機(jī)器人自動(dòng)焊在液壓支架結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用

范劍英，趙光明

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006）

0 引言

隨著全國(guó)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的加快，液壓支架的需求量也迅速攀升。目前大型液壓支架專(zhuān)業(yè)廠家的支架結(jié)構(gòu)件主要由焊工手工焊接完成。而高端支架采用的高強(qiáng)板焊接時(shí)需加熱到200℃，施焊溫度不能低于80℃，焊工需持續(xù)在高溫下焊接，勞動(dòng)強(qiáng)度特別大；同時(shí)手工焊接受人為因素影響很大，焊接質(zhì)量不易保證，直接影響支架性能。而且由于高端支架結(jié)構(gòu)件尺寸大，板材厚，焊接工藝復(fù)雜，導(dǎo)致焊接效率低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。研究高端支架自動(dòng)焊接技術(shù)及裝備，不僅能大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接效率，更重要的是能夠保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊接件質(zhì)量的可靠性。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在液壓支架制造方面的自動(dòng)化水平明顯高于我國(guó)。德國(guó)DBT公司和美國(guó)JOY公司已廣泛使用焊接機(jī)器人代替部分人工焊接。

1 目前國(guó)內(nèi)機(jī)器人焊接存在的問(wèn)題

在國(guó)內(nèi)，手工焊接一直是液壓支架主要的生產(chǎn)方式。為了提高焊接質(zhì)量和效率，少數(shù)企業(yè)也引進(jìn)了國(guó)外的機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)，但效果并不明顯，仍存在以下問(wèn)題：

（1）一套變位裝置只能配套一臺(tái)焊接機(jī)器人，而高端支架高強(qiáng)板結(jié)構(gòu)件必須在高溫下焊接，一臺(tái)機(jī)器人的焊接速度跟不上工件的降溫速度，必然會(huì)出現(xiàn)反復(fù)加熱，反而降低焊接效率。

（2）價(jià)格昂貴，購(gòu)買(mǎi)一套進(jìn)口變位裝置需要幾百萬(wàn)元。

（3）變位裝置及機(jī)器人配套系統(tǒng)太過(guò)龐大，受場(chǎng)地約束，不能批量應(yīng)用于生產(chǎn)。

（4）液壓支架結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)多變，焊接工位多，零件拼裝數(shù)量多，給焊接編程、焊接定位、焊接過(guò)渡成型帶來(lái)諸多困難。

以上原因大大限制了焊接機(jī)器人的應(yīng)用。

2 改進(jìn)措施及技術(shù)特點(diǎn)

為解決高端液壓支架機(jī)器人焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)該焊接系統(tǒng)進(jìn)行了系列設(shè)計(jì)創(chuàng)新，其關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）自動(dòng)焊接變位裝置中夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（2）自動(dòng)焊接變位裝置中翻轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（3）焊接機(jī)器人自動(dòng)尋找焊縫起始點(diǎn)、自動(dòng)跟蹤焊縫的技術(shù)。

（4）焊接機(jī)器人進(jìn)行多層多道焊接的技術(shù)。

（5）工件的焊接編程和焊接工藝的結(jié)合。

為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)高端液壓支架自動(dòng)化焊接流水線，根據(jù)高端液壓支架大型結(jié)構(gòu)件的焊接工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合高強(qiáng)板焊接工藝要求，設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)合理、功能強(qiáng)大的變位夾緊裝置，以適應(yīng)自動(dòng)化焊接流水線的要求。該變位夾緊裝置是根據(jù)液壓支架頂梁、掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，具有裝卡方便、定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足機(jī)器人焊接時(shí)的定位要求；工作臺(tái)可繞軸360°翻轉(zhuǎn)，結(jié)實(shí)可靠，承載能力20t以上；旋轉(zhuǎn)定位裝置可以準(zhǔn)確地將工作臺(tái)定位在水平或垂直工位；推緊裝置配合夾緊裝置可實(shí)現(xiàn)工件的縱向推緊。

該裝置與自動(dòng)焊接工藝配合，實(shí)現(xiàn)高端液壓支架主要結(jié)構(gòu)件焊接的自動(dòng)化。該自動(dòng)化焊接流水線主要參數(shù)如下：

（1）每臺(tái)變位裝置配套4臺(tái)8軸機(jī)器人，焊接效率為人工的2倍。

（2）高端支架結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中，機(jī)器人焊接量≥70%。

（3）可焊接工件外形范圍為4 300mm×1 610 mm×600mm。

（4）機(jī)器人焊接速度為450mm／min，并可與變位裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

（5）焊接機(jī)器人具有良好的自糾偏功能，可自動(dòng)尋找焊縫起始點(diǎn)、自動(dòng)跟蹤焊縫，可解決工件鉚接偏差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多層多道焊接。

