槽式輸送機料槽的自動化焊接

黃發義

1 前言

槽式輸送機是新型干法水泥生產線熟料輸送環節必不可少的設備，料槽是槽式輸送機運行部分的組件，由1個底板、2個側板、2個支座分別成型后組焊而成，用于承載物料。料槽的結構形式見圖1。

在槽式輸送機中，料槽具有數量多、易磨損、需定期更換的特點，每年都需大量配件，是生產制造中需批量生產的產品。從料槽制造結構分析：本體及支座的內、外都有焊縫，每個料槽的焊縫長達1.9m，批量制造過程中焊接、翻轉的工作量非常大。

圖1 料槽結構示意圖

實現焊接生產過程的自動化，可以減少人為因素的干擾，達到穩定焊接質量、改善焊工勞動條件、提高生產效率、降低生產成本的目的。由于料槽的規格多、批量大，焊縫多而短，軌跡復雜，采用靈活性更好、速度更快的焊接機器人，實現料槽的柔性自動焊接，無論是從提高產品質量還是從降低成本來考慮，都是很有必要的。

2 料槽焊接面臨的問題

料槽焊接工藝改革前，需要鉚、焊工種配合才能完成焊接作業。工序步驟和用工數量多，焊接質量嚴重依賴工人的技能水平。一個由3名鉚工、6名焊工組成的班組協同作業，單班能完成焊接含支座的料槽300件。整個焊接工序流程為人工組對、點焊→人工搬運至焊接工位→焊接→搬運并排放整齊→點焊支座→焊接支座。焊接工藝改革的目標，是要實現一名普工即可操作全部流程，人工上料后，由機器人一次完成整個焊接工作，再由人工下件擺放。

用機器人進行焊接，在沒有采用焊縫傳感技術時，要求工件的一致性要好，工件及其焊縫坡口要有足夠高的定位精度，并能在批量連續生產中保證裝配的重復性。一般尺寸誤差應不超過±1mm。

采用先進的焊縫傳感技術后，工件的尺寸偏差要求可以放寬。目前，應用于弧焊領域最先進的傳感技術是激光視覺傳感器，它是通過激光視覺傳感器檢測焊縫運動軌跡，再利用圖像處理軟件計算出焊縫偏差，然后將偏差值傳送給PLC，由PLC控制機械執行機構動作。智能數字激光視覺傳感技術保證了電弧或激光熱源能準確地對中焊縫，能實時調整焊接過程參數，并能在線檢測焊縫成形和表面缺陷[1]。然而在實際焊接試驗過程中發現，焊縫的軌跡簡單平緩，需要用激光來尋位、跟蹤才可靠，焊縫一旦脫離激光視覺傳感器的視場，或者視場內有其他疑似焊縫的干擾，系統會出錯報警停機或者焊偏。電弧傳感器是利用焊炬與工件之間的距離變化所引起的焊接參數變化，來探測焊炬高度和左右偏差。通過焊絲與工件的碰觸，實現焊縫初始尋位。通過焊槍的橫向擺動，實現對焊縫位置的實時自動跟蹤，這會影響焊接的速度。在用電弧傳感器進行焊接試驗的過程中，也出現了嚴重焊偏、焊穿情況。圖2、圖3為采用焊縫傳感技術進行焊接試驗時出錯的情形。

圖2 采用激光跟蹤試焊時出現焊槍脫離焊縫

圖3 采用電弧跟蹤試焊時出現焊偏

由于料槽的成型誤差超過±2mm，且焊縫軌跡復雜，有多處上、下坡及拐彎，不能應用激光、電弧傳感等先進的焊縫跟蹤方式。料槽的側板與底板搭接的缺口尺寸偏差較大，圖紙設計為半搭接，焊后焊縫不會高出底板，但由于側板沖制缺口的尺寸有偏差，實際搭接形式還會出現兩種情況，會出現搭接不上，或者側板邊緣突出底板造成干涉，機器人的傳感器無法準確識別焊縫。此外，側板與底板的組對間隙大，間隙有時超過3mm，而焊絲的直徑才1.2mm，焊絲會直接穿過縫隙而無法焊接到位，出現漏焊，嚴重影響到采用機器人焊接的可行性。要實現用機器人焊接料槽，必須先提高工件的尺寸精度。

