液壓支架連桿機器人自動化焊接生產線的研制與應用

曹成銘，李圣文，陳波，程延海

(1.山東能源重裝集團 恒圖科技有限公司， 山東 泰安 271222；2.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著我國煤炭工業的快速發展和大型能源基地的建設，現代化礦井采煤裝備大型化、自動化發展趨勢明顯，年產1 000萬t/d以上的大型高端綜采裝備需求量越來越大。液壓支架作為綜采裝備中最為主要的設備，投資額占到成套綜采設備投資的60%左右,其主體主要由形狀復雜的箱形焊接結構件組成，作為承受重載、沖擊載荷的采煤重要設備，其焊接質量是實現煤礦安全生產的必要保證。現有液壓支架的制造，由于其結構的特殊性和焊接工藝的復雜性，難以實現自動化焊接，不得不以手工焊接為主，工人勞動強度極大，無法保證焊接工作的穩定性和焊接質量的一致性，生產效率也無法進一步提高。隨著先進制造技術和自動化的蓬勃發展，采用機器人自動焊接已成為提高焊接效率和質量的有效手段[1-2]。因此，大力發展液壓支架結構件(如頂梁、掩護梁、底座及連桿等)的機器人自動化焊接生產線是我國高端綜采裝備生產制造的當前重要需要，也是國家煤炭行業發展的需要。

1 國內外研究及應用現狀

世界制造工業的高速發展，對產品的制造質量、效率、勞動力成本等提出了越來越高的要求，機器人自動化焊接加工向工程、礦山機械等領域得到迅速延伸。尤其在汽車制造領域，已經得到了普遍的推廣應用。國外以中厚板鋼結構件機器人技術為核心的系統集成商主要有奧地利的IGM公司和德國CLOOS公司，這兩家公司均較早地涉及了工程機械行業及鐵路機車等典型構件機器人項目的建設，并在國內進行了實際應用。IGM和CLOOS公司提供的柔性機器人制造線共同特點主要集中在結構件焊接，主要包括機器人工作站，自動上下料RGV小車，工件緩沖平臺等，其與上游自動送料和下游轉加工，涂裝等工序不進行通訊銜接，因此信息化程度不高。

國內的相關煤機企業近年來不斷嘗試引進焊接機器人工作站，實現了液壓支架結構件的局部自動化焊接，但均沒有布局成線，未將工件搬運、翻轉，焊縫質量檢測等實現自動化，使用較局限，也未充分發揮焊接機器人工作站的最大效能；生產時輔助人工天車進行上下料，存在較多安全隱患[3-6]。

2 液壓支架連桿焊接中存在的問題

液壓支架連桿通常由2個主筋、若干個筋板及2個彎板組焊而成，為液壓支架的主要承力件，其焊接可靠性非常重要。但連桿采用自動化焊接從技術和經濟性等方面存在兩方面的問題:

1) 程序調用繁復。液壓支架連桿本質上是多品種小批量的產品，同樣的產品一批最多也就是百余架，不同型號的產品如果需要使用機器人焊接，就需要編制不同的程序，液壓支架連桿為格子間類型，焊縫種類多，程序編制復雜。同時，為了保證焊接質量，控制焊接變形，又需要按照特定焊接順序進行往復多層多道焊接，程序調用較為繁復。在交期越來越短的情況下，機器人工作站往往處于不斷編程的狀態，設備使用率很低。

2) 焊接效率低。由于產品批量不大，設計不斷變化，制造廠家無法使用統一工裝進行組對，普遍采用人工劃線的方式組對。連桿在焊接過程中必然會產生焊接變形，不僅多層多道的打底軌跡需要尋位糾偏，而且每次的填充軌跡或蓋面軌跡也極有可能需要尋位糾偏。導致機器人在焊接程序中需加入大量糾偏尋位程序，在進一步加大編程工作量的同時也導致在實際焊接過程中機器人不斷尋位，使之不能持續燃弧且焊接效率較低，生產效率自然也就不高。

3 連桿焊接工藝及機器人自動化焊接生產線要求

3.1 連桿焊接工藝

以某型號連桿焊接工藝流程為例，分析連桿機器人自動化焊接生產線的工藝設計方案。圖1為典型連桿三維結構，圖2為連桿的焊接工藝流程圖。

圖1 典型連桿三維圖

3.2 連桿機器人自動化焊接生產線要求

考慮到連桿為大批量簡單箱體結構，前后各有1個鉸接孔，以及以上焊接工藝特點。為提高效率，可將2個連桿通過定位夾具的形式進行串聯，通過雙機器人焊接工作站焊接。為保證連桿兩頭的圓弧處充分焊接，不停頓，避免焊接接頭的生產，機器人焊接工作站需具有±180°旋轉能力。為充分利用機器人焊接工作站，從焊接工藝及工藝離線編程、調用效率等出發，將焊接工作站分設為連桿內焊縫焊接機器人工作站，以及外焊縫焊接機器人工作站2種形式，但配置統一，具體數量配比以人工焊接時的實際生產節拍進行確定。為提供連桿的自動化焊接水平，需將各焊接工作站集成，通過引入智能物流系統(帶物流小車)實現工件的自動上下料，同時設置若干上料架及下料架(帶傳感功能)，并輔助以MES系統，實現整個生產線機器人工作站、物流系統、上/下料架的自動化無人生產運作。

