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机器人小车焊接构架变形预测和分析

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：林艳红

[导读] 摘要：近年来，计算机技术快速发展，对焊接变形的数值仿真计算有很大地促进作用，数值模拟成为结构焊接残余应力和焊接变形预测的有效方法之一。

        身份证号码：23062319920809xxxx
        摘要：近年来，计算机技术快速发展，对焊接变形的数值仿真计算有很大地促进作用，数值模拟成为结构焊接残余应力和焊接变形预测的有效方法之一。
        关键词：机器人；小车；焊接构架；变形
        引言
        焊接变形涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体力学和流体力学等，是多学科融合的复杂现象。作为机械加工常用的连接方式之一，焊接在机器人小车构架的生产和制造中有重要的作用。焊接加工时往往出现残余变形，残余变形的大小直接影响机器人小车焊接构架的性能和使用寿命。焊接构架是机器人小车的关键承载部件之一，其安全性和可靠性至关重要。在机器人小车焊接构架的设计阶段，合理完善的焊接变形预测和分析需要可靠、适用的焊接变形数据支撑。
        1内外研究及应用现状
        国外先进的刮板输送机制造企业，如德国DBT公司和美国JOY公司早已广泛使用焊接机器人或机器手代替或部分代替人工焊接。焊接机器人的应用，不但改善了劳动环境，减轻劳动强度，提高生产效率，更主要的是焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量的一致性保证了批量生产的产品焊接质量。近年来，国内一些刮板输送机制造企业开始采用焊接机器人进行中部槽、机头等结构件的焊接，以提高焊接质量和生产效率。刮板输送机实现焊接自动化和智能化是煤矿工程机械产业发展的迫切需求，也是必然趋势，这对提升刮板输送机关键部件的焊接效率和质量、减少焊接工人数量、改善工人生产环境都具有重要作用，可显著提高我国基础工业加工制造水平。
        2基本原理
        2.1固有应变法
        固有应变法最初由日本学者提出。固有应变是指热循环后残留在构件内引起构件残余应力和变形的应变，也称为残余应变。固有应变是焊件产生应力和变形的根本原因。固有应变表示构件从应力状态剥离后处于自由状态时，与基准状态对比所具有的应变。固有应变包括塑性应变、热应变和相应变，其表达式为ε*=εP+εT+εX（1）式中：εP为塑性应变；εT为热应变；εX为相应变。若只经过1次热循环，则构件热应变基本可以忽略不计，构件材料为低碳钢，也可以不考虑相应变，所以固有应变可以用塑性应变代替，即ε*=εP
        2.2热弹塑性固有应变法
        目前，基于固有应变理论进行焊接变形仿真主要有2种方法：一种是基于经验数据的固有应变法，另一种是基于热弹塑性的固有应变法。本文采用基于热弹塑性的固有应变法。首先，利用热弹塑性有限元法对机器人小车焊接构架的局部模型进行仿真和计算；然后，提取塑性应变并建立固有应变数据库；最后，将固有应变作为初始应变，施加到焊缝及其附近区域，进行1次弹性计算，得到机器人小车焊接构架的最终应变。
        3三种常见的焊接机器人
        3.1点焊机器人
        点焊机器人（spot welding robot）用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机于1965年开始使用，是美国Unimation公司推出的Unimate机器人，中国在1987年自行研制成第一台点焊机器人──华宇-Ⅰ型点焊机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。

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点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。
        3.2弧焊机器人
        弧焊机器人是指用于进行自动弧焊的工业机器人。弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同，在20世纪80年代中期，哈尔滨工业大学的蔡鹤皋、吴林等教授研制出了中国第一台弧焊机器人——华宇-Ⅰ型弧焊机器人。弧焊机器人系统组成一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展，弧焊机器人人正向着智能化的方向发展。
        3.3激光焊接机器
        激光焊接机器人理论上是可以取代前面两种焊接机器人（点焊机器人、弧焊机器人）的很多方面的，不仅能取代，而且很多地方优于前面两个焊接机器人。特别在薄小工件上，当然，激光焊接设备成本较高，体积不能太小。但随着科技进步，产量提高，激光焊接设备成本会进一步下降，体积也会越来越小。
        4焊接机器人在工程机械行业的发展趋势
        4.1工程机械行业发展趋势
        随着科技的进步，工程机械行业在谋求产业的转型升级，尤其在人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术推动下，信息化、自动化、智能化已经成为了企业发展的主要路径。通过机器人、软件信息化、柔性化生产等方式，企业可实现上下游信息透明、协作设计与生产，大大提升了生产服务的质量与效率。5G技术提升了信息的传输效率，未来工程机械渗透率有望持续提升，电动化、物联网、智能化、共享化将是工程机械行业发展的重点。远程遥控无人驾驶，多品种机械一体化施工，未来科技将让施工更简单。
        4.2焊接机器人发展趋势
        为满足客户对产品的多种需求，工程机械逐步向“新特异”小批量发展，这也加快了焊接机器人的智能化及自动化发展。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法及遥控焊接技术等方面取得了许多突出的成果。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其他工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：智能化将激光、视觉、传感、检测、图像处理及计算机等智能控制技术应用于焊接自动化装备中，使其能在各种环境复杂、变化的焊接工况下根据焊接的实际情况，自动调整、优化焊接轨迹和工艺参数，实现高质量、高效率的焊接智能控制与焊缝自动跟踪，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。高效由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使焊接机器人系统的可靠性有了很大提高。
        结束语
        我国是一个制造业大国，并已启动“中国制造2025”战略的实施推进，焊接机器人将在机械制造业中迎来一个非常好的发展前景。我国科技水平的迅速发展，极大地带动了工程机械行业的发展，焊接机器人作为工程机械行业转型升级的重要标志已经得到了国家的高度重视，政府加大政策和资金支持将促使焊接机器人得到飞速发展。随着计算机技术、传感器技术、人工智能技术等的发展，引进及吸收先进技术和经验，焊接机器人技术会快速走向成熟，加快我国从制造大国向制造强国迈进的步伐。
        参考文献：
        [1]陈城洋.工程机械典型接头的弧焊机器人焊接技术研究[J].企业导报，2014（19）：109，114.
        [2]刘丹，郑博方，王帅，等.机器人焊接关键技术及应用[J].金属加工（热加工），2020（2）：41-44.
        [3]霍厚志，张号，杜启恒，等.我国焊接机器人应用现状与技术发展趋势[J].焊管，2017，40（2）：36-45；