用于帶式輸送機機身件的自動化焊接工作站研發(fā)

付瑞芳

(西山煤電(集團)有限責任公司 機電廠, 山西 太原 030053)

帶式輸送機具有長運距、大運量、連續(xù)輸送等優(yōu)點，且運行可靠，易于實現(xiàn)自動化控制，是煤礦最為理想的高效連續(xù)運輸設備。機身件作為帶式輸送機運輸?shù)闹纬休d部分主要由上托輥架、縱梁、H支架等組成，是整機最大的批量結構件部分。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)帶式輸送機機身件自動化焊接工作站,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,高技術、高質(zhì)量、高效益為制造方針，以滿足需要、安全可靠、優(yōu)化合理為標準的原則,以經(jīng)濟實用為設計準則化，對H架、托輥架的結構特性及其部件形狀進行分析研究。研發(fā)該工作站所需功能部件：搬運、焊接、變位、夾持、定位等。

2 批量機身件生產(chǎn)工藝的確定

不同帶式輸送機對機身件的焊縫長度、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稱設計、工藝技術尺寸對稱，適合開發(fā)一定模式的自動焊接工裝設備，故而改變生產(chǎn)工藝。

原生產(chǎn)工藝：人工點裝—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—自動焊接—噴涂—出廠

機身件中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架實體示例圖

圖2 上托輥架實體示例圖

根據(jù)產(chǎn)品技術圖紙，通過CAD實體建模，經(jīng)測量確定結構件理論工藝尺寸，對兩類結構件焊接工藝及焊縫參數(shù)進行了分析，確定了各類結構件的焊縫長度、跨度等范圍指標，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)、結構和焊接性能要求選擇焊接方法。CO2氣體保護焊接屬于熔化極氣體保護焊，可以得到穩(wěn)定的熔滴過渡，實現(xiàn)低飛濺焊接。在焊接電流范圍條件下，都可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電弧過渡[1]. CO2氣體保護焊不僅焊接效率高，且成本相對于其他氣體保護焊較低，同時相對來說對被焊工件的組對要求不高，故選用CO2氣體保護焊。

表1 結構件技術要求參數(shù)范圍表

3.2 焊接參數(shù)

根據(jù)表1以及對被焊工件的焊接技術要求，確定CO2保護焊接工藝參數(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

設置自動焊接方式，采取多點點裝、同時焊接的生產(chǎn)原理，采用CO2氣體保護焊，進行自動化焊接[2].

焊接時，被焊接零部件置于工件定位臺對應部位，通過外部按鈕啟動設備，搬運機器臂利用抓手工裝將被焊接零部件依次抓取安裝到對應焊接工裝夾具的相應位置(部分被焊接工件需要抓手處于夾持狀態(tài)焊接)，選擇相應的焊接工藝參數(shù)，弧焊機器臂通過PLC編程進行自動焊接。

3.4 焊接順序

根據(jù)機身件結構特征，設定焊接動作順序,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：

焊接復位(弧焊、搬運機器臂原點)→搬運機器臂把工件搬運到工裝夾具上→工件找正→啟動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三維調(diào)整機構調(diào)節(jié)→啟動焊接開關開始焊接(或擺動焊接)→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束→升起懸臂并后退至原位→搬運換新工件→重復上述過程。

4 焊接工作站的設計及組成

根據(jù)所需動作功能，自動化焊接工作站必須具備：弧焊機器臂、搬運機器臂、焊接電源、頭尾架變位裝置、上料工件定位臺、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

弧焊機器臂：編制焊接順序，設置焊接工藝參數(shù)，承擔部件點裝固定及焊接。

搬運機器臂：編制搬運順序，固定部件焊接位置。同時承擔部件在焊接工作過程中的運輸。

焊接電源：動力。

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

上料工件定位臺：固定零部件起始位置，作為機器臂運行零部件的起始原點。

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化控制系統(tǒng)。滿足不同工裝夾具及不同上料臺氣動設備所有IO點的控制。通過數(shù)字化電源內(nèi)設的焊接專家參數(shù)，選擇焊接工藝參數(shù)、設置參數(shù)。幫助焊接工作站焊接時實現(xiàn)不同焊接層數(shù)、不同焊接參數(shù)的自動切換，即根據(jù)生產(chǎn)需求，設置技術要求不同的焊接電流、電壓、速度、焊槍擺動寬度、提升高度，焊縫長度等。

