凱勒特自動焊接工位的設(shè)計(jì)

陳倍穎

（凱勒特燃燒技術(shù)與設(shè)備（上海）有限公司，上海 201317）

1 焊接機(jī)器人簡介

目前主流焊接機(jī)器人品牌有ABB、方那科、松下和庫卡等。從技術(shù)層面上，機(jī)器人焊接可以完全取代手工焊接。焊接機(jī)器人的焊槍有氬弧焊機(jī)和氣保焊槍，可以輕松應(yīng)對平焊，對接焊，角焊等各種焊接要求。無論從機(jī)器人硬件上還是焊接軟件上，機(jī)器人焊接都已經(jīng)相當(dāng)成熟。最近幾年，焊接機(jī)器人已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品投入市場，在各大制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其是汽車行業(yè)、大型設(shè)備生產(chǎn)制造業(yè)都已基本取代了手工焊接。

1.1 機(jī)器人焊接的優(yōu)點(diǎn)

采用機(jī)器人焊接的焊接質(zhì)量穩(wěn)定，效率高，并且可以實(shí)現(xiàn)無人操作，保護(hù)工人免于職業(yè)病的侵害。

（1）焊接機(jī)器人可以在平面、弧面、球面等各種表面進(jìn)行焊接，也可以應(yīng)對不銹鋼、碳鋼等各種型材。機(jī)器臂為六軸關(guān)節(jié)，十分靈活，配合合適的工裝夾具完全可以滿足絕大部分作業(yè)要求。對于厚板焊接，機(jī)器人可以通過擺焊來達(dá)到焊接要求，無論是打底還是蓋面都能做的十分完美，從而把工廠從對資深焊工的需求中解放出來。對于薄板焊接，例如鋁合金板也可以輕松搞定，不會隨便焊穿。

（2）機(jī)器人焊接質(zhì)量穩(wěn)定，不需要休息，對作業(yè)環(huán)境要求低，完全可以24小時(shí)作業(yè)，從而提高工廠的生產(chǎn)效率。而且，一臺機(jī)器人往往可以等價(jià)于2～3個熟練焊工的勞動效率，可以大幅度節(jié)省人力資源，優(yōu)化工廠配置。

（3）機(jī)器人配合合理的工作站設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無人工廠，使得生產(chǎn)更加安全，極大的減少安全隱患。

1.2 機(jī)器人焊接的缺點(diǎn)

目前的焊接機(jī)器人還有以下幾個局限性：

（1）要求產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高。種類單一數(shù)量大的產(chǎn)品才能最大化地發(fā)揮機(jī)器人的效率。而對于小批量多品種的產(chǎn)品，對于機(jī)器人配套的工裝夾具設(shè)計(jì)的兼容性有很高的要求，這會增加設(shè)計(jì)成本和產(chǎn)品之間的換型時(shí)間，降低效率。而且，還需要場地去存放適用于不同產(chǎn)品的工裝夾具，每一次重新安裝夾具都需要矯正調(diào)試，對效率產(chǎn)生極大的影響。

（2）焊接姿勢上對立焊縫和仰焊還不太適用。這兩種姿勢會導(dǎo)致焊接時(shí)融透的金屬液體滴下，無法焊透母材，從而失去焊接效果，因此，在焊接時(shí)通常都要將工件躺倒平放。為了能一次性完成工件表面不同位置的焊接，通常需要選用二軸變位機(jī)或者設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的工作站，多臺焊接機(jī)器人配合使用。這樣會增加投資成本并降低效率。

（3）焊接作業(yè)前期的需要進(jìn)行編程，需要有經(jīng)驗(yàn)的焊接工程師負(fù)責(zé)。對于不同材質(zhì)和不同焊接要求的工件，適用什么焊接參數(shù)也需要不斷的嘗試。同時(shí)，還要跟生產(chǎn)工程師合作，對于原材料打坡口、是否留鈍邊等都有一定的要求，也要一同嘗試。調(diào)試過程少則幾小時(shí)，多則幾天甚至半個月，也會在一定程度上影響生產(chǎn)進(jìn)度。

