用于帶式輸送機(jī)機(jī)身件的自動(dòng)化焊接工作站研發(fā)

付瑞芳

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 機(jī)電廠, 山西 太原 030053)

帶式輸送機(jī)具有長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量、連續(xù)輸送等優(yōu)點(diǎn)，且運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，是煤礦最為理想的高效連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備。機(jī)身件作為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)闹纬休d部分主要由上托輥架、縱梁、H支架等組成，是整機(jī)最大的批量結(jié)構(gòu)件部分。目前因傳統(tǒng)焊接工藝生產(chǎn)過程中存在制約因素，機(jī)身件產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，且生產(chǎn)效率低,難以保證產(chǎn)品工期。為此需要改變傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程，研發(fā)帶式輸送機(jī)機(jī)身件自動(dòng)化焊接工作站,以降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

1 研發(fā)原則

研究過程遵循以靈活、合理的生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ),高技術(shù)、高質(zhì)量、高效益為制造方針，以滿足需要、安全可靠、優(yōu)化合理為標(biāo)準(zhǔn)的原則,以經(jīng)濟(jì)實(shí)用為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則化，對(duì)H架、托輥架的結(jié)構(gòu)特性及其部件形狀進(jìn)行分析研究。研發(fā)該工作站所需功能部件：搬運(yùn)、焊接、變位、夾持、定位等。

2 批量機(jī)身件生產(chǎn)工藝的確定

不同帶式輸送機(jī)對(duì)機(jī)身件的焊縫長(zhǎng)度、跨度、焊角高度、原材料厚度等要求不同，但其零部件均為左右對(duì)稱設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)尺寸對(duì)稱，適合開發(fā)一定模式的自動(dòng)焊接工裝設(shè)備，故而改變生產(chǎn)工藝。

原生產(chǎn)工藝：人工點(diǎn)裝—人工焊接—人工整形—噴涂—出廠

現(xiàn)生產(chǎn)工藝：人工上件—工裝固定—自動(dòng)焊接—噴涂—出廠

機(jī)身件中H架見圖1，主要由支座、支腿、左右托輥架、橫管、撐管、底板、筋板、吊鉤、掛環(huán)等組成；上托輥架部件見圖2，由邊支柱、中支柱、橫梁、連接板等組成。

圖1 H架實(shí)體示例圖

圖2 上托輥架實(shí)體示例圖

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)圖紙，通過CAD實(shí)體建模，經(jīng)測(cè)量確定結(jié)構(gòu)件理論工藝尺寸，對(duì)兩類結(jié)構(gòu)件焊接工藝及焊縫參數(shù)進(jìn)行了分析，確定了各類結(jié)構(gòu)件的焊縫長(zhǎng)度、跨度等范圍指標(biāo)，見表1.

3 焊接方法的確定

3.1 焊接方法

根據(jù)被焊工件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和焊接性能要求選擇焊接方法。CO2氣體保護(hù)焊接屬于熔化極氣體保護(hù)焊，可以得到穩(wěn)定的熔滴過渡，實(shí)現(xiàn)低飛濺焊接。在焊接電流范圍條件下，都可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電弧過渡[1]. CO2氣體保護(hù)焊不僅焊接效率高，且成本相對(duì)于其他氣體保護(hù)焊較低，同時(shí)相對(duì)來說對(duì)被焊工件的組對(duì)要求不高，故選用CO2氣體保護(hù)焊。

表1 結(jié)構(gòu)件技術(shù)要求參數(shù)范圍表

3.2 焊接參數(shù)

根據(jù)表1以及對(duì)被焊工件的焊接技術(shù)要求，確定CO2保護(hù)焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓21～22 V、焊接電流160～170 A、焊接速度350～500 mm/min.

3.3 焊接方式

設(shè)置自動(dòng)焊接方式，采取多點(diǎn)點(diǎn)裝、同時(shí)焊接的生產(chǎn)原理，采用CO2氣體保護(hù)焊，進(jìn)行自動(dòng)化焊接[2].