物流小車：成品運輸。

5 焊接過程中工位、工裝夾具的確定與設計

5.1 工位確定

工作站采用弧焊機器臂工位+搬運機器臂工位+工裝夾具，通過PLC控制柜對機器臂、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)動作，以上料工件定位臺固定零部件起始位置，作為機器臂運行零部件的起始原點，完成整個焊接過程。

5.2 工裝夾具的設計

引進的弧焊、搬運機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，機器臂無法獨立完成整個生產(chǎn)過程。同時機身被焊件焊縫大多為對接角焊縫，焊縫不集中，分布位置復雜，且弧焊、搬運機器臂因其本身結構布置特征無法進行360度旋轉(zhuǎn)動作，故會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，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時搬運機器臂不能固定夾持某一零部件，需依次進行零件夾持動作。為解決上述難題，在對機身件結構分析的基礎上，考慮將被焊工件放在與機器臂相協(xié)調(diào)運動的工裝夾具上，通過系統(tǒng)控制工裝夾具的位置進行變換及定位，配合機器臂動作，完成被焊件的零部件鉚接點裝、焊接工序。故需設計頭尾架變位裝置、上料工件定位臺、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，以便配合弧焊機器臂、搬運機器臂在施焊時定位準確，焊縫連續(xù)，達到圖紙技術要求，完成該工作站所需功能。

1) 頭尾架變位裝置。

根據(jù)零部件結構對稱，需要四方位焊接的特點，將此裝置設計成快換式標準接口，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，固定焊接工裝夾具位置，旋轉(zhuǎn)焊接夾具，達到焊接位置要求。

圖4 快換式標準接口圖

2) 上料工件定位臺。

據(jù)零部件結構特征，設計工件定位卡具。通過對零部件外廓尺寸的計算和對弧焊、搬用機器臂的運行設計路線，精確定位零部件在上料臺上的位置。根據(jù)不同形狀的零部件，設計固定卡具，固定零部件起始位置及方向作為機器臂動作運行的起始位置原點。定位臺上的所有定位卡具設計均采取銷定位，螺絲緊固方式。更換方便，調(diào)整靈活，定位準確。上料工件定位臺外形及安裝尺寸一致，滿足不同產(chǎn)品上料臺之間的快換安裝。上料工件定位臺工件擺放示意圖見圖5.

圖5 上料工件定位臺工件擺放示意圖

3) 焊接工裝夾具和變位夾具的設計。

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

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

根據(jù)設定的焊接動作順序：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，其他零部件根據(jù)其與中間部件的連接位置依次進行固定焊接。再因邊部件左右對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，設計中間部件支撐裝置—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,通過快換式標準接口連接，安裝在頭尾架變位裝置上。采用電氣自動控制頭尾架變位裝置達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行組點焊接。

焊接夾具設計包括公共底梁、支柱抱緊機構、支柱定位機構、底板定位機構、橫梁夾緊機構等，使用時不受焊接產(chǎn)品限制，共用性強。可以根據(jù)所焊接產(chǎn)品對應切換所需型號的工裝夾具。按照產(chǎn)品零部件相應焊接順序安裝于相應定位機構處，通過機構上相應定位點進行定位、夾緊，完成產(chǎn)品零部件技術工藝組對環(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)原則設計框架式夾具。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，利用電氣自動控制的電磁閥動作夾持中間部件固定其位置，依次完成焊接動作。滿足跨距3 000 mm范圍內(nèi)的所有托輥架結構類型產(chǎn)品，見圖6.

圖6 托輥架焊接工裝夾具上的實體建模圖

b) H架焊接工裝夾具。采用可調(diào)節(jié)原則設計單梁式夾具。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，利用電氣自動控制的電磁閥動作夾持中間部件固定其位置，依次完成焊接動作。滿足跨距3 000 mm范圍內(nèi)的所有H架結構類型產(chǎn)品，見圖7.