4 連桿機器人自動化焊接生產線設計

4.1 節拍分析

連桿機器人焊接生產線主要考慮實現連桿的焊接自動化。根據連桿焊接工藝流程，主要對連桿的內檔及外焊縫焊接時間進行統計。以某型號連桿進行測算：一次焊接(內檔)準備時間約為270 min；一次(內檔)焊接時間約為165 min；二次焊接(外焊縫)準備時間約為300 min；二次(外焊縫)焊接時間約為275 min；二次(外焊縫)人工補焊焊接時間約為30 min。

4.2 機器人焊接生產線設計

1) 焊接機器人工作站。根據以上節拍計算，機器人焊接生產線主要實現連桿的一次(內檔)及二次(外焊縫)的自動化焊接，2道工序的焊接機器人工作站數量配比設計為3∶4，共計配置7套雙機器人焊接系統，形式為2臺機器人+變位機，可完成連桿內部貼板、主筋和隔板間的焊縫焊接，以及蓋板與主筋焊縫的打底焊接，蓋板與主筋焊縫的多層多道焊接；變位機承載需大于5 000 kg(考慮一次裝夾2個連桿，單個連桿平均2 t)，且底部留有裝夾盤對向運動的導軌；夾緊機構采用液壓或電動夾緊。設備采用雙機器人同步聯動控制技術，可保證變位機旋轉進行圓弧處焊接時，雙機器人可同步焊接。能確保2焊接機器人同步焊接，對于左右對稱的連桿體部分能保證同時起弧，同時焊接，同時結束。詳細配置方案：2套6(7)自由度焊接機器人本體(臂長不低于1 800 mm)、鋼結構機械手支撐座、機器人控制系統、電柜及電柜空調、微電腦脈沖焊接電源(500 A)、一套頭尾架式變位機、防碰撞系統、氣體噴嘴傳感器、四輪驅動送絲系統、清槍裝置及配套設備。其優點是內焊縫焊接時可實現筋板周邊3道焊縫的連續焊接。

2) 物流系統。考慮投資成本及智能化水平，該生產線配置的一套物流系統需包括1個主體軌道、7個副軌、1個RGV物流小車。

3) 生產線控制系統。生產線控制系統主要實現RGV小車、上料架、下料架及機器人系統和安全檢測的協調控制。在自動運轉時與各工位的周邊裝置控制箱進行信號交換，完成工件的自動搬運、搬出控制。另外，也進行各個工位上設置的安全插銷和光電傳感控制，控制整個物流線的電源供給。控制系統需預留單站的控制接口，后續只需增加焊接機器人單站、滑觸線、導軌等相關部件，即可實現生產。圖3為生產控制系統功能圖。

圖3 生產線控制系統功能

4) 控制室。從生產線安全及有效運營考慮，需在生產線的一端設置1個控制室，硬件包括1臺電腦；軟件包括1套監控系統(監控攝像頭分設7套焊接機器人工作站、4個上/下料架等)、1套焊接質量監控系統(主要監控焊接機器人工作站的實時電流、電壓、氣體流量、焊接速度及線能量)。

5) 其他配套。考慮到生產節拍，上料架及下料架均配置2套；為便于提高焊接效率，需配置1套離線編程軟件；14套連桿對心夾具；連桿焊接生產線主要構成見表1。總體工藝布置如圖4所示。

表1 連桿機器人自動化焊接生產線配置

5 實際應用情況

連桿機器人焊接生產線已在山東能源重裝集團成功應用，它的研制實現了連桿焊接過程的自動上下料、自動物流輸送、自動焊接及質量監控；通過PLM產品全生命周期管理系統，打通了企業技術信息化CAD/CAM/MES，實現了連桿的數字化生產。自上線運營以來，已實現年產連桿10 000件的能力，并在保證產品質量，提高焊接效率，改善工人作業環境方面發揮了積極作用。

圖4 連桿焊接生產線工藝布置

6 結論

煤炭機械液壓支架各結構件由于小品種、小批量化生產特性，窄、深格子間特點，中厚板多層多道難焊接工藝技術等，一直成為限制其結構件實現大規模智能制造的關鍵因素。本文以液壓支架各結構件中較為簡單的連桿為例，從其焊接工藝特點、產品結構特點及生產節拍等角度出發，設計了一條實現連桿機器人自動化焊接生產線，為頂梁、掩護梁、底座等復雜液壓支架結構件的自動化焊接生產線的研制或研制集成下料、成型、機加工、熱處理、裝配等所有制造工序環節的數字化智能無人工廠提供技術及經驗借鑒。