煤礦機械工件機器人焊接設備研究

祝燕 李聰 山東礦機華能裝備制造有限公司

由于手工焊接設備簡單、操作靈活、適用面廣，在工業領域里占用非常重要的位置。進入21世紀，我國制造業的高速發展，工業逐步向智能化方向發展，這時手工焊接呈現出來的生產效率低、工作環境差、勞動強度高，而且不適宜焊接鋁、鈦等活潑金屬、難溶金屬及低熔點金屬等缺點。手工焊接的職業危害性很強，例如電焊弧光會對眼睛和皮膚造成了傷害，長期從事手工焊接作業可發生職業性白內障，視網膜損傷，甚至眼晶狀體混濁等。電焊過程中還會產生很多有害物質，容易產生焊工塵肺、金屬熱和錳中毒等。手工焊接是一種有害的作業工種，電焊工塵肺也已納入我國法定職業病目錄中。焊接自動化裝備將手工操作升級為自動化機械操作，操作工人可在焊接過程中盡量多的避開操作現場，移動煙塵凈化器也能夠最大程度避免上述職業病的發生，同時工人勞動強度也得到了極大降低。

自動化焊接設備根據工件產品結構、產品特點、焊接工藝等情況進行市場調研及相關資料匯集，綜合分析制定機器人焊接工藝，并結合已有的機器人自動化焊接設備進行頂梁機器人焊接實驗，現可以根據所焊工件的實際需求細化為頂梁機器人焊接設備、底座機器人焊接焊接、連桿機器人焊接、推桿機器人焊接、中部槽機器人焊接設備等。

技術中心由焊接變位機、三軸坐標桁架、六軸焊接機器人、控制系統、焊接系統、移動煙塵凈化系統六部分組成自動化工作站。將待焊接煤礦用液壓支架結構件在焊接變位機、三軸坐標桁架、六軸焊接機器人的共同作用下，通過在焊接變位機平臺上人工定位裝夾煤礦用液壓支架結構件，完成煤礦用液壓支架結構件橫焊縫、豎焊縫、圓弧焊縫、坡口焊縫的多層多道焊縫的自動化焊接工作。

焊接變位機由兩個旋轉支撐座、一個焊接平臺組成，伺服電機與減速機驅動小齒輪帶動支撐座上旋轉支撐軸承轉動，使焊接平臺繞支撐座做旋轉運動，焊接平臺上布置工件定位塊及人工裝夾工具。焊接變位機焊接平臺能夠適用不同的產品進行定位、裝夾。

三軸坐標桁架由X軸、Y軸、Z軸組成，三軸坐標桁架為齒輪齒條傳動，三軸坐標桁架導軌為直線導軌，驅動方式為伺服電機與精密行星減速機，六軸焊接機器人倒掛在三軸坐標桁架Z軸上。六軸焊接機器人具有電弧跟蹤、焊縫尋位、多層多道功能。

控制系統為機器人控制系統，三軸桁架、焊接變位機與六軸焊接機器人集成控制，整套系統十軸聯動，整體可通過機器人示教器示教編程。焊接前可將三維模型導入離線編程軟件，軟件自動分析所有焊縫，設定機器人運動過程的姿勢及焊接參數，系統自動生成機器人所需整個焊接程序，經人工優化后導入焊接系統。其控制系統應用計算機軟件離線編程，成熟的煤礦機械多層多道焊接數據包和坡口焊縫數據以及角焊縫數據等數據庫的建立，調用方便快捷，編程時間短，特別適合品種型號多、批量少的產品。程序經首件驗證后可復制拷貝到多臺機器人焊接設備使用。配置了重載變位機系統，有效提高工件機器人焊接率30%。

焊接設備采用直流短弧焊，可與機器人配合使用，提高焊接速度，減小焊接飛濺。采用手工焊接工藝的制造過程中，人工控制焊接過程是要有良好的可焊性、焊件加熱的溫度和合適的焊接時間都要有很好的掌控，稍有不當就可能會導致焊縫成型不好，容易在焊接部位造成焊件缺陷。這就對焊接工人在焊接工件時提出了較高的要求，焊接工人需要相當長的時間來積累經驗才能保證焊接工件成品有較好的準確性和穩定性。但是采用自動化焊接工藝的過程中，焊縫成型好、填充熔覆率高可以保證工藝參數的準確性和穩定性。

由于焊接面技術要求是立焊、填充量大，例如之前連桿主筋鐵板在沒有聯動變位機的情況下都需要七次或八次橫焊，而現在連桿焊接系統基于變位機二軸旋轉和焊接機器人聯動的功能只需要三道即可；連桿蓋板正反面直線和圓弧需變換位置的連接處比以往至少少四十個焊接接口，焊接效率提高了1倍以上。拼點工序可對工件一次拼裝，無須多次在焊接和拼點工序反復周轉工件，后續蓋板焊接工序可輕松放置和焊接，并且無須人工翻轉就可實現對工件（七軸焊接范圍0-90度，八軸焊接范圍360度）的全方位焊接，焊接量可達95%以上。焊縫以12、14、16、18多層多道角焊縫坡口焊縫為主；完成了圓弧焊縫、橫焊縫、縱焊縫的機器人焊接，無須中途調轉工件；機器人焊接一次成型，焊縫美觀，無須人工打磨。

移動煙塵凈化系統跟隨機器人焊槍運動，焊接產生的煙霧能有效得到凈化。

工藝流程圖

自動化焊接設備是對傳統生產方式的重新賦能?？梢酝ㄟ^焊接自動化裝備與自動傳輸系統、自動化檢測等其他系統的配套組成自動化生產線，實現產品的自動化連續生產焊接，能夠極大改善生產車間內的整體環境狀況。該系統應用新科技實現了計算機離線編程，機器人焊接數字化控制，具有低飛濺大熔深、工件焊接變形小、焊接效率高、質量穩定等優點；配備柔性裝夾，可實現多種型號工件的裝夾。系統運行后可大大降低工人的勞動強度，提高煤礦機械制造業工件結構件自動化水平。