圖7 H架在H架焊接工裝夾具上的實體建模圖

c) 變位夾具。采用機電聯(lián)合變位機構滿足不同位置焊縫要求對產(chǎn)品進行變位焊接，變位回轉(zhuǎn)半徑650 mm.

變位機制通過快換式標準接口固定變位夾具進行定位，滿足不同焊縫傾角的定位功能，由不同的支撐塊實現(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，利用電氣自動控制的電磁閥動作夾持中間部件固定其位置，依次完成焊接動作。礦用1.2 m標準帶式輸送機的H架在變位夾具上的實體建模圖見圖8.

圖8 H架在變位夾具上的實體建模圖

4) 機器臂抓手的改進設計。

人工將組成機身件的零部件置于工件定位臺對應部位，搬運機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行裝件，經(jīng)過弧焊機器臂焊接完成后，搬運機器臂帶動抓手自動抓取成品置于成品物流小車上完成焊接任務。

在搬運機器臂執(zhí)行抓取操作過程中，原搬運機器臂的抓手為吸力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、表面粗糙度達到50，且對零部件直邊平行度、垂直度等要求極高。帶式輸送機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)，不進行表面加工，故會存在銹蝕現(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，吸力不足，造成零部件在抓取過程中掉落、點裝位置錯移、焊接位置偏離。b) 機身件中的中間部件大多為角鋼或鋼管，具有一定的長度，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、位置錯移、焊接偏離等現(xiàn)象，且中間部件脫落可能造成設備損壞等安全事故。

為解決搬運機器臂無法穩(wěn)定運行執(zhí)行操作的問題，對原搬運機器臂抓手進行設計改進。根據(jù)各零部件形狀，采用V型定位原理設計可調(diào)節(jié)自動抓手工裝(圖9). 可調(diào)節(jié)自動抓手工裝根據(jù)零部件形狀夾持要求的不同，設計兩種抓取結構：兩桿、四桿抓手結構。

圖9 四桿抓手結構示意圖

兩桿結構與四桿結構類似，都是利用電磁閥操縱兩桿、四桿連鎖機構，使之達到自由活動。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送過程中，牢固可靠，位置準確。該抓取工裝的改進設計不僅消除了零部件脫落、滑落的安全隱患，而且彌補了被焊件焊接位置偏移、焊縫偏離的焊接缺陷，使搬用機器臂發(fā)揮最大的作用，滿足對其的性能需求。

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備相連，程序間配置傳感器檢測動作信號，程序動作順序互鎖，保證安全及可靠性。在系統(tǒng)中設置一系列檢測裝置和系統(tǒng)反饋裝置。發(fā)生異常時，系統(tǒng)將發(fā)出警報并且操作面板上指示燈亮，同時自動停焊﹑停機。

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

配置多向功能，增加始端檢測、電弧跟蹤等系列外設軟件，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，增強使用功能性。

7 實施效果

該自動化焊接工作站投入使用以來，機電一體智能化聯(lián)合協(xié)調(diào)作業(yè)，電流、電壓以及送絲裝置的全數(shù)字控制使機械結構與機器臂實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)帶式輸送機機身件焊接功能。工作過程中部件定位準確，動作可靠，運行穩(wěn)定。實時調(diào)整焊接參數(shù)，焊件成型好、飛濺低、工作效率高。達到機身結構件鉚接點裝、焊接工序一次成型，消除焊接變形，機器代人等目的。焊縫一次性探傷合格率達100%，產(chǎn)品工藝尺寸符合產(chǎn)品圖紙技術要求，質(zhì)量得到保證，滿足生產(chǎn)需求。

8 結 論

研發(fā)的用于帶式輸送機機身件的焊接工作站自動化作業(yè)安全可靠、高效節(jié)能、環(huán)保、智能，維護量少，人力、物力成本低，系統(tǒng)噪音小，人文環(huán)境好。多點點裝、同時焊接，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)，實現(xiàn)無人化焊接。