蔣彥坤 金寶 龔春源 郭松葉

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

機器人是一種可以通過程序指令半自動或自動地完成自主工作的機器設備，因其對生產條件和環(huán)境的高度適應性、自身的靈活性和穩(wěn)定性，目前，工業(yè)機器人在整個現代化工業(yè)領域中有著不可或缺的地位，機械制造、汽車、化工、服裝、電子、食品和醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展都逐步采用工業(yè)機器人作為主導，焊接機器人在汽車、工程機械、鋼結構等行業(yè)已逐漸取代人工焊接。但在大型基礎裝備制造業(yè)領域，因產品結構特點的巨大差異，機器人焊接的研究和應用仍處于起步階段[1]。文中基于水輪發(fā)電機磁極鐵心的焊接，開展了機器人高效焊接研究并成功應用。

1 水電磁極鐵心結構介紹

磁極是水輪發(fā)電機提供勵磁磁場的重要轉動磁感應部件，需要具備良好的機械和電氣性能。磁極由磁極鐵心、磁極線圈和極身絕緣等組成。磁極鐵心常采用疊片磁極，有利于降低磁極表面的齒脈振損耗。疊片磁極鐵心由磁極沖片、磁極壓板、磁極拉緊螺桿等零件組成，螺桿和螺母不得凸出磁極壓板表面，結構見圖1。

圖1 磁極鐵心結構示意圖

水輪發(fā)電機的磁極沖片需關注材料的磁導率，常選用1.5 mm或2 mm厚的冷軋或熱軋鋼板。磁極沖片的制造可采用模具沖壓和激光切割，各有其固有的優(yōu)缺點。激光切割時鋼板為自由狀態(tài)，受激光頭的定位誤差和鋼板翹曲變形誤差的雙重影響，中心孔定位誤差可達±0.20 mm，其孔對外緣輪廓的誤差可達±0.25 mm；模具沖壓時，中心孔誤差一般可達±0.05 mm，其孔對外緣輪廓的誤差可達±0.15 mm，其沖片一致性好[2]。另外磁極沖片尺寸較小，數量一般都在數千片以上，成本分攤后模具費用不高，所以從技術和成本分析，目前常采用模具沖壓的方式制造磁極沖片。

另外，在磁極沖片T尾、檐部及極身等位置常沖有3 mm的半圓，磁極鐵心疊壓后，沿磁極鐵心軸向長度方向滿焊R3半圓槽以提高磁極鐵心的整體性和剛性。焊接位置主要為平焊和橫焊，要求焊縫美觀，焊縫不凸出工件以便不影響裝配，焊縫咬邊及余高均小于1 mm，如圖2所示。

圖2 磁極鐵心焊接位置及焊接要求示意圖

2 磁極鐵心焊接中的常見問題

2.1 磁極鐵心焊縫外觀質量差

磁極鐵心片間壓力分布的測量試驗一般采用感壓紙測量方法，磁極鐵心裝壓過程中在長度等距間隔的5個不同的片間位置安裝感壓紙，感壓紙根據區(qū)域壓力的大小呈現不同的發(fā)色濃度，通過掃描儀對收集完壓力信息的彩色感壓紙進行掃描再通過軟件轉換成數據，然后檢測壓力大小和壓力平衡。結果表明，磁極鐵心疊壓系數雖要求較高，但沖片壓緊主要通過沖片中部的拉緊螺桿受力把緊，受力集中，同時沖片本身鋼板有同板差，沖片外緣、遠離拉緊螺桿的磁極沖片檐部及T尾受力相對較差，如圖3所示。沖片外緣緊度不一致，沖片在R3槽焊接部位可能存在間隙，最大可達0.30 mm。

圖3 磁極鐵心片間壓力分布測量

同時R槽因疊片磁極鐵心固有的平直度、對齊情況不佳和磁極鐵心沖片殘留的少量模具潤滑油等因素，R槽焊接時采用傳統手把焊易產生焊接飛濺，長時間連續(xù)手把焊難以維持較好的焊接姿態(tài)、焊接速度和穩(wěn)定的收弧、斷弧時機，移動焊條的速度過快，從而使得氣泡尚未排出焊縫便已冷卻，形成氣孔；焊接電流、焊接電壓過大或者焊接速度較慢，電弧熱量高與焊接速度不協調，使被焊材料在融化之后無法與焊材金屬相熔，形成咬邊[3]；在焊接的過程中由于收弧、斷弧的時機控制得不合適而使得焊縫末端出現因填充物不足形成的低洼部分造成弧坑[4]；焊縫余高因手把焊穩(wěn)定性較差也無法控制。磁極鐵心手把焊焊接后出現氣孔、咬邊、弧坑和余高參差不齊等問題，焊接外觀質量較差，需進行打磨，打磨后外觀質量仍不滿足要求，如圖4所示。

