速器采用大減速比的行星減速器，減速器的輸出軸通過(guò)連接法蘭與自動(dòng)補(bǔ)償氣缸的上表面相連，帶動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)償氣缸作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)焊槍作相應(yīng)的擺動(dòng)。

3 焊槍位姿分析與補(bǔ)償

3.1 焊槍與水平面的夾角

焊槍與水平面的夾角以及與焊縫的距離的調(diào)整分別依靠支撐氣缸和自動(dòng)補(bǔ)償氣缸活塞桿的伸長(zhǎng)量的調(diào)整，對(duì)焊槍平面運(yùn)動(dòng)的分析如下。

圖5為推進(jìn)氣缸與水平面夾角的數(shù)學(xué)模型，推進(jìn)氣缸與水平面的夾角減去焊槍初始偏角即為焊槍與水平面的夾角α1，圖5中AB為支撐氣缸，初始長(zhǎng)度a，B1點(diǎn)為支撐氣缸伸長(zhǎng)后的位置點(diǎn)，AB1的長(zhǎng)度a1，BC為推進(jìn)氣缸，長(zhǎng)度b，O點(diǎn)為推進(jìn)氣缸與豎直梁的鉸接點(diǎn)，C點(diǎn)為推進(jìn)氣缸與鉸接座的連接點(diǎn)，OC與BC垂直，OC的長(zhǎng)度c，初始位置時(shí)，OC與x軸的夾角為10°，B1、C1為機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)后推進(jìn)氣缸的位置點(diǎn)，OB1的長(zhǎng)度d，α為推進(jìn)氣缸與水平面的夾角，β為OB1與OC1的夾角，θ為OB1與x軸的夾角，Δa為支撐氣缸的伸長(zhǎng)量，可得

A點(diǎn)坐標(biāo)方程為

B1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

其中

由式（1）～式（4）可得AB1的長(zhǎng)度為

圖5 推進(jìn)氣缸與水平面的夾角

焊槍與水平面的夾角α1為

支撐氣缸的伸長(zhǎng)量Δa為

將式（1）～式（6）帶入式（7）可得θ角的表達(dá)式，以及α1與Δa的關(guān)系表達(dá)式，即焊槍與水平面的夾角與支撐氣缸活塞桿伸長(zhǎng)量的關(guān)系

3.2 焊絲與焊縫的距離

焊機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)后焊絲與焊縫的距離也隨之產(chǎn)生變化，因此焊絲與焊縫的距離需進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，焊槍與焊縫距離的數(shù)學(xué)模型如圖6所示。

圖6 焊槍與焊縫的距離

圖6中B1C1為推進(jìn)氣缸示意，F(xiàn)G為自動(dòng)補(bǔ)償氣缸示意，HI為焊槍示意，JK為工件立交焊縫示意，I點(diǎn)表示焊槍噴嘴末端的初始位置，焊絲伸出長(zhǎng)度（干伸長(zhǎng)）計(jì)為k，H′的長(zhǎng)度與焊絲干伸長(zhǎng)度的差即為焊槍所需的補(bǔ)償長(zhǎng)度Δs，DI為焊槍頭與推進(jìn)氣缸的垂直距離m，DE的長(zhǎng)度n，滾輪半徑d，焊接弧長(zhǎng)p，EI的長(zhǎng)度q，γ為焊槍與水平面的夾角，α為推進(jìn)氣缸與水平面的夾角，可得焊槍與焊縫的距離所需的補(bǔ)償值為

4 結(jié)論

研制的立角焊自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭自動(dòng)化程度高，具有良好的柔性適應(yīng)能力，能顯著提高生產(chǎn)效率，其特點(diǎn)為：

（1）可實(shí)現(xiàn)機(jī)頭角度的自動(dòng)調(diào)整，以減少機(jī)頭在水平面內(nèi)的長(zhǎng)度，從而避免機(jī)頭與工件的碰撞。

（2）可實(shí)現(xiàn)焊槍角度的自由調(diào)整，以滿足不同工件焊接的工藝需求。

（3）可實(shí)現(xiàn)焊槍與焊縫的柔性定位，以使焊槍與焊縫自動(dòng)對(duì)齊。

（4）可實(shí)現(xiàn)焊槍位置的自動(dòng)補(bǔ)償，以適應(yīng)在機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)后焊絲與焊縫的距離的變化。

[1]黃功富.淺談立角焊的質(zhì)量控制[J].電焊機(jī)，2002，32（9）：41-42.

[2]章正.船舶大型結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇：江蘇科技大學(xué)，2009.

[3]Jefrey Noruk，Jean-Pual Boillot，Randy Li.Intelligent automation used to improve ship welding[J].Electric Welding Machine，2007，37（6）：19-27.

[4]Fivos Andritsos，Juan Perez-Prat.The Automation and Integration of Production Processes in Shipbuilding[R].European commission joint research center，2000.

[5]劉浩東，張龍，王建江，等.立焊工藝研究現(xiàn)狀及手工自蔓延焊接立焊工藝探討[J].熱加工工藝，2011（7）：166-170.

[6]劉浩東，張龍，辛文，等.MSHS立焊焊條傾角對(duì)接頭組織及性能的影響[J].焊接技術(shù)，2013，1（41）：13-16.

[7]蔣凡，陳樹君，王龍，等.焊槍行走角變化對(duì)等離子弧穿孔立焊焊縫成形的影響規(guī)律[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，2（34）：22-26.

[8]李春潤(rùn)，張建護(hù)，劉芬芳，等.球形儲(chǔ)罐自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭的研制[J].石油工程建設(shè)，2008（12）：46-50.

[9]許偉龍.船體雙殼分段機(jī)器人焊接技術(shù)研究[D].江蘇：江蘇科技大學(xué)，2010.

Development of automatic welder head for fillet welding in the vertical position

ZHANG Shenwen，SU Yanhao，GUAN Kai，PENG Shijing
（Mechanical Engineering Department，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

fillet welding in the vertical position；automatic welder head；structural design；position analysis

TG409

：A

1001-2303（2015）09-0005-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.02Ab

2014-11-25；

2015-03-10

張勝文（1963—），男，安徽穎上人，博士，教授，主要從事CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)的研究工作。

stract：The design of an automatic welder head for fillet welding in the vertical position is presented in this paper.The automation of this process is needed because of the low welding productivity and tedious adjustment，which are unavoidable in manual welding and less automatic welding machines.Welding head is modeled and the mechanism is described.The design scheme of powerplant is also investigated，and the performance of different cylinders is compared.The mathematical model is established to analyze the welding torch position.The mechanism of the welding head is capable of automatic adjusting the angle between the welding gun and the horizontal plane，decreases the length of welding head and meets the demands of different workpieces.It also can align the welding gun to weld automatically.Moreover，the compensation of the distance between the welding gun and weld is possible.The welding head is not only highly automatic but also is flexible.