電解槽陽極鋁導(dǎo)桿組機(jī)器人焊接系統(tǒng)初步設(shè)計

宋貴平

摘要：本文主要探索電解槽陽極鋁導(dǎo)桿焊接方面采用機(jī)器人焊接的必要性，可行性。并初步設(shè)計了一種焊接系統(tǒng)。本文從六個方面，論述了鋁導(dǎo)桿維修目前現(xiàn)狀及將會遇到的問題，探討了機(jī)器人焊接的可行性，焊接系統(tǒng)關(guān)鍵問題及解決辦法，提出整體設(shè)計思路、工藝流程及系統(tǒng)主要配置，并進(jìn)行效率分析及經(jīng)濟(jì)管理效益預(yù)測。具有前瞻性及可借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鋁導(dǎo)桿；焊接；機(jī)器人；自動化

1.電解槽陽極鋁導(dǎo)桿組維修現(xiàn)狀分析

前言：電解鋁企業(yè)陽極鋁導(dǎo)桿組在生產(chǎn)過程中，周轉(zhuǎn)量大，周轉(zhuǎn)頻率高，因為種種原因，需要多次修復(fù)使用。雖然各電解企業(yè)因為產(chǎn)能不同，管理水平有差異，鋁導(dǎo)桿組使用壽命及維修數(shù)量有差異，但是，修復(fù)工藝基本相同。目前，國內(nèi)鋁電解企業(yè)不論外委修理還是企業(yè)內(nèi)部修理，基本都是手工焊接方式，裝備也非常簡單。

但是，從鋁電解企業(yè)長期發(fā)展分析，在鋁導(dǎo)桿組維修方面會逐步面臨許多問題。我以為：

1.1.鋁導(dǎo)桿組鋁導(dǎo)桿與鋼爪采用爆炸焊塊連接方式，在未來很長時間內(nèi)不會改變，適合工業(yè)化生產(chǎn)的新工藝新技術(shù)短時間內(nèi)無法取代；

1.2.目前還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的鋁鋁焊接新技術(shù)，來替代手工氬弧焊焊接工藝；

1.3.目前氬弧焊焊工隨著年齡問題，會逐步退出現(xiàn)在崗位，而現(xiàn)在基本沒有新的年輕的焊工補(bǔ)充到崗位，所以，人力資源短缺問題會越來越嚴(yán)重，無法滿足生產(chǎn)要求；而且，人力資源成本會逐步增加；

1.4.鋁電解企業(yè)將長期需要投入大量費(fèi)用修理導(dǎo)桿組，設(shè)備設(shè)施必須進(jìn)行一定投入；

基于上述原因，我認(rèn)為進(jìn)行機(jī)器人導(dǎo)桿焊接研究有非常重要的現(xiàn)實(shí)與長遠(yuǎn)意義。因為，機(jī)器人焊接系統(tǒng)具有可長期進(jìn)行焊接作業(yè)、保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以提高工作效率，降低員工勞動強(qiáng)度。

2.機(jī)器人焊接系統(tǒng)的可行性

目前，我們焊接鋁導(dǎo)桿的焊接工藝方法是熔化極氬弧焊（簡稱為MIG焊），主要設(shè)備由焊接電源、焊槍、送絲系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，焊接操作主要有兩種方式，即半自動MIG焊和全自動MIG焊。前者是由人工操作進(jìn)行焊接，焊接過程的啟/停，焊縫的觀察和跟蹤，焊絲的擺動都由人工進(jìn)行控制，唯有焊接送絲是由送絲機(jī)自動控制的，所以稱之為半自動MIG焊接，就是我們目前普遍的操作方式。后者是全自動焊接方式，是本文探討的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。它主要由弧焊機(jī)器人、弧焊槍、弧焊電源、清槍器、機(jī)器人自動尋位系統(tǒng)、PLC控制柜、機(jī)器人控制柜，以及工裝卡具等輔助設(shè)施構(gòu)成。

目前，機(jī)器人焊接系統(tǒng)需要的設(shè)備已經(jīng)逐漸成熟，并且已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)使用，并且隨著技術(shù)日漸發(fā)展，投入費(fèi)用將會逐步降低。

3.焊接系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵：作為一個執(zhí)行系統(tǒng)，關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)，在設(shè)計時需要解決：