圖4 鐵心R槽使用手把焊焊接打磨后外觀情況

為消除上述傳統手把焊焊接發(fā)生表面氣孔、咬邊、弧坑等焊縫缺陷和打磨后外觀質量差的問題，改進方法是焊接時有意識地使焊縫余高增大，打磨時去除表面氣孔和弧坑等焊縫缺陷，但導致焊接量增大、同時焊接過后焊縫打磨量大，勞動強度進一步提高，如圖5所示。

圖5 R槽焊縫余高增大，焊接及打磨情況

2.2 磁極鐵心焊接位置多

磁極鐵心R槽主要分布在磁極鐵心T尾、檐部及極身等位置，焊接位置主要為平焊和橫焊。T尾正面為平焊，R槽焊接點處于水平位置，焊接操作人員通過正向俯視焊接工件來進行焊接。因為焊接縫處于水平位置，熔滴主要是靠自重進行過渡處理，焊接姿態(tài)較易保證。T尾側面、極身及檐部部位為橫焊，R槽垂直于水平位置進行焊接，焊接工作過程中所產生的熔池液態(tài)金屬及焊接產生的熔渣，在自身重力作用條件下會出現下落情況，更易造成焊道表面出現咬邊、焊接下側區(qū)域出現凸起等情況容易造成焊瘤、夾渣等缺陷[5]。焊接過程中，常采用將磁極鐵心側傾、多次變位的方式改橫焊為平焊完成焊接進行改善，如圖6所示。

圖6 磁極鐵心通過側傾、多次變位完成焊接

2.3 磁極鐵心尺寸差異大

磁極主要是提供勵磁磁場，磁極鐵心各尺寸的設計除了滿足機械強度，還需進行磁路計算。磁極極弧系數通過磁場的諧波分析和電動勢波形的定量計算確定，磁極極靴寬度能夠根據極弧系數相應得出。磁極極身高度由轉子勵磁繞組匝數和導線的尺寸確定，極身寬度受極身磁通密度的限制，極靴高度和T尾的尺寸及數量根據水輪發(fā)電機機組的飛逸轉速時對磁極的強度要求計算確定[6]。不同的水輪發(fā)電機組因水頭、機組容量、機型結構等不同，電磁方案和機械強度要求均不一樣，磁極鐵心尺寸差異較大，磁極鐵心長度從1 m到4 m不等，寬度從150 mm到650 mm不等，R槽焊接位置也相應差異較大。

2.4 磁極鐵心焊接效率低

磁極鐵心R槽焊接常采用手把焊的焊接方式，焊接過程為高重復、低附加值作業(yè)，焊接過后焊縫打磨量大，勞動強度進一步提高。傳統手把焊考慮焊工自身身體條件和外部高溫環(huán)境，無法進行長時間持續(xù)作業(yè)，同時手把焊需頻繁更換焊條，焊接效率較低。另外焊接過程中的煙塵和氮氧化物等有害氣體會對焊工造成職業(yè)危害。

3 適合于磁極鐵心的機器人焊接系統

焊接電流、焊接電壓和焊接速度等因素均會對焊接質量產生影響。相比人工長期施焊，焊接機器人擁有完備的數控化的控制措施，始終能夠將焊接工藝參數自動控制保持不變，降低人為因素對焊縫質量的影響，焊縫成型均勻，穩(wěn)定性高。磁極鐵心R槽焊接較為適宜采用弧焊機器人進行改善。

