自动化拖拉机下拉杆总成自动化焊接技术的研究

王 敏 张 蒙

(中国一拖集团有限公司收获机具公司，河南 洛阳 471000)

1 下拉杆总成简介

下拉杆总成是拖拉机悬挂系统的重要组成部分，拖拉机带有机具在田间作业过程中，下拉杆承受较大负荷。故其整体强度直接影响脱粒悬挂系统的稳定性。其结构形式采用三段焊接式，其强度不仅受到零件材质的影响，其焊接质量也会对下拉杆总成的强度造成直接影响。当前，主要采用人工组立、人工焊接的工艺流程。由于人工焊接过程中，焊接电流、焊接顺序的可控性较差，易受到工人技能水平的影响，容易产生焊接缺陷，影响焊接质量，进而影响拖拉机的可靠性。

下拉杆总成主要由下拉杆、球座、球头3部分组成。球头与球座通过装配形式连接在一起。球座与下拉杆采用三段式焊接结构。该焊合件结构较为简单，焊缝宽而短，通过设计工装减少翻转次数，使机器人焊接效率得到有效提升，同时保证焊接质量。

2 机器人焊接工作站

图1 焊接机器人工作站

机器人焊接工作站采用单机双工位的布置，其主要特点是可以有效提高机器人的实际工作时间，减少零件装夹时机器人的等待时间。与单工位相比，效率提升60%以上。主要有以下部分组成：一台焊接机器人、一台焊接电源、两套变位机、两套焊接夹具。双工位可以同时安装两套相同的夹具，也可以安装两套不同的夹具，满足多种零件的生产需求。两工位如果焊接不同零件时，需要尽量保证双工位的生产节拍一致，提高生产效率。

本工作站选用了型号为IRB2600的ABB焊接机器人，精度高，操作简单，运行速度快。它的动态自优化运动控制技术令各轴总是以最大加速度运动。在不做任何调整的条件下，比其他机器人的生产节拍快25%左右。同时它还具备基于Load Identification 技术的智能防碰撞功能，当焊接机器人的焊枪与工件发生机碰撞时，系统会将碰撞力降低到 30%，机器人自动沿路径回缩，释放压力，使其对焊枪与工件的破坏降到最低。当碰撞报警被确认之后，不需要重新上电，机器人就可以继续沿着之前的路径继续工作。在零件精度较低，一致性较差的情况下，焊缝位置出现偏差，很容易出现机器人焊枪与工件相撞。机器人焊枪价格昂贵，防撞系统对焊枪有很大的保护作用，可有效降低使用成本。

机器人带有寻位功能。在寻位模式下机器人会自动纠正工作路程，保证焊接位置与焊缝位置的准确度。其原理为系统给喷嘴或焊丝通低压电，工件接地。在机器人沿寻位轨迹移动过程中，一旦喷嘴或焊丝和工件接触时 会产生接触信号，机器人停止移动。利用当前位置与程序设定位置的偏差值对路径进行修正，从而得出真实目标位置。焊接过程中焊枪摆动，实时对焊接中的电流信号采样，根据 摆动两端的焊接电流偏差值及趋势，分析得出的水平及垂直方向的路径纠正数据，及时传递给机器人控制柜。机器人实时修正运动轨迹，保证达到稳定的焊接要求。

此工作站的主要特点为：

(1)采用单机双工位系统布局，一个工位进行零件装夹，另一工位进行焊接，最大限度减少机器人等待时间。(2)采用变位机进行变位，可与机器人之间联动，使程序更加简单灵活，同时可满足多种焊接路径，适用性更强。(3)焊接夹具与变位机之间的连接采用销轴定位，螺栓紧固的方式，结构简单，精度高，更换方便。可以在保证不同焊接夹具的快速切换，使机器人满足多品种零件焊接。(4)双工位之间采用遮光挡帘，可有效避免弧光对人眼睛的伤害。

3 焊接工装

机器人焊接工装与人工焊接工装相比，精度更高，装夹迅速，以满足机器人自动化生产中的节拍要求。与此同时，由于工件较小，焊缝较少，需要一次装夹多个工件，以减少装夹次数以及机器人等待时间。由于零件焊接需要双面焊接，故采用变位机进行翻转，降低人工翻转的劳动强度，使焊接效率提高1倍以上。

