中部槽機器人自動化焊接生產(chǎn)線的研制與應(yīng)用

曹成銘，高婷婷，呂會賢,3，馬忠濤,3，潘興東，李圣文

(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(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；3.北京戎魯機械產(chǎn)品再制造技術(shù)有限公司， 北京 271222)

0 引言

根據(jù)國家煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃及《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》，未來5年煤礦工程機械行業(yè)將進入高速發(fā)展階段，市場容量達上千億元。由于產(chǎn)能大量增加、綜采化率大幅提高、設(shè)備更新3個方面的因素，到2020年末綜采設(shè)備市場有望達到800億元，煤礦工程機械市場超過1 500億元，若售后市場若啟動，則將達到1 000億元。在所有煤礦工程機械設(shè)備中，綜采裝備所占比重最大，煤炭綜采裝備占煤礦機械總產(chǎn)值的比重超過70%，且隨我國煤炭工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，現(xiàn)代化礦井采煤裝備大型化、自動化發(fā)展趨勢越發(fā)明顯，年產(chǎn)1 000萬t/a以上的大型高端綜采裝備需求量越來越大。

在煤礦工程機械大型高端綜采裝備中，刮板輸送機與采煤機、掘進機、液壓支架并稱“三機一架”，是煤礦工程機械中的重要裝備。2012年刮板輸送機銷售額近40億，年增長率在15%左右。自20世紀80年代以來，國內(nèi)外刮板輸送機都在向大運量、長運距、大功率、高強度、長壽命與高可靠性方向發(fā)展。目前國外綜采能力最大的工作面刮板輸送機，其運量已達6 000 t/h，裝機功率為4×800 kW，運距450 m(即刮板輸送機整機長度)。國內(nèi)自主研發(fā)的刮板輸送機運量已達3 500 t/h，運距350 m。隨著神東等大型煤炭基地400 m工作面的出現(xiàn)，國產(chǎn)刮板輸送機將朝著更大型的方向發(fā)展。

刮板輸送機通常由采煤機牽連引系統(tǒng)、驅(qū)動部、驅(qū)動架和鏈輪、減速器、中部槽、工作面輸送機、轉(zhuǎn)載機、膠帶機尾等部分組成。其中，中部槽結(jié)構(gòu)件是刮板輸送機的機身和物料承載機構(gòu)，在日常使用中也是受磨損最嚴重的部件，其材料特性及焊接質(zhì)量直接影響到刮板輸送機的可靠性和使用壽命。通常每臺刮板輸送機都具有100多節(jié)中部槽，中部槽的質(zhì)量占其總質(zhì)量的70%以上，其中刮板輸送機的失效，也多由中部槽的過度磨損或斷裂引起，故中部槽的使用壽命是衡量整機壽命的重要指標。

另外，槽幫(鏟擋板)與中板以及槽幫與封底板的焊接工作量約占刮板輸送機焊接工作總量的80%。人工焊接工作量大、效率低，每個焊工一天通常只能焊接1.5個中部槽。隨著先進制造和自動化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，采用機器人自動焊接已成為提高焊接效率和質(zhì)量的有效手段。近年來，國內(nèi)有部分企業(yè)已開始嘗試在刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)件焊接中實施使用機器人焊接工作站，如中煤張家口煤礦機械有限責(zé)任公司、山東能源機械集團、寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司等單位，都已通過采用機器人自動焊接來完善焊接工藝，不但改善了焊接外觀與質(zhì)量，而且提高了焊接效率。以配備雙絲雙槍TANDEM焊機的機器人焊接系統(tǒng)為例，其效率較手工半自動CO2單絲焊提高了6倍，且焊縫外觀及整體質(zhì)量得到了提高。

1 國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

國外先進的刮板輸送機制造企業(yè)，如德國DBT公司和美國JOY公司早已廣泛使用焊接機器人或機器手代替或部分代替人工焊接。焊接機器人的應(yīng)用，不但改善了勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，更主要的是焊接機器人工作的穩(wěn)定性和焊接產(chǎn)品質(zhì)量的一致性保證了批量生產(chǎn)的產(chǎn)品焊接質(zhì)量。近年來，國內(nèi)一些刮板輸送機制造企業(yè)開始采用焊接機器人進行中部槽、機頭等結(jié)構(gòu)件的焊接[1-3]，以提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。刮板輸送機實現(xiàn)焊接自動化和智能化是煤礦工程機械產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求,也是必然趨勢，這對提升刮板輸送機關(guān)鍵部件的焊接效率和質(zhì)量、減少焊接工人數(shù)量、改善工人生產(chǎn)環(huán)境都具有重要作用，可顯著提高我國基礎(chǔ)工業(yè)加工制造水平。