焊接時(shí)，被焊接零部件置于工件定位臺(tái)對(duì)應(yīng)部位，通過外部按鈕啟動(dòng)設(shè)備，搬運(yùn)機(jī)器臂利用抓手工裝將被焊接零部件依次抓取安裝到對(duì)應(yīng)焊接工裝夾具的相應(yīng)位置(部分被焊接工件需要抓手處于夾持狀態(tài)焊接)，選擇相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，弧焊機(jī)器臂通過PLC編程進(jìn)行自動(dòng)焊接。

3.4 焊接順序

根據(jù)機(jī)身件結(jié)構(gòu)特征，設(shè)定焊接動(dòng)作順序,均為先固定中間部件，左右邊部件依次固定焊接。具體操作步驟如下：

焊接復(fù)位(弧焊、搬運(yùn)機(jī)器臂原點(diǎn))→搬運(yùn)機(jī)器臂把工件搬運(yùn)到工裝夾具上→工件找正→啟動(dòng)弧焊懸臂到工件焊接部位→下降懸臂使焊槍接近焊縫→焊槍與焊縫位置的誤差通過手動(dòng)三維調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)→啟動(dòng)焊接開關(guān)開始焊接(或擺動(dòng)焊接)→第一條焊縫焊接完成后→收弧提起焊槍→高速回車至起始焊接位置→第二層焊縫開始焊接……，至最后一道焊縫焊接結(jié)束→升起懸臂并后退至原位→搬運(yùn)換新工件→重復(fù)上述過程。

4 焊接工作站的設(shè)計(jì)及組成

根據(jù)所需動(dòng)作功能，自動(dòng)化焊接工作站必須具備：弧焊機(jī)器臂、搬運(yùn)機(jī)器臂、焊接電源、頭尾架變位裝置、上料工件定位臺(tái)、焊接夾具、變位夾具、清槍站、系統(tǒng)PLC集成控制柜等，見圖3. 外形尺寸：長(zhǎng)6 350 mm×寬6 460 mm×高2 700 mm.

圖3 工作站組成部件位置示意圖

弧焊機(jī)器臂：編制焊接順序，設(shè)置焊接工藝參數(shù)，承擔(dān)部件點(diǎn)裝固定及焊接。

搬運(yùn)機(jī)器臂：編制搬運(yùn)順序，固定部件焊接位置。同時(shí)承擔(dān)部件在焊接工作過程中的運(yùn)輸。

焊接電源：動(dòng)力。

頭尾架變位裝置：固定焊接工裝夾具位置，旋轉(zhuǎn)焊接夾具，達(dá)到焊接位置要求。

上料工件定位臺(tái)：固定零部件起始位置，作為機(jī)器臂運(yùn)行零部件的起始原點(diǎn)。

焊接夾具：可調(diào)節(jié)跨度焊接工裝夾具。

變位夾具：360度旋轉(zhuǎn)焊接變位夾具。

清槍站：清除焊槍焊渣等。

系統(tǒng)PLC集成控制柜：焊接與搬用相融合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。滿足不同工裝夾具及不同上料臺(tái)氣動(dòng)設(shè)備所有IO點(diǎn)的控制。通過數(shù)字化電源內(nèi)設(shè)的焊接專家參數(shù)，選擇焊接工藝參數(shù)、設(shè)置參數(shù)。幫助焊接工作站焊接時(shí)實(shí)現(xiàn)不同焊接層數(shù)、不同焊接參數(shù)的自動(dòng)切換，即根據(jù)生產(chǎn)需求，設(shè)置技術(shù)要求不同的焊接電流、電壓、速度、焊槍擺動(dòng)寬度、提升高度，焊縫長(zhǎng)度等。

物流小車：成品運(yùn)輸。

5 焊接過程中工位、工裝夾具的確定與設(shè)計(jì)

5.1 工位確定

工作站采用弧焊機(jī)器臂工位+搬運(yùn)機(jī)器臂工位+工裝夾具，通過PLC控制柜對(duì)機(jī)器臂、頭尾架變位裝置、產(chǎn)品可調(diào)節(jié)焊接工裝夾具(變位夾具)相協(xié)調(diào)動(dòng)作，以上料工件定位臺(tái)固定零部件起始位置，作為機(jī)器臂運(yùn)行零部件的起始原點(diǎn)，完成整個(gè)焊接過程。

5.2 工裝夾具的設(shè)計(jì)