3.1 磁極鐵心焊接工作站

磁極鐵心焊接工作站由焊接機器人主體、脈沖氬弧焊機、電器控制系統、防碰撞水冷焊槍、送絲機構、龍門倒掛行走系統和焊接平臺等組成。磁極鐵心長度較長(最大4 m)，兩側極身及檐部均需焊接，立柱式及地軌式安裝均不適宜。在保證機器人靈活性的同時，最大地增加機器人的有效工作范圍，采用倒掛安裝方式，如圖7所示。通過最大尺寸工件模擬，機器人選用工作半徑2000 mm，腕部負載8 kg，機器人的工具坐標系每次重復精度不大于±0.05 mm。龍門倒掛行走系統采用機器人本體同品牌的伺服電機，受機器人控制器控制，實現外部軸和機器人本體聯動。為提前發(fā)現機器人路徑干涉問題，保證焊接可達性，同時完善焊接平臺和龍門機構、懸臂梁尺寸設計，通過PDPS仿真軟件進行仿真虛擬驗證，機器人的機械臂可以順暢同一工位實現全部大小尺寸磁極鐵心R槽平焊和橫焊，不需多次變位進行焊接，如圖8所示。

圖7 焊接機器人布置示意圖

圖8 通過仿真軟件實現焊接機器人仿真分析

焊接工作站同時具有防碰撞和自動清槍、剪絲功能，通過防碰撞傳感器技術能夠防止由于操作不合理導致機器人的各個關節(jié)與工件相撞，剪絲裝置采用焊槍自觸發(fā)結構，按程序完成自動清槍、剪絲。焊接工作站安裝完成后，通過對焊縫軌跡示教編程即可完成磁極鐵心自動焊接，選用?1.2 mm實心焊絲單道焊接成形。

焊接工藝參數設計時，針對焊縫余高控制，通過增加焊接電流和焊接速度，保證焊縫的熔深和熔合質量，同時減少單層焊接的填充量，避免產生過高的余高[7]。R槽焊后焊縫飽滿均勻，焊縫余高小于1 mm同時不凸出工件，焊后不再對焊縫進行打磨。針對橫焊熔滴因自重下垂的現象，通過調整焊槍姿態(tài)，調整工作角和行走角，消除熔滴自重造成的焊道下緣咬邊現象。焊接電流是影響焊縫成形的關鍵因素，尤其是橫焊位置焊接，電流過大極易引起熔池流淌造成咬邊或假焊，因此橫焊電流應比平焊略小[8]。平焊及橫焊的焊接電壓、焊接電流、焊接速度和保護氣體流量等工藝參數通過多次試驗優(yōu)化，滿足焊接需求。

3.2 磁極鐵心自動焊接的定位

(1)定位銷機械定位

為提高焊接效率，基于焊接工作站數據庫內的首件示教焊接程序的調用，從而實現小批量同規(guī)格磁極鐵心無需重復示教的情況下完成自動焊接，但對不同工件放置的位置定位要求較高。采用在焊接平臺設置定位銷，批量磁極鐵心通過從兩個相鄰方向靠近定位銷實現重復定位，但因磁極鐵心重量較重(最重約10 t)，吊裝過程中無法精確控制，后續(xù)需要通過千斤頂實現精確定位調節(jié)，工作繁瑣且效率低，如圖9所示。

圖9 磁極鐵心在焊接平臺定位

(2)焊縫跟蹤技術的應用

水輪發(fā)電機磁極鐵心尺寸差異大，為適應小批量、多品種快速焊接生產，僅采用定位銷的機械定位方式精度有限，無法適應快速動態(tài)的生產需求，只有將焊縫特征進行精準識別并將其提取轉換成焊接機器人認可的數據信息，才能做到焊接過程中不依靠人工干預，使焊接機器人自行根據焊縫形式進行實時軌跡調整，其核心在于焊縫特征的實時快速識別及其特征準確提取。針對焊縫識別跟蹤，電弧傳感、接觸式傳感和非接觸式傳感均有應用，其中非接觸式傳感中的視覺傳感主要依靠焊縫中反饋回的光源信息進行特征識別，可以捕捉電弧狀態(tài)、熔池輪廓等信息，其獲取的焊縫特征信息豐富、抗干擾能力強、靈敏度和精度高，逐漸成為主流方式[9]。其中，工業(yè)應用較多的是激光式結構光傳感器，激光作為具有判別性特性的結構光，具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，其檢測方法基于光學三角形測量原理，通過外部光源進行投影可以準確獲取被測物體的三維輪廓信息，結構簡單穩(wěn)定，能夠有效克服自然光下信息采集的問題，可快速準確地提取焊縫中心位置，適用于磁極鐵心焊縫形式和軌跡簡單的焊縫識別。本項目選用激光視覺焊縫跟蹤系統進行定位輔助，焊縫信息能夠主動采集和實時處理，并與工業(yè)機器人保持實時通信，同時具有尋位和跟蹤功能，滿足智能化焊接的需求，如圖10所示。