2 項(xiàng)目背景及要求

凱勒特燃燒技術(shù)與設(shè)備（上海）有限公司（以下簡稱凱勒特）自2015年起就開始做市場調(diào)研，走訪具有自動焊接經(jīng)驗(yàn)的工廠，實(shí)施自動焊接生產(chǎn)改造升級。擬新建一個側(cè)壁燃燒器的機(jī)器人自動化焊接工作站，以機(jī)械取代人工，通過自動化生產(chǎn)形式來實(shí)現(xiàn)整個燃燒器側(cè)壁管件制造工藝整體優(yōu)化，縮短制造時(shí)間，提高焊接質(zhì)量，同時(shí)降低生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。該工位要能夠?qū)崿F(xiàn)3寸以下法蘭與管道、管道和管道之間對接焊接要求，從而最終達(dá)到提高勞動效率30%，擴(kuò)大年產(chǎn)量的目標(biāo)。

2.1 設(shè)計(jì)輸入

凱勒特需要在初期明確項(xiàng)目的具體要求和希望達(dá)到的效果，并提供明確的設(shè)計(jì)范圍、產(chǎn)品圖紙資料、成品照片、產(chǎn)品外形尺寸范圍、具體工藝參數(shù)要求及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等書面資料。

凱勒特提供的資料包括如下信息：

（1）所有圖紙及半成品圖。

（2）保證工件一致性良好，來料需滿足以下要求：a.工件表面不得有影響焊接質(zhì)量的油銹、水份等；b.工件不得有影響定位的毛刺等；

c.水平角焊焊接姿態(tài)下，工件裝配后工件之間的組對間隙精度不大于1.5mm，可以正常進(jìn)行焊接；若組對間隙在1.5～3.0mm，也可進(jìn)行焊接，但焊后焊縫大小一致性將會偏差1.5～3.0mm；立焊狀態(tài)下組對間隙小于1.0mm；

d.環(huán)形坡口對接焊，焊接要求單面焊雙面成型時(shí)，破口不留鈍邊，組對時(shí)要求不留間隙，同時(shí)工件的圓度≤1.5mm，背面成型的焊縫余高的一致性將會偏差0～ 1.2mm；

e.使用低壓尋位的情況下，工件位置一致性偏差不大于10mm；使用尋位對于對接坡口形式的焊道，可以起到改善焊縫質(zhì)量，但板厚≤5.0mm的對接坡口焊道，坡口的一致性要求≤2.0mm；若為提高效率，不使用尋位的情況下，工件一致性精度不大于1.0mm。

（3）提供焊接的具體位置及焊接相關(guān)工藝要求，以及產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（以質(zhì)量部檢驗(yàn)文件為準(zhǔn)）。

（4）提供廠房平面布局圖紙、電源配置圖、氣路圖。（5）提供焊接所需的氣體。

（6）能夠?yàn)榧缮淌┕ふ{(diào)試提供必要的協(xié)助，比如吊裝輔助、搬運(yùn)輔助。

2.2 設(shè)計(jì)輸出

集成商需要認(rèn)真研讀凱勒特提出的設(shè)計(jì)要求及所有技術(shù)圖紙資料，完全領(lǐng)悟后進(jìn)行需求分析和概要設(shè)計(jì)。經(jīng)與凱勒特討論溝后進(jìn)行方案細(xì)化設(shè)計(jì)，提供動畫演示和實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證方案的可行性，并辨識主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難點(diǎn)，從而作出相應(yīng)的解決措施。在凱勒特認(rèn)可后進(jìn)行最終的施工設(shè)計(jì)，提供所有設(shè)備選型清單和施工圖紙，并負(fù)責(zé)項(xiàng)目采購、安裝、調(diào)試及投產(chǎn)全過程，對項(xiàng)目進(jìn)展把控并對最終效果負(fù)責(zé)。

集成商的最終設(shè)計(jì)方案和工裝夾具，必須能夠適用于凱勒特所提供圖紙的全部產(chǎn)品，并具備以后產(chǎn)品升級改裝能力。

集成商最終提交的成果清單為：

（1）完整的側(cè)壁管件焊接工位設(shè)計(jì)方案，包含布局、設(shè)備選型、工位內(nèi)物流方式、電氣系統(tǒng)、員工操作系統(tǒng)、安全圍欄、焊煙處理以及配套電氣/氣路要求等；