引進(jìn)的弧焊、搬運(yùn)機(jī)器臂工作過程中需要有精確的原始定位。若被焊件無定位緊固，無精確起始定位，機(jī)器臂無法獨(dú)立完成整個(gè)生產(chǎn)過程。同時(shí)機(jī)身被焊件焊縫大多為對(duì)接角焊縫，焊縫不集中，分布位置復(fù)雜，且弧焊、搬運(yùn)機(jī)器臂因其本身結(jié)構(gòu)布置特征無法進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，故會(huì)造成被焊件部分位置在施焊后存在漏焊、流坡焊等現(xiàn)象，焊接質(zhì)量得不到保證，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)搬運(yùn)機(jī)器臂不能固定夾持某一零部件，需依次進(jìn)行零件夾持動(dòng)作。為解決上述難題，在對(duì)機(jī)身件結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，考慮將被焊工件放在與機(jī)器臂相協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的工裝夾具上，通過系統(tǒng)控制工裝夾具的位置進(jìn)行變換及定位，配合機(jī)器臂動(dòng)作，完成被焊件的零部件鉚接點(diǎn)裝、焊接工序。故需設(shè)計(jì)頭尾架變位裝置、上料工件定位臺(tái)、產(chǎn)品可調(diào)節(jié)焊接工裝夾具和變位夾具及物流小車等輔助裝置，以便配合弧焊機(jī)器臂、搬運(yùn)機(jī)器臂在施焊時(shí)定位準(zhǔn)確，焊縫連續(xù)，達(dá)到圖紙技術(shù)要求，完成該工作站所需功能。

1) 頭尾架變位裝置。

根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)對(duì)稱，需要四方位焊接的特點(diǎn)，將此裝置設(shè)計(jì)成快換式標(biāo)準(zhǔn)接口，見圖4，滿足所有焊接工裝夾具與變位夾具的共用和互換安裝。零部件工藝位置在焊接工裝夾具上確定的同時(shí)，固定焊接工裝夾具位置，旋轉(zhuǎn)焊接夾具，達(dá)到焊接位置要求。

圖4 快換式標(biāo)準(zhǔn)接口圖

2) 上料工件定位臺(tái)。

據(jù)零部件結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)工件定位卡具。通過對(duì)零部件外廓尺寸的計(jì)算和對(duì)弧焊、搬用機(jī)器臂的運(yùn)行設(shè)計(jì)路線，精確定位零部件在上料臺(tái)上的位置。根據(jù)不同形狀的零部件，設(shè)計(jì)固定卡具，固定零部件起始位置及方向作為機(jī)器臂動(dòng)作運(yùn)行的起始位置原點(diǎn)。定位臺(tái)上的所有定位卡具設(shè)計(jì)均采取銷定位，螺絲緊固方式。更換方便，調(diào)整靈活，定位準(zhǔn)確。上料工件定位臺(tái)外形及安裝尺寸一致，滿足不同產(chǎn)品上料臺(tái)之間的快換安裝。上料工件定位臺(tái)工件擺放示意圖見圖5.

圖5 上料工件定位臺(tái)工件擺放示意圖

3) 焊接工裝夾具和變位夾具的設(shè)計(jì)。

對(duì)機(jī)器臂工作范圍進(jìn)行確認(rèn)：弧焊機(jī)器臂和搬用機(jī)器臂可以在跨距3 000 mm范圍內(nèi)進(jìn)行焊接與搬運(yùn)活動(dòng)。因H架、托輥架中間跨度最大為1 606 mm，所以弧焊機(jī)器臂和搬用機(jī)器臂滿足生產(chǎn)需求。

各型帶式輸送機(jī)的H架、托輥架產(chǎn)品特征：整體結(jié)構(gòu)相似、零部件外形相似、中間跨度不同、左右零部件高低不同、邊部件左右對(duì)稱布置于中間部件。

根據(jù)設(shè)定的焊接動(dòng)作順序：先固定中間部件，左右邊部件依次固定焊接于中間部件上。由于中間部件需要固定位置后作為焊接基準(zhǔn)，其他零部件根據(jù)其與中間部件的連接位置依次進(jìn)行固定焊接。再因邊部件左右對(duì)稱布置于中間部件上，其高度不同，但彼此連接，高度范圍包括在機(jī)器臂工作范圍內(nèi)，故可以不考慮左右零部件高度。因此只需要根據(jù)產(chǎn)品的中間跨度，設(shè)計(jì)中間部件支撐裝置—可調(diào)節(jié)焊接工裝夾具。

可調(diào)節(jié)焊接工裝夾具整體外形跨距均為3 000 mm,通過快換式標(biāo)準(zhǔn)接口連接，安裝在頭尾架變位裝置上。采用電氣自動(dòng)控制頭尾架變位裝置達(dá)到控制焊接工裝夾具的位置，根據(jù)產(chǎn)品工件跨度距離夾持零部件進(jìn)行組點(diǎn)焊接。