（6）變位裝置全液壓驅(qū)動(dòng)，泵站壓力16MPa，油泵電機(jī)7.5kW；變位裝置定位誤差≤0.5°。

圖1為機(jī)器人焊接變位裝置。變位夾緊裝置與機(jī)器人的布置如下：工作臺(tái)兩側(cè)各裝卡一個(gè)工件，使用4臺(tái)機(jī)器人同時(shí)施焊，通過(guò)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件各方向焊縫的焊接。焊接機(jī)器手經(jīng)過(guò)模擬和試驗(yàn)，選用了德國(guó)CLOOS的8軸機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找焊縫起始點(diǎn)、自動(dòng)跟蹤焊縫的功能。

圖1 機(jī)器人焊接變位裝置

3 實(shí)際應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其編程、找點(diǎn)、夾緊和工藝等進(jìn)行反復(fù)的摸索試驗(yàn)和操作者的強(qiáng)化培訓(xùn)，機(jī)器人自動(dòng)焊在支架結(jié)構(gòu)件焊接方面取得了很大的成果，具體如下：

3.1 工藝方面

根據(jù)現(xiàn)有焊接條件和機(jī)器人程序的運(yùn)行特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套與手工焊接順序不同的焊接工藝，以適應(yīng)機(jī)器人焊接。與手工焊接相比，該工藝減少了頂筋的數(shù)量，減小了焊接變形。

完成了大采高支架掩護(hù)梁、頂梁、單雙連桿、推移桿、柱窩等程序的編程及其調(diào)整，目前對(duì)機(jī)器人焊接支架結(jié)構(gòu)件框架的編程技術(shù)已經(jīng)成熟。

3.2 質(zhì)量方面

（1）支架頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿的焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，角焊縫焊接成型美觀，手工焊接無(wú)法與其媲美，同時(shí)由于機(jī)器人嚴(yán)格按照指定的程序操作，與手工焊接相比變形量較小。

（2）角焊縫質(zhì)量大大提高，以往人工焊接時(shí)，限于各人操作水平的不同以及人的情緒等人為因素，焊縫質(zhì)量不易保障，使用機(jī)器人焊接后，只要參數(shù)調(diào)定好，可以保證所有焊縫都達(dá)到一級(jí)水平。通過(guò)對(duì)機(jī)器人焊接樣件進(jìn)行拉力試驗(yàn)，完全符合焊接標(biāo)準(zhǔn)。

（3）受工件空間位置和拉筋的影響，機(jī)器人不能完成所有部位焊縫的焊接，需要人工對(duì)其不能焊接的焊縫和部位進(jìn)行補(bǔ)焊。

（4）目前對(duì)于坡口焊縫，由于下料機(jī)器人切割的坡口有誤差，導(dǎo)致焊接機(jī)器人跟蹤不準(zhǔn)，不能保證坡口焊縫焊接質(zhì)量。

3.3 效率方面

人工焊接時(shí)，為了焊接工件各位置的焊縫，需要來(lái)回翻轉(zhuǎn)工件達(dá)5、6次，每次翻轉(zhuǎn)都需要1名天車(chē)工和2名焊工輔助，每次耗時(shí)最少15min。該裝備的使用，減少了焊接過(guò)程中工件翻轉(zhuǎn)的時(shí)間，現(xiàn)在工件在變位裝置上翻轉(zhuǎn)一次的時(shí)間不到0.5min。

目前工件主要是靠變位機(jī)上的固定裝置來(lái)定位，工件重復(fù)定位很不精確，然而機(jī)器人默認(rèn)的坐標(biāo)系只與首件一致（要求定位誤差和變形的累計(jì)誤差小于5mm），這樣就存在焊接誤差，導(dǎo)致批量焊接過(guò)程中出現(xiàn)偏焊、撞槍等問(wèn)題，這些都影響焊接效率。

該裝備的使用，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了用工數(shù)量，以往一件工件的焊接需要兩個(gè)人，現(xiàn)在只要一人看守機(jī)器人，就能完成兩個(gè)工件的焊接，從而節(jié)省了成本。

該裝備的使用還大大改善了工人的作業(yè)環(huán)境，焊工不再需要緊貼工件作業(yè)，減輕了工人受到的焊接煙塵和高溫作業(yè)危害。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，該液壓支架自動(dòng)焊接工藝及裝備在金鼎公司已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了3年，取得了良好的效果，機(jī)器人自動(dòng)焊接的應(yīng)用，不但減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，而且保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的可靠性，受到車(chē)間工人的一致好評(píng)，充分展現(xiàn)了該自動(dòng)焊接工藝及裝備的優(yōu)越性。