圖10 焊接機器人配置激光跟蹤器使用

焊接機器人采用激光跟蹤同步定位焊接技術配合定位銷定位，能有效修正依靠定位銷吊裝磁極鐵心的位置偏差，同時屏蔽了磁極鐵心疊片公差導致的固有位置偏移對R槽焊接軌跡的影響。相同規(guī)格磁極鐵心只需依靠定位銷進行初定位后，調用首件示教好的程序，配合激光糾偏，自動高效焊接。激光使用程序如下：

RAD_SHIFT ON 2 1 2；激光開

MOVEL+P009,0.10m/min

ARC-SET AMP=170 VOLT=18 S=0.4；焊接參數設置

ARC-ON ArcStart1 PROCESS=0

MOVEL+ P010,10.0m/min

RAD_SHIFT KEEP 1 1 2；激光保持

MOVEL+ P011,10.0m/min

RAD_SHIFT OFF 101；激光關

MOVEL+ P012,10.0m/min

4 應用效果

目前，水輪發(fā)電機磁極鐵心R槽焊接已實現機器人焊接全覆蓋，通過大量的焊接應用，達到以下效果：

(1)通過對焊接機器人工作站的設計，實現了水輪發(fā)電機磁極鐵心同一工位下R槽的平焊和橫焊，不需多次變位進行焊接。

(2)通過定位銷和焊縫跟蹤器技術的綜合應用，同一規(guī)格的不同磁極，在放置時初步定位后，調用首件示教好的程序，激光糾偏輔助，即可實現批量自動焊接。

(3)通過焊接工藝參數設計，磁極鐵心R槽使用焊接機器人后焊縫飽滿一致，外觀質量較好。有研究表明，使用機器人焊接的焊縫，其出現未熔合、咬邊、氣孔、裂紋等缺陷的工件數量比手工焊工件焊接缺陷數量減少了80%[10]。

(4)通過焊接參數調整，焊縫余高控制較好，焊縫不高于工件表面，無需打磨，該環(huán)節(jié)減少焊縫打磨工人2名，如圖11所示。焊接機器人通過選配脈沖氬弧焊機，開啟“脈沖焊接”方式，焊接飛濺少，無直徑>2 mm飛濺顆粒，飛濺率1%以內。

圖11 磁極鐵心R槽手把焊與機器人焊接焊縫對比

(5)焊接機器人相比于手工焊接生產效率優(yōu)勢顯著。通過生產測算，磁極鐵心機器人焊接效率較手把焊提高約3倍，同時通過采用焊絲代替手工藥芯焊條和焊縫余高控制，熔焊金屬用量減少約30%。

5 結論

機器人高效焊接技術在水輪發(fā)電機磁極鐵心的應用，提高了焊接效率及外觀質量，取消打磨工序，降低了焊接作業(yè)強度，改善了焊接作業(yè)環(huán)境。同時本文研究得出如下結論：

(1)針對磁極鐵心使用傳統人工焊接方式需要多次變位的一類工件，通過機器人選型、機器人布置方式、焊接軌跡規(guī)劃等的設計與仿真，利用機器人的高柔性可以實現尺寸差異大、焊接位置多的工件在同一工位下無需變位的自動焊接需求。

(2)通過對傳統定位機構和適用于機器人焊機的焊縫跟蹤器的研究、選型和應用，設計了定位銷初步定位，激光焊縫跟蹤器自動糾偏的定位模式，可操作性強，定位效率和可重復性高，適宜在多品類、小批量產品中進行高效焊接的應用。

(3)基于焊槍機器人的高穩(wěn)定性和一致性，通過焊接工藝參數、焊槍姿態(tài)和焊接方向等的設計，可以有效去除未熔合、咬邊、氣孔等缺陷，實現焊縫余高控制，解決橫焊熔滴下垂咬邊等問題，焊縫內在缺陷減少，焊縫外部外觀質量提高。