全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)自動(dòng)化改造方案設(shè)計(jì)

任 燕

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009)

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全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)自動(dòng)化改造方案設(shè)計(jì)

任 燕

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009)

對(duì)全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)進(jìn)行自動(dòng)化改造方案設(shè)計(jì)。每套工作站雙工位，機(jī)械手和人工投料在兩工位間交替進(jìn)行。系統(tǒng)能夠滿足24小時(shí)雙工位連續(xù)作業(yè)工作能力，實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)自動(dòng)化。

焊接；機(jī)器人；自動(dòng)化改造

引言

某機(jī)械有限公司生產(chǎn)的全鋼型防護(hù)網(wǎng)大量應(yīng)用于建筑施工安全防護(hù)中。當(dāng)前，防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)主要依靠人工，存在焊接速度慢、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大且工作環(huán)境惡劣，不能快速應(yīng)對(duì)大批量訂單等實(shí)際困難。為了解決這些問(wèn)題，該公司特委托河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院柔性制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)進(jìn)行自動(dòng)化改造。

本技術(shù)方案基于焊接機(jī)器人，自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)思想如下：

(1)采用一臺(tái)機(jī)器人(機(jī)器人和行走機(jī)構(gòu))、雙工位、配置機(jī)器人焊接系統(tǒng)和變位機(jī)以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)要求。機(jī)器人外圍關(guān)鍵設(shè)備采用航插連接，方便安裝、運(yùn)輸與維護(hù)。

(2)工作站相對(duì)獨(dú)立，并通過(guò)生產(chǎn)線匹配的電、氣、水路接口聯(lián)系多個(gè)工作站進(jìn)行生產(chǎn)；工作站系統(tǒng)簡(jiǎn)潔實(shí)用，便于操作，易于維護(hù)，具有安全防護(hù)功能。

(3)設(shè)計(jì)多品種通用夾具，剛性好定位可靠，裝卸方便。

1.方案概述

全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)自動(dòng)化改造方案用于工件的自動(dòng)化焊接，設(shè)備需要滿足24小時(shí)雙工位連續(xù)作業(yè)工作能力。系統(tǒng)采用一臺(tái)MOTOMAN-MA2010機(jī)器人、雙工位變位機(jī)系統(tǒng)，全鋼型防護(hù)網(wǎng)網(wǎng)框的上下料采用人工裝夾：工人將網(wǎng)框工件放到變位機(jī)上，夾具定位夾緊，實(shí)現(xiàn)兩工位機(jī)器人自動(dòng)化焊接作業(yè)。全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)自動(dòng)化改造方案整體配置如圖1所示。

圖1 全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接作業(yè)自動(dòng)化改造方案整體配置

2.焊接作業(yè)要求

本方案適用于全鋼型防護(hù)網(wǎng)的焊接，網(wǎng)框主要由兩根 30×20×2 矩形管和五根 20×20×2 方形管組成(如圖2所示)，工件材料均為 Q235，七根方管結(jié)合處為主要焊接部位，網(wǎng)框共有 10 處焊點(diǎn)，其中焊點(diǎn) 1、焊點(diǎn) 5 和焊點(diǎn) 8 為完整的圓周焊縫，采用對(duì)接焊工藝；其余焊縫均需交叉或互補(bǔ)，采用角焊縫工藝。

圖2 網(wǎng)框外形圖

2.1 對(duì)工件的要求

(1)工件精度誤差、位置誤差、焊縫間隙誤差、工件的尺寸偏差不能超過(guò)±2mm。

(2)工件間隙不能超過(guò)±1mm。

(3)工件焊縫周圍10mm內(nèi)不能有影響焊接質(zhì)量的油、水分和氧化皮。

(4)工件上不能有影響定位的流掛和毛刺等缺陷。

2.2 焊接工藝

(1)采用單機(jī)器人加行走機(jī)構(gòu)雙工位焊接工作站結(jié)構(gòu)，工位與機(jī)器人呈平行擺放。焊接方式為機(jī)器人點(diǎn)焊、機(jī)器人滿焊。

(2)焊接方法采用熔化極MAG混合氣體保護(hù)焊接工藝，保護(hù)氣體為CO2。

(3)焊絲直徑為1.0mm或1.2mm，焊絲形式為桶裝或盤裝。

(4)工件裝卸方式為人工裝配，物流采用人工加小車的形式。

3.主要部件配置

機(jī)器人焊接工作站由一臺(tái)MOTOMAN-MA2010焊接機(jī)器人及其焊接組件、兩臺(tái)變位機(jī)和兩位工人組成，工人的主要職責(zé)是往工裝上裝夾工件，并給機(jī)器人發(fā)送焊接開(kāi)始信號(hào)。

3.1 機(jī)器人行走系統(tǒng)