2 中部槽的結(jié)構(gòu)及焊接特點

中部槽是刮板輸送機的重要部件，大部分為鑄焊結(jié)構(gòu)，平均一部刮板輸送機約有100～200節(jié)中部槽，屬于小批量結(jié)構(gòu)件。中部槽主要由槽幫鋼(鑄造調(diào)質(zhì)合金鋼)及中底板(耐磨鋼)焊接而成，焊縫形式主要為“X”或“K”型焊縫，以及附件(如彎板、齒軌座等)的角焊縫等，其焊接屬于厚板焊接，長期以來均采用人工焊接方式，少數(shù)輔助以焊接專機形式。

從技術(shù)的角度來看，導(dǎo)致自動化焊接技術(shù)在中部槽焊接中應(yīng)用受阻的主要原因包括：

1) 由于煤礦機械的非標特點，中部槽屬于多品種小批量產(chǎn)品，如果需要使用機器人焊接，不同型號的產(chǎn)品就需要編制不同的程序，中部槽成型要求高，焊縫長度大，程序編制較復(fù)雜。

2) 中部槽尺寸、質(zhì)量較大，拼裝普遍采用人工定位工裝及增加加強筋的方式，目前已有的機器人焊接試驗系統(tǒng)采用的是人工上下料，工件翻轉(zhuǎn)也需人工操作，不但生產(chǎn)效率低，而且生產(chǎn)安全難以保障。

3) 對單件中部槽進行焊接時，使用1 個焊接機器人對兩條槽幫鋼與中底板的兩條對稱焊縫分別進行焊接，會造成兩條焊縫的均勻性和一致性較差，容易存在缺陷和出現(xiàn)裂紋。

3 中部槽焊接工藝及機器人自動化焊接生產(chǎn)線要求

3.1 中部槽焊接工藝

以某型號中部槽焊接工藝流程為例，分析中部槽機器人自動化焊接生產(chǎn)線的工藝設(shè)計方案，圖1為該中部槽三維結(jié)構(gòu)圖。中部槽一般焊接順序為：中板與槽幫鋼(兩個)點焊成型-中板與槽幫鋼兩道焊縫焊接-與底板點焊成型-底板焊縫焊接-與彎板及軌座點焊成型-彎板及軌座焊縫焊接。

1-鏟板槽幫； 2-中板； 3-擋板槽幫； 4-彎板及軌座； 5-底板。

圖1 中部槽三維結(jié)構(gòu)圖

3.2 中部槽機器人自動化焊接生產(chǎn)線要求

中部槽一般為多品種批量件形式，中板及底板分別與兩側(cè)槽幫鋼的焊縫。為提高焊接效率，考慮采用定位夾具的形式分別加持中板兩端并依靠夾具與兩側(cè)鏈窩進行對接來保證槽寬。中板與兩側(cè)槽幫鋼的焊縫為長直段“X”或“K”型焊縫，考慮焊接時需不停翻轉(zhuǎn)，易造成錯位焊接，為防止焊接變形，考慮采用雙機器人單絲對焊打底+雙機器人雙絲填充蓋面的焊接工藝方案[4-6]；底板與兩側(cè)槽幫鋼的焊縫分內(nèi)焊縫及外焊縫，一般均為角焊縫，外焊縫可采用雙機器人雙絲焊接的方式，內(nèi)焊縫可采用焊接長臂焊接專用機器人的焊接方式；彎板及軌座焊縫一般角焊縫，可采用單機器人焊接工作站方式。

由此可見，整個生產(chǎn)線應(yīng)包括雙機器人單絲焊接工作站、雙機器人雙絲焊接工作站、長臂單絲焊接專用機器人工作站、單機器人單絲焊接工作站。因此要提高中部槽的自動化焊接水平，必須將各焊接工作站集成，通過引入智能物流系統(tǒng)(帶物流小車)來實現(xiàn)工件的自動上下料，同時設(shè)置若干上料架及下料架(帶傳感功能)，并輔助以MES系統(tǒng)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)線機器人工作站、物流系統(tǒng)、上/下料架的自動化生產(chǎn)運作。