3 工件的優化改進

為使料槽能滿足機器人焊接的基本條件，根據料槽部件成型設備使用及產品檢驗的情況，梳理了料槽進行機器人焊接試驗過程中發現的問題，對現有工件進行了優化設計，制定了相應的解決方案及實施計劃。

3.1 工件的優化設計

為了消除不利于料槽組對、焊接的因素，我們修改了側板缺口尺寸，使側板與底板能完全搭接，只存在連續角接一種形式；修改了底板的設計，兩端增加了缺口，避開裝配時與側板的干涉；修改了底板缺口及臺階尺寸，組對時貼合間隙＜1mm。

3.2 成型設備的改進

為了提高產品的成型精度，減小工件組對時的縫隙，對兩臺成型機的沖孔、沖缺口模具，切斷刀具，限位擋輪，沖孔、切斷定位銷，側板成型機的油缸連接法蘭等部位進行改進。

通過對底板軋機實施系列改造，對側板軋機進行調整，使底板的斷口與側板更貼合，解決了料槽底板與側板組對縫隙大的問題，使縫隙控制在1mm左右。通過減小側板缺口尺寸，底板兩端增加缺口，使側板能與底板完全角接，消除了焊縫搭接形式多樣的問題，從根本上解決了機器人焊接的可行性問題，達到了用機器人進行焊接的條件。

4 設置焊接工作站

料槽自動化焊接工作站的目標是實現柔性化生產，滿足12種主要規格料槽的自動化焊接，提高焊接效率，提升產品質量。工作站由一人操作，不需要預先組對、點焊，每班完成料槽焊接100件。

弧焊機器人選用了內置弧焊程序的6軸機器人。根據工件的復雜程度，機器人工作范圍應覆蓋整個作業面，同時考慮到機器人的工藝性能、速度、操作性、性價比等方面，該工作站選用了臂展1.4m天吊機器人。

弧焊電源應有與機器人進行通信的接口，參數調節性能要好。CO2氣體保護焊機價格便宜，生產效率高，但飛濺量大、成型差。通過反復試驗驗證，脈沖MAG焊機可實現射滴過渡、低飛濺、熔深大、焊縫強度高，適合全位置焊接。雖然氣體成本略高，但焊縫成形美觀，提高了焊接工藝性、焊接質量和生產效率。料槽的部件多為5mm薄板，參照手工焊接的工藝參數，選用350A的脈沖焊機。

焊接變位機能提高焊接質量及生產效率，料槽的焊縫復雜，內、外都有焊縫，可根據焊件的結構特點設計需要增加的變位系統。一般配置雙工位，以提高機器人的使用率，雙工位采用回轉式切換。為減少輔助時間，可選用三軸雙工位水平回轉變位機。

焊接工裝是機器人工作站功能實現的關鍵。夾具的設計應保證足夠的裝焊空間，保證機器人焊接時所有焊縫均可達到，并便于工件的裝卸。夾具要滿足強度和加工精度，裝配完成后進行三坐標檢測，壓緊塊、定位銷位置有偏差的采用調整墊片來調整。夾具的夾緊應可靠，不允許工件松動滑移，也不得破壞工件的定位位置、形狀、尺寸。夾具的兼容性要好，調節方便，不同規格切換要能快速定位。該工作站設計的焊接夾具見圖4。

圖4 焊接夾具

機器人工作站應配備安全防護裝置。周圍應設有安全圍欄，防止人員誤入工作區域。為避免焊接弧光、煙塵對人員造成傷害，應將焊接弧光隔離，并配置排煙系統。操作工進出及上、下工件的位置設置安全光柵，變位機回轉時，一旦有人進入工作區，變位機、機器人能立即停止運動，避免出現安全事故[2]。為方便示教及檢修，配置檢修門及安全鎖，操作維護人員開門進入房體內時，機器人不會啟動工作。