機(jī)器人行走系統(tǒng)由機(jī)器人本體、控制柜、焊機(jī)、伺服電機(jī)等部分構(gòu)成，采用伺服電機(jī)做為動(dòng)力源，伺服電機(jī)配備增量式編碼器，保證機(jī)器人行走平穩(wěn)和定位準(zhǔn)確，定位精度可達(dá)到±0.1mm。該工作站選用的 MOTOMAN-MA2010 機(jī)器人是當(dāng)今世界最先進(jìn)的弧焊專用機(jī)器人，它與高性能的 DX200 控制柜及配備 5.7"LCD 彩色顯示觸摸屏的示教編程器的結(jié)合，提高了機(jī)器人的可操控性，使機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)更加完美。

MOTOMAN-MA2010 機(jī)器人具有更快的軸動(dòng)作速度，可搬質(zhì)量6KG，6軸垂直多關(guān)節(jié)型。輕型機(jī)體和具備軌跡精度控制及振動(dòng)抑制控制的DX200控制柜的有機(jī)結(jié)合，減弱了機(jī)器人啟動(dòng)和停止瞬間的顫動(dòng)，從而縮短了機(jī)器人的運(yùn)行周期。

MOTOMAN-MA2010將焊絲、焊槍電纜和冷卻水管內(nèi)藏于機(jī)器人手臂內(nèi)，消除了焊槍電纜與工件和周邊設(shè)備的干涉。沒(méi)有了電纜的干涉，可以實(shí)現(xiàn)以前被認(rèn)為比較困難的工件內(nèi)部焊接、連續(xù)焊接和圓周焊接。送絲機(jī)構(gòu)和焊槍電纜安裝在最佳位置，這些改進(jìn)提高了焊接質(zhì)量。

3.2 智能焊接機(jī)

智能焊接機(jī)廣泛應(yīng)用于各種碳鋼焊接加工領(lǐng)域：軌道交通、汽車、造船、鋼結(jié)構(gòu)、集裝箱、機(jī)械、五金等行業(yè)，工業(yè)重載惡劣環(huán)境作業(yè)首選。智能焊接機(jī)的特點(diǎn)如下：

(1)全電流領(lǐng)域電弧穩(wěn)定，飛濺小，同一臺(tái)焊機(jī)，既適于小電流打底焊接，也適合大電流高熔敷率工作。

(2)電弧集中、穿透力強(qiáng)。同樣的熔深，相比其他氣保焊機(jī)的熱量輸入降低20%以上，熱變形極小。

(3)智能焊接機(jī)采用熔滴縮頸檢測(cè)與控制微觀技術(shù)，在最后一滴熔滴過(guò)渡后迅速切斷輸出，焊絲根部無(wú)小球，大幅降低了高要求起弧的剪焊絲小球工作量，一次性起弧成功率極高，提高作業(yè)效率。

(4)該系列可選配開(kāi)通與機(jī)器人通訊連接功能，利用機(jī)器人數(shù)字接口可定制更多的焊接工藝與軟件升級(jí)。

3.3 焊接工裝

夾持工裝為氣動(dòng)及手動(dòng)相結(jié)合夾持方式，在操作人員可操作范圍之內(nèi)的夾具采用手動(dòng)裝置，可操作范圍之外的采用氣動(dòng)夾具。焊接夾具根據(jù)工件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造；夾具上所有定位銷和定位面均做淬火處理，增加硬度和耐磨性；夾具表面發(fā)黑處理，運(yùn)動(dòng)零件采用警戒色標(biāo)記。

焊接平臺(tái)要求具備足夠的剛性和耐磨性、抗震性，能夠連續(xù)穩(wěn)定工作；維護(hù)與保養(yǎng)要簡(jiǎn)單易行；標(biāo)準(zhǔn)模塊有直角塊、L形定位塊、U形定位塊定位。

3.4 變位機(jī)

變位機(jī)由動(dòng)力部分和隨動(dòng)部分兩部分組成。氣動(dòng)變位機(jī)使用氣缸作為動(dòng)力源，氣缸的電控閥與機(jī)器人輸出端連接，由機(jī)器人來(lái)控制翻轉(zhuǎn)臺(tái)在焊接面完成焊接操作后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能，即增加了翻轉(zhuǎn)臺(tái)使用壽命，又保證了傳動(dòng)的穩(wěn)定性；采用機(jī)械定位做為限位機(jī)構(gòu)，保證翻轉(zhuǎn)臺(tái)的重復(fù)定位精度和焊接過(guò)程中工件的平穩(wěn)性；輸出端采用螺孔定位板形式，使工裝夾具能夠?qū)崿F(xiàn)互換，保證設(shè)備在更換零部件后仍可繼續(xù)使用，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的功能。

4.系統(tǒng)功能

系統(tǒng)可以在機(jī)器人示教器上對(duì)焊接狀況和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并可隨時(shí)提取焊接記錄；對(duì)每種工件都可方便地設(shè)定焊接工藝及參數(shù)(焊接程序)，焊接程序可進(jìn)行儲(chǔ)存并被隨時(shí)調(diào)用；工作時(shí)按操作者選用的焊接程序完成工件的自動(dòng)焊接；在焊接中，可人為干預(yù)焊接，在焊接中途因故停止后，智能處理繼續(xù)焊接方式。