焊接夾具設(shè)計(jì)包括公共底梁、支柱抱緊機(jī)構(gòu)、支柱定位機(jī)構(gòu)、底板定位機(jī)構(gòu)、橫梁夾緊機(jī)構(gòu)等，使用時(shí)不受焊接產(chǎn)品限制，共用性強(qiáng)。可以根據(jù)所焊接產(chǎn)品對(duì)應(yīng)切換所需型號(hào)的工裝夾具。按照產(chǎn)品零部件相應(yīng)焊接順序安裝于相應(yīng)定位機(jī)構(gòu)處，通過機(jī)構(gòu)上相應(yīng)定位點(diǎn)進(jìn)行定位、夾緊，完成產(chǎn)品零部件技術(shù)工藝組對(duì)環(huán)節(jié)，鉚接、焊接工序一次完成。

a) 托輥架焊接工裝夾具。采用可調(diào)節(jié)原則設(shè)計(jì)框架式夾具。將電磁閥加裝在可調(diào)節(jié)框架式夾具焊接工裝的零件定位塊上方，利用電氣自動(dòng)控制的電磁閥動(dòng)作夾持中間部件固定其位置，依次完成焊接動(dòng)作。滿足跨距3 000 mm范圍內(nèi)的所有托輥架結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品，見圖6.

圖6 托輥架焊接工裝夾具上的實(shí)體建模圖

b) H架焊接工裝夾具。采用可調(diào)節(jié)原則設(shè)計(jì)單梁式夾具。將電磁閥加裝在可調(diào)節(jié)單梁式夾具焊接工裝的零件定位塊上方，利用電氣自動(dòng)控制的電磁閥動(dòng)作夾持中間部件固定其位置，依次完成焊接動(dòng)作。滿足跨距3 000 mm范圍內(nèi)的所有H架結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品，見圖7.

圖7 H架在H架焊接工裝夾具上的實(shí)體建模圖

c) 變位夾具。采用機(jī)電聯(lián)合變位機(jī)構(gòu)滿足不同位置焊縫要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行變位焊接，變位回轉(zhuǎn)半徑650 mm.

變位機(jī)制通過快換式標(biāo)準(zhǔn)接口固定變位夾具進(jìn)行定位，滿足不同焊縫傾角的定位功能，由不同的支撐塊實(shí)現(xiàn)角度的定位功能，保證焊接傾角及零部件安裝位置角度的要求。

變位夾具滿足跨距3 000 mm范圍內(nèi)各型托輥架、H架被焊產(chǎn)品的共用變位焊接。

將電磁閥加裝在變位夾具焊接工裝的零件定位塊上方，利用電氣自動(dòng)控制的電磁閥動(dòng)作夾持中間部件固定其位置，依次完成焊接動(dòng)作。礦用1.2 m標(biāo)準(zhǔn)帶式輸送機(jī)的H架在變位夾具上的實(shí)體建模圖見圖8.

圖8 H架在變位夾具上的實(shí)體建模圖

4) 機(jī)器臂抓手的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

人工將組成機(jī)身件的零部件置于工件定位臺(tái)對(duì)應(yīng)部位，搬運(yùn)機(jī)器臂利用抓手抓取工件放置到焊接工裝夾具或變位夾具上進(jìn)行裝件，經(jīng)過弧焊機(jī)器臂焊接完成后，搬運(yùn)機(jī)器臂帶動(dòng)抓手自動(dòng)抓取成品置于成品物流小車上完成焊接任務(wù)。

在搬運(yùn)機(jī)器臂執(zhí)行抓取操作過程中，原搬運(yùn)機(jī)器臂的抓手為吸力25 kg的圓形磁力塊，執(zhí)行抓取操作不穩(wěn)定。原因：a) 依靠磁力塊自身磁力對(duì)零部件吸附抓取,要求零部件尺寸精度在±0.5 mm之間、表面粗糙度達(dá)到50，且對(duì)零部件直邊平行度、垂直度等要求極高。帶式輸送機(jī)H架、托輥架零部件均為粗加工半成品，粗加工尺寸誤差在±1 mm，且大部分為原材料直接生產(chǎn)，不進(jìn)行表面加工，故會(huì)存在銹蝕現(xiàn)象。該抓手吸附部件在遇到零部件銹蝕、超過±0.5 mm尺寸誤差、表面平行度及垂直度有誤差時(shí)，吸力不足，造成零部件在抓取過程中掉落、點(diǎn)裝位置錯(cuò)移、焊接位置偏離。b) 機(jī)身件中的中間部件大多為角鋼或鋼管，具有一定的長(zhǎng)度，部分中間部件質(zhì)量超過圓形磁力塊的吸力，故在抓取過程中出現(xiàn)掉落、滑落、位置錯(cuò)移、焊接偏離等現(xiàn)象，且中間部件脫落可能造成設(shè)備損壞等安全事故。