4 中部槽機器人自動化焊接生產(chǎn)線設(shè)計

4.1 節(jié)拍分析

根據(jù)中部槽焊接工藝流程，考慮以上焊接工藝順序以及上下料時間，某型號中部槽焊接節(jié)拍如表1所示。

表1 某型號中部槽焊機節(jié)拍

4.2 機器人焊接生產(chǎn)線設(shè)計及構(gòu)成

1) 焊接機器人工作站。根據(jù)以上節(jié)拍計算，機器人焊接生產(chǎn)線要實現(xiàn)中部槽的自動化焊接：雙機器人單絲焊接工作站、雙機器人雙絲焊接工作站、長臂單絲焊接專用機器人工作站，單機器人單絲焊接工作站4者數(shù)量的配置比例建議為1∶4∶2∶3。雙機器人單絲焊接工作站與雙機器人雙絲焊接工作站配置除相應(yīng)單雙焊接電源不同外，其余配置基本相同，采用可移動滑軌，兩套吊掛式6(7)自由度機器人，臂長不小于1 500 mm，變位機承載需大于5 000 kg，底部留有裝夾盤對向運動的導(dǎo)軌。夾緊機構(gòu)采用液壓或電動夾緊，設(shè)備采用雙機器人同步聯(lián)動控制技術(shù)。長臂單絲焊接專用機器人工作站包括兩套加強伸長臂，可自由控制，槽寬方向不低于1 200 mm，長度方向不低于2 000 mm，保證最大適應(yīng)所有規(guī)格中標槽。單機器人單絲焊接工作站機器人采用坐式，臂長不低于2 000 mm，帶變位機，承載不低于5 t。

2) 物流系統(tǒng)。考慮投資成本及智能化水平，該生產(chǎn)線配置的一套物流系統(tǒng)需包括1個主體軌道、若干個副軌、2臺RGV物流小車。

3) 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)RGV小車、上料架、下料架及機器人系統(tǒng)和安全檢測的協(xié)調(diào)控制。在自動運轉(zhuǎn)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，也對各個工位上設(shè)置的安全插銷和光電傳感進行控制。同時，控制整個物流線的電源供給。控制系統(tǒng)需預(yù)留單站的控制接口，后續(xù)只需增加焊接機器人單站、滑觸線、導(dǎo)軌等相關(guān)部件，即可實現(xiàn)生產(chǎn)。圖2為生產(chǎn)控制系統(tǒng)功能圖。

4) 控制室。從生產(chǎn)線安全及有效運營角度考慮，需在生產(chǎn)線的一端設(shè)置一個控制室，硬件包括1臺電腦；軟件包括1套監(jiān)控系統(tǒng)(監(jiān)控攝像頭分設(shè)焊接機器人工作站、4個上/下料架等)、1套焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)(主要監(jiān)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)。

圖2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)功能

5) 其他配套。考慮到生產(chǎn)節(jié)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。20套以上中部槽定位夾具。焊接生產(chǎn)線主要構(gòu)成見表2，設(shè)計方案見圖3。

表2 典型中部槽機器人自動化焊接生產(chǎn)線配置

圖3 生產(chǎn)線設(shè)計方案

5 實際應(yīng)用情況

中部槽機器人焊接生產(chǎn)線已在山東能源重裝集團成功應(yīng)用，生產(chǎn)線的研制實現(xiàn)了中部槽焊接過程的自動上下料、自動物流輸送、自動焊接及質(zhì)量監(jiān)控，通過PLM產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)，打通了企業(yè)技術(shù)信息化CAD/CAM/MES，實現(xiàn)了數(shù)字化生產(chǎn)。該生產(chǎn)線自上線運營以來，已實現(xiàn)年產(chǎn)中部槽5 000件，在保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高焊接效率，改善工人作業(yè)環(huán)境方面發(fā)揮了積極作用。

6 結(jié)論

本文以中部槽為例，從其焊接工藝特點、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及生產(chǎn)節(jié)拍等角度出發(fā)，研制了一條實現(xiàn)中部槽機器人自動化焊接的生產(chǎn)線，為刮板輸送機機頭、機尾的自動化焊接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(huán)節(jié)的數(shù)字化智能無人工廠提供了技術(shù)及經(jīng)驗借鑒。山東能源重裝集團通過成功應(yīng)用了中部槽機器人焊接生產(chǎn)線，取得了良好效果。