控制系統(tǒng)元器件、機(jī)器人、焊接電源等設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)診斷，提供故障信息，保障系統(tǒng)安全；設(shè)備多處設(shè)有緊急停止開(kāi)關(guān)，在緊急的情況下能立即停止設(shè)備的任何工作。

系統(tǒng)采用數(shù)字化處理，可通過(guò)通訊的方式和外界設(shè)備相連，所有數(shù)據(jù)均能遠(yuǎn)程存儲(chǔ)和查看。由于系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)連接，因此本系統(tǒng)具有很大擴(kuò)展性，為今后增加工位提高方便。

系統(tǒng)具有自動(dòng)保存和斷電記憶功能，系統(tǒng)參數(shù)一旦修改，本系統(tǒng)將立即進(jìn)行自動(dòng)保存，即使突然斷電，系統(tǒng)里的參數(shù)也不會(huì)丟失。

5.效益分析

本方案適應(yīng)目前智能裝備、工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢(shì)，符合國(guó)家、省市的扶持政策，而且可提升企業(yè)的制造層次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有許多優(yōu)勢(shì)，下面從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩方面分析。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

以單班8小時(shí)工作為例，每班兩個(gè)焊工，每個(gè)焊工工資0.6萬(wàn)元/月，12個(gè)月共計(jì)7.2萬(wàn)元/年；機(jī)器人工作站每班配備1名普工，每天24小時(shí)連續(xù)工作，需要配備普工3名。單臺(tái)機(jī)器人工作站48萬(wàn)元，按照8年使用壽命，維修及服務(wù)費(fèi)1萬(wàn)元/年，使用費(fèi)相當(dāng)于7萬(wàn)元/年；普工1名每月0.25萬(wàn)元，三班作業(yè)0.75萬(wàn)元，全年共計(jì)9萬(wàn)元。

根據(jù)調(diào)研情況，企業(yè)現(xiàn)在人工每天每組完成120套左右，而機(jī)器人工作站需要1.5分鐘，每班8小時(shí)可完成320套。考慮到與機(jī)器人配合普工的工間休息問(wèn)題，機(jī)器人工作站最少可完成200套。

使用機(jī)器人工作站替換人工后，單班使用成本將降低30.6%，雙班降低54.9%，三班降低63%。按照雙班工作制計(jì)算，每年節(jié)約投入資金15.8萬(wàn)元，三年即可收回機(jī)器人投入成本(48萬(wàn))。工作效率將提高270%。

本項(xiàng)目的開(kāi)展將提升企業(yè)高科技水平，有利于企業(yè)成功申報(bào)高新技術(shù)企業(yè)，并享受相應(yīng)的優(yōu)惠政策扶持。例如，申報(bào)高新企業(yè)，獲取稅費(fèi)減免；享受加計(jì)扣除優(yōu)惠政策；申請(qǐng)重大科研項(xiàng)目，獲取研發(fā)資金支持；申請(qǐng)技改資金；節(jié)約耗材，提高質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等。

5.2 社會(huì)效益

(1)焊接現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)人體的危害很大，機(jī)器人工作站可明顯減少對(duì)工人身體健康的影響。

(2)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有助于企業(yè)邁向高新企業(yè)行列，能夠提升企業(yè)形象和行業(yè)知名度，樹(shù)立企業(yè)品牌；同時(shí)，能夠吸引高技術(shù)人才進(jìn)駐企業(yè)，增強(qiáng)企業(yè)自己的科研力量，逐步壯大企業(yè)力量。

(3)能夠享受國(guó)家、省市政策的扶持等。

6.結(jié)束語(yǔ)

本方案焊接采用雙工位焊接，一邊焊接一邊取件與裝件，滿足24小時(shí)雙工位連續(xù)作業(yè)工作能力，能夠保證搬運(yùn)品質(zhì)的穩(wěn)定性、加快生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)量。機(jī)器人替代人工可以降低日益增長(zhǎng)的人工費(fèi)對(duì)產(chǎn)品成本的壓力。

[1]任燕.工業(yè)機(jī)器人在柔性生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015(10):86-88

[2]韓帥. 焊接機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究[J]. 科技展望. 2016(04)

[3]梁琦,陳文平.自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的相關(guān)優(yōu)化研究[J]. 焊接技術(shù). 2015(07)

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[5]李京,楊建東,田春林. 焊接自動(dòng)化技術(shù)研究[J].機(jī)械工程師.2013(12)

The Design of Welding Automation Transformation Project for All Steel Protective Net

REN Yan

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473009, China)

This paper is about the design of welding automation transformation project for all steel protective net. Each workstation has dual-operation position; the manipulator and workman are feeding the dual-operation position alternately. The system can meet the 24-hour dual-operation position working ability continuously and realize the welding automation transformation.

welding; robot; automation transformation

2016-06-17

任燕(1983- )，女，碩士，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，主要從事機(jī)器人技術(shù)、柔性制造等方面的研究。

TP242

A

1671-3974(2016)03-0065-03