為解決搬運(yùn)機(jī)器臂無法穩(wěn)定運(yùn)行執(zhí)行操作的問題，對(duì)原搬運(yùn)機(jī)器臂抓手進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。根據(jù)各零部件形狀，采用V型定位原理設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)自動(dòng)抓手工裝(圖9). 可調(diào)節(jié)自動(dòng)抓手工裝根據(jù)零部件形狀?yuàn)A持要求的不同，設(shè)計(jì)兩種抓取結(jié)構(gòu)：兩桿、四桿抓手結(jié)構(gòu)。

圖9 四桿抓手結(jié)構(gòu)示意圖

兩桿結(jié)構(gòu)與四桿結(jié)構(gòu)類似，都是利用電磁閥操縱兩桿、四桿連鎖機(jī)構(gòu)，使之達(dá)到自由活動(dòng)。零部件在桿端V型定位中采取自由滑落，卡到V型之中，使得零部件在抓取運(yùn)送過程中，牢固可靠，位置準(zhǔn)確。該抓取工裝的改進(jìn)設(shè)計(jì)不僅消除了零部件脫落、滑落的安全隱患，而且彌補(bǔ)了被焊件焊接位置偏移、焊縫偏離的焊接缺陷，使搬用機(jī)器臂發(fā)揮最大的作用，滿足對(duì)其的性能需求。

6 電氣控制及安全裝置系統(tǒng)的確定

電氣控制及安全裝置全系統(tǒng)集成采用數(shù)字化處理，可通過通訊的方式和外界設(shè)備相連，程序間配置傳感器檢測(cè)動(dòng)作信號(hào)，程序動(dòng)作順序互鎖，保證安全及可靠性。在系統(tǒng)中設(shè)置一系列檢測(cè)裝置和系統(tǒng)反饋裝置。發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)并且操作面板上指示燈亮，同時(shí)自動(dòng)停焊﹑停機(jī)。

設(shè)備設(shè)有緊急停止開關(guān)，在緊急的情況下能立即停止設(shè)備的任何工作。設(shè)有紅(設(shè)備報(bào)警或故障)、黃(設(shè)備暫停)、綠(設(shè)備正在運(yùn)行)3種指示，并安裝在設(shè)備明顯位置。

配置多向功能，增加始端檢測(cè)、電弧跟蹤等系列外設(shè)軟件，解決了由于板料下料偏差、鑄件偏差等因素而引起的焊接質(zhì)量不佳的問題，增強(qiáng)使用功能性。

7 實(shí)施效果

該自動(dòng)化焊接工作站投入使用以來，機(jī)電一體智能化聯(lián)合協(xié)調(diào)作業(yè)，電流、電壓以及送絲裝置的全數(shù)字控制使機(jī)械結(jié)構(gòu)與機(jī)器臂實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)機(jī)身件焊接功能。工作過程中部件定位準(zhǔn)確，動(dòng)作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，焊件成型好、飛濺低、工作效率高。達(dá)到機(jī)身結(jié)構(gòu)件鉚接點(diǎn)裝、焊接工序一次成型，消除焊接變形，機(jī)器代人等目的。焊縫一次性探傷合格率達(dá)100%，產(chǎn)品工藝尺寸符合產(chǎn)品圖紙技術(shù)要求，質(zhì)量得到保證，滿足生產(chǎn)需求。

8 結(jié) 論

研發(fā)的用于帶式輸送機(jī)機(jī)身件的焊接工作站自動(dòng)化作業(yè)安全可靠、高效節(jié)能、環(huán)保、智能，維護(hù)量少，人力、物力成本低，系統(tǒng)噪音小，人文環(huán)境好。多點(diǎn)點(diǎn)裝、同時(shí)焊接，智能選擇適配的焊接工藝參數(shù)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，完成焊接作業(yè)，實(shí)現(xiàn)無人化焊接。