（2）完整的設(shè)備選型清單，包含設(shè)備品牌、主要參數(shù)、數(shù)量、電源/氣源要求等；

（3）項(xiàng)目整體進(jìn)度計(jì)劃表；（4）日常維修保養(yǎng)計(jì)劃；

（5）備品、備件數(shù)量及清單；

（6）員工培訓(xùn)計(jì)劃；

（7）簡單故障處理說明和日常操作手冊。

3 設(shè)計(jì)介紹

3.1 設(shè)計(jì)概要

新建一個燃燒器側(cè)壁管件機(jī)器人自動焊接工位，以機(jī)械代替人工。工位內(nèi)部布局設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及其配套、工裝夾具的設(shè)計(jì)選用、工作臺的設(shè)計(jì)、員工操作安全保護(hù)及焊煙處理以及工件物流路徑規(guī)劃等，均屬于集成商設(shè)計(jì)范疇。

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

工位內(nèi)所有工作的安全、穩(wěn)定性必須滿足霍尼韋爾的HsE相關(guān)要求，不能影響凱勒特對國內(nèi)安全法規(guī)的符合性；

工位布局合理，有效利用空間；

實(shí)現(xiàn)由人工裝卸工件，機(jī)器人完成自動焊接動作，機(jī)器人工作期間員工僅在安全圍欄外對設(shè)備進(jìn)行操作；

提高焊接成品一致性和焊接質(zhì)量；

縮短工序的節(jié)拍時(shí)間，提高單日產(chǎn)量。

3.3 整體布局

工位內(nèi)配備一臺1.4米的焊接機(jī)器人，一個雙軸聯(lián)動焊接變位機(jī)，一臺工件裝卸輔助小車，和配套的電氣控制柜、電源等。平面布局圖如圖1所示。

整個工位的相關(guān)動作為：

由AGV小車將側(cè)壁管件運(yùn)至工位指定位置；

由人工將待焊接件搬運(yùn)到裝卸輔助小車上，移動到焊接變位機(jī)前，并裝夾在焊接變位機(jī)上；

由焊接機(jī)器人對管件進(jìn)行焊接，人工在安全護(hù)欄之外；

焊接完畢后，由人工將焊成品卸到輔助小車，并移動、搬運(yùn)到AGV運(yùn)輸小車上；

成品由AGV小車運(yùn)至指定位置。

圖1 側(cè)壁管件焊接機(jī)器人工作站

備注：此工作站滿負(fù)荷運(yùn)行總功率為30kW，總電流為136A，銅芯電纜為50mm2。

3.4 工人操作說明

工人所有的操作都在安全圍欄外的工位預(yù)約按鈕上進(jìn)行，在機(jī)器人動作的時(shí)候不得進(jìn)入工位。具體操作步驟如下：

（1）工人檢查現(xiàn)場設(shè)備，確認(rèn)無安全隱患后上電開機(jī)；

（2）按“啟動”按鈕，系統(tǒng)完成初始化、使能等步驟；

（3）工作人員在安全圍欄內(nèi)，將工件固定到輔助小車，工人移動輔助小車并將工件準(zhǔn)確安裝到變位機(jī)的夾具上，確認(rèn)工件定位準(zhǔn)確，手動操作卡盤夾緊。按“待焊”按鈕，機(jī)器人開始對工件進(jìn)行焊接；焊接完成后，取下工件，再重新安裝工件，依次循環(huán)；

（4）系統(tǒng)依次循環(huán)。

3.5 主要設(shè)備說明

3.5.1 焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人選型為松下TM-1400，最大動作范圍1437mm；焊接電源選用松下超低飛濺焊機(jī)350GsHNE；焊槍選用松下350A空冷焊槍。

3.5.2 工裝夾具

工裝夾具為氣動卡盤方式，如圖2所示，可以適應(yīng)如表1所示產(chǎn)品所有規(guī)格。

圖2 工裝夾具示意圖

工裝夾具采用物流運(yùn)輸車與夾具夾持工件在同一高度，解決了客戶現(xiàn)場的工件搬運(yùn)距離問題。同時(shí)，變位機(jī)上的氣動卡盤采用了氣動夾緊方式，減輕工人裝夾的勞動強(qiáng)度。