5 項目成果

料槽自動化焊接工作站的成功應用，提高了生產效率和產品質量，減少了用工量，降低了生產成本，實現了預期的目標。項目成果主要體現在以下方面：

（1）料槽焊接生產柔性化。一套焊接工裝能滿足12種主要規格料槽的定位與夾緊，取代了原有20多套組對模，幾分鐘即可完成切換，縮短了生產準備時間。

（2）料槽焊接流程簡化。單人操作取代了原來的班組作業，只需一名普工借助物流系統上、下工件，由機器人自動完成整個焊接過程。焊接夾具保證了焊縫的一致性，減小了工件組對搭接縫隙，實現了工件焊前免點焊。

（3）焊接效率、質量提升。工作站實現了超低飛濺脈沖MAG焊，焊接速度達1.0m/min，飛濺量減少90%，平均班產能100件。機器人可連續工作，避免了人為因素對焊接質量的影響，保證了焊縫的一致性。

（4）工作環境改善。工作站四周封閉，裝件區與焊接區隔離，避免了焊接飛濺、煙塵及弧光對操作人員的傷害，也避免了氣流對焊接質量的影響。

（5）降低了操作技能要求。機器人內置焊接條件數據庫，可縮短程序調試時間，一名普工即可操作，實現了以機器人代替專業焊工。

（6）安全性高。操作區域弱電控制，消除了電氣安全隱患。安全設施齊全，保障了人身安全。

本項目在上、下工件環節未實現自動化，主要考慮到適度自動化，而且工件焊接時間長，單工作站配置一臺搬運機器人，使用率太低。

6 結語

焊接生產的自動化、智能化在提高效率、降低成本、改進質量、保障安全和滿足高水準制造要求等方面具有極大優勢。機器人焊接工作站能夠實現多種焊接工藝的自動化，極大地提高零部件生產的效率及自動化水平，同時生產更具有柔性，焊接質量有保證。

實現機器人自動化焊接，與產品的結構特點、生產批量、生產條件、人員素質等各方面都有很大關系。只有滿足了先決條件，如零件的表面質量、零件本身的尺寸一致性，夾具的強度及定位的精度、焊縫的可達性、焊接工藝參數的正確性，才能實現高效自動焊接，充分發揮機器人自動化生產的優勢。

科特迪瓦項目一次性投料試生產成功

科特迪瓦當地時間11月9日8時58分，在業主、分包及公司項目部人員的集體見證下，由天津院有限公司總承包的科特迪瓦信譽水泥年產2×60萬噸水泥粉磨生產線項目1號線一次性投料試生產成功，并于2018年11月10日19時10分生產出第一包袋裝水泥；2號水泥生產線也于科特迪瓦當地時間2018年11月11日17時一次性投料試生產成功，比合同工期提前50天。

科特迪瓦信譽水泥粉磨站項目現場自2018年1月1日正式開工以來，項目部全體員工在公司領導的關心下，帶領土建及安裝分包商精心組織施工方案，與業主、監理密切溝通，合理安排施工順序，努力克服當地大型機具租賃困難、大小雨季施工困難以及瘧疾頻發等種種困難，于2018年6月28日完成全部土建主體工作，2018年10月14日完成全部機械及電氣設備安裝工作，并完成除高壓設備外所有設備的單機試車工作；在業主高壓電2018年11月5日送電后，調試僅用4天時間就完成剩余高壓設備的單機試車及全廠的聯動試車，最終于11月9日成功實現1號線的投料試生產。業主及其股東給予天津院極高的評價，盛贊天津院的施工速度及質量，與此同時信譽水泥的上級管理單位亞非企業管理（西安）有限公司于2018年11月10日向公司發來了感謝信，感謝公司對本項目做出努力。

項目部全體員工將繼續恪盡職守，絕不松懈，繼續完成投料后續的考核及收尾工作，爭取早日拿到PAC證書，向公司交上一份滿意的答卷。