机器人焊接工装目前按照其作用分类，最常见的有两种类型。一种为仅对组对好的合件进行定位与夹紧，设计简单，承受载荷较小。另一种直接对合件中的各部分零件进行定位与夹紧，然后机器人直接进行焊接，省去了人工装配的工序，效率高，同时夹具的设计较为复杂。下拉杆合件主要为3部分组成，机构简单，焊接变形较小，适合采用第二种结构形式(如图2)。

图2 焊接夹具

工装分别对下拉杆、球座(左)、球座(右)3个部分进行定位。由于球座与拉杆不在一个平面，我们采用斜面与销轴对其进行定位。销轴与球头采用间隙配合，间隙为0.05 mm，既保证了装配精度，又保证焊接后方便取出。下拉杆我们采用了u型槽进行定位，同时用快速夹钳进行夹紧。结构简单，装夹迅速，有效提高工作效率。同时工装与焊合件的接触面要尽量小，便于应力释放，也可避免焊接应力过大，对工装进行损害，降低工装精度等。为了提高机器人的焊接效率，减少机器人的等待时间，单工位一次装夹6件。由于拉杆总成种类较多，需要多套夹具切换。夹具与翻转架采用螺栓加定位销连接的结构，提高工装的切换速度，可以实现一机多用，提高机器人的柔性生产能力。由于本工作站采用单机双工位布局，故可实现一边装夹，一边焊接的工作过程。为了防止零件装夹时，对面弧光伤害眼睛，两工位之间设计了遮光挡帘。

机器人焊接工装不仅要考虑零件的定位与夹紧，还需要考虑焊缝的可达率，以及零件的支撑点。由于机器人相对于人工焊接，灵活性较差，所以零件定位后，焊缝的位置一定要在机器人的工作范围内，同时尽可能使机器人保持最佳的焊接姿态。零件的支撑点要尽可能远离焊缝，防止焊接应力过大导致工装变形。

4 焊接工艺

4.1 零件的工艺性分析

下拉杆与球座的材质为60Si2Mn，60Si2Mn弹簧钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，适于铁道车辆、汽车拖拉机工业上制作承受较大负荷的扁形弹簧。可焊性较差，焊接中凝固区间较大，成分偏析严重，易产生较大应力。零件厚度为20 mm，故焊接时应采用双面焊接，同时应该开坡口，坡口的精度误差要保证±1 mm，以保证焊缝的一致性和焊接强度。机器人焊接速度约为人工焊接速度的2倍，电流电压稳定，飞溅小，焊缝均匀、美观。为了进一步改善焊接效果，在焊接中选用了Ar-CO2混合气体。与二氧化碳气体保护焊接比较，在焊接效率与焊接质量上均有显著提升。通过采用Ar-CO2混合气焊接技术可以使各自优势充分发挥。Ar可有效提高焊接表面质量，降低CO2气体焊接过程中所发生的飞溅。且 CO2气体可显著提高电弧稳定性，增强其热传导功能，使焊接材料的机械性能显著提升[1]。

4.2 电流电压的选择

机器人焊接自动化程度高，速度快，但对焊接参数要求较高。由于人工在焊接过程中，可以实时观察焊接过程中熔池的变化以及焊缝的成型效果，及时调整焊接参数。但机器人焊接参数为预设，参数不合适，极大影响焊接效果。焊接过程中，实际的焊接条件受材料、温度、零件质量等各种因素的影响，所以我们需要多次试验，来获取最佳的焊接参数。

经过多次实验，得到的理想焊接参数如下：

气体流量20～25 L/min；焊接速度v=0.4 m/min；焊接电压U=29～35 V；焊接电流I=270～380 A；焊丝直径为Φ1.2 mm。

5 结语

通过自动化焊接技术的应用，提高了生产效率和焊接质量。由于农业机械零件种类较多，数量低，造成机器人的利用率偏低，机器人焊接技术在农机制造领域应用较少。实践证明，通过优化工装结构，利用工装快速切换技术，使机器人实现多种类零件的焊接，实现一机多用。与此同时，农业机械的零件精度还普遍偏低，一致性较差，自动化焊接工艺性差。所以随着激光切割机的普及，零件的制造精度不断提升，机器人的柔性制造技术的不断发展，机器人自动化焊接技术在农业机械领域会被广泛推广与应用[2]。