3.5.3 系統(tǒng)電氣控制設(shè)備

控制系統(tǒng)要求：TM-1400連接原理如圖3所示。

圖3 電氣控制示意圖

外圍設(shè)備要求：按鈕盒1個（帶啟動鍵、1暫停、1急停及1個主程序啟動等）；三色指示燈1個（黃綠紅）；防護(hù)光簾一套、光電安全門一套。

3.5.4 變位機(jī)設(shè)備

3.6 集成商供貨范圍

圖4為變位機(jī)示意圖，表1為設(shè)備清單。

圖4 變位機(jī)示意圖

表1 設(shè)備清單

3.7 集成商需滿足的安全要求

新的工位設(shè)計(jì)方案、施工過程和最終成品，均需要滿足凱勒特在安全方面的相關(guān)條例和文件要求。常規(guī)要求如下：

1）工位內(nèi)噪音必須低于60dB；

2）工位內(nèi)必須具有焊接煙塵收集處理裝置；

3）工位內(nèi)機(jī)器人活動范圍和人的活動范圍之間，必須有安全圍欄隔離；

4）工位內(nèi)所有的人機(jī)操作平臺，必須考慮人機(jī)工程學(xué)；

5）工位屏風(fēng)需考慮一定的耐火等級和防弧光作用，并提供相應(yīng)的資質(zhì)證書；

6）在機(jī)器人工作期間，如果有人打開安全圍欄機(jī)器，必須立刻停機(jī)。

3.8 凱勒特需滿足的基礎(chǔ)設(shè)施要求

凱勒特現(xiàn)場公共設(shè)施及安全要求包括但不限于如下信息：

1）廠房平面布局圖紙，用于布局機(jī)器人位置和控制柜位置；

2）電源要求：三相380V，50Hz+地線，總功率30kW；

3）接地要求：每臺機(jī)器人一級接地；

4）溫度要求：0～45℃；

5）周圍濕度要求:一般不高于75%RH，無結(jié)霜；

6）震動要求：不大于0.5G；

7）其他：強(qiáng)無線電等干擾不小于EMC等級3級；

8）工廠標(biāo)準(zhǔn)0.5～0.7MPa氣壓管接口及保護(hù)氣體（98%氬氣+2%二氧化碳）一處。

9）安全要求：機(jī)器人工作范圍附近設(shè)置封閉式安全圍欄；禁止操作者以外人員進(jìn)入，機(jī)器人工作期間，禁止操作者進(jìn)入機(jī)器人工作范圍內(nèi)；物流只能轉(zhuǎn)運(yùn)工件到機(jī)器人封閉安全圍欄外，機(jī)器人焊接完成一個工件時(shí)，由機(jī)器人操作者將焊接完成工件取下，轉(zhuǎn)運(yùn)到機(jī)器人安全圍欄外，再將待焊工件轉(zhuǎn)運(yùn)到變位機(jī)上安裝，在這一段物流轉(zhuǎn)運(yùn)期間，機(jī)器人不進(jìn)行工作。

10）凱勒特安裝機(jī)器人的場地，需按照集成商提供的圖紙（附件布局圖紙）進(jìn)行場地準(zhǔn)備，必須保證三相380V電源接頭，同時(shí)凱勒特應(yīng)提供施工過程中需要用到的相應(yīng)輔助設(shè)備。

表2 吊裝設(shè)備清單

3.9 主要技術(shù)指標(biāo)說明

凱勒特需在集成商設(shè)備到廠前，準(zhǔn)備好焊接工藝試板，而工藝試板圖紙需由集成商提供。同時(shí)，凱勒特提供焊接要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，集成商根據(jù)凱勒特焊接要求進(jìn)行試板焊接。試板焊接完成后，由凱勒特品控部門相關(guān)人員進(jìn)行工藝評定；集成商在凱勒特對試板工藝評定合格后，集成商開始調(diào)試產(chǎn)品試焊。

4 結(jié)束語

自動焊接取代手工焊接是大勢所趨，有越來越多的集成商和咨詢公司可以為中小企業(yè)提供完整的解決方案，讓企業(yè)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級換型，提高效率、穩(wěn)定質(zhì)量、降低成本，達(dá)到更高的投入產(chǎn)出比，加速實(shí)現(xiàn)中國制造2025的宏偉藍(lán)圖。