3.1.鋁導(dǎo)桿的倒角與端面的水平度需要控制在0.5MM之內(nèi)；

具體的解決辦法是解決導(dǎo)桿倒角、平端面設(shè)備問題，作為舊導(dǎo)桿修復(fù)，不論手工焊接還是自動焊接，為了保證焊接質(zhì)量都應(yīng)該予以解決，解決辦法很多，也不是什么難題。

3.2.焊接過程中焊縫跟蹤問題：可以采用機(jī)器人自動尋位系統(tǒng)。據(jù)了解目前還需要進(jìn)口，大約10萬元左右；

3.3.機(jī)器人氬弧焊焊接工藝：目前國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)器人專用焊機(jī)，具備多種工藝焊接需求，只需要用鋁導(dǎo)桿試塊進(jìn)行焊接試驗，選用合適的焊接工藝方式。因為導(dǎo)桿焊接對焊接缺陷要求沒有很高要求，只要在焊接過程中氣體保護(hù)到位，焊縫飽滿、焊縫均勻即可。

3.4.控制程序綜合編制：根據(jù)焊接工藝流程及操作使用要求，綜合編制鋁導(dǎo)桿焊接程序；

4.設(shè)計思路：

四爪陽極導(dǎo)桿組焊接為130*130導(dǎo)桿，六爪陽極導(dǎo)桿組焊接為210*210導(dǎo)桿，均為環(huán)形焊接。所以，要求放置導(dǎo)桿組的胎具可以旋轉(zhuǎn)，工件旋轉(zhuǎn)到位后，機(jī)器手進(jìn)行移動焊接。

現(xiàn)以六爪導(dǎo)桿組焊接為例（四爪導(dǎo)桿組焊接相對六爪導(dǎo)桿組焊接較為簡單，如果六爪導(dǎo)桿組機(jī)器人焊接操作成功，同樣適用于四爪導(dǎo)桿組機(jī)器人焊接）。將焊好復(fù)合塊的鋼爪放置于焊接平臺，導(dǎo)桿垂直于鋼爪放置。如圖1所示：

圖1

焊接中，需要進(jìn)行4條焊縫焊接，每焊兩條焊縫旋轉(zhuǎn)1次胎具。焊縫長度為每條210mm。在完成2條焊縫焊接后，需旋轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行另外2條焊縫的焊接，完成1次環(huán)焊。在整個焊接過程中，共需完成10次環(huán)焊，如圖2所示：

圖2

5.系統(tǒng)配置（如圖3所示）

5.1.

設(shè)備由弧焊機(jī)器人、控制系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等幾個部分組成，具體規(guī)格明細(xì)及品牌型號見表1。

5.1.1.弧焊機(jī)器人1臺 由焊接電源、機(jī)器人、單軸變位機(jī)、機(jī)器人自動尋位系統(tǒng)和焊槍組成。是導(dǎo)桿焊接成型的關(guān)鍵部件，直接完成焊接動作。

5.1.2.工裝夾具1套 由底盤、支撐胎具和夾緊裝置組成，保證工件垂直放置及緊固。

5.1.3.清槍器1套 對焊接后的氬弧焊槍進(jìn)行零部件清理，恢復(fù)焊槍功能。

5.1.4.機(jī)器人控制系統(tǒng)1套 由操作按鈕、機(jī)器人控制柜和PLC控制柜組成，負(fù)控制成機(jī)器人在焊接過程中的全部動作。

5.1.5.標(biāo)準(zhǔn)安全防護(hù)系統(tǒng)1套 由安全圍欄及安全光柵組成，確保焊接區(qū)域內(nèi)人員及設(shè)備的安全性。

圖3

表1

5.2.工藝流程（如圖4所示）

5.2.1.人工上件 人工用天車將鋼爪和導(dǎo)桿放置在焊接胎具上，用導(dǎo)桿夾具①手動夾緊導(dǎo)桿，用②③調(diào)整輪調(diào)整導(dǎo)桿到適合焊接的位置。

5.2.2.機(jī)器人焊接 工件由人工上件放置好后，由弧焊機(jī)器人進(jìn)行自動焊接，完成焊接任務(wù)。

5.2.3.人工下件 工件焊接完成后，由人工用天車將焊接完成的導(dǎo)桿組吊出，放入托盤內(nèi)擺放整齊待用。

圖4

5.3.效率分析

5.3.1.焊接

焊接由機(jī)器人完成。

上下料操作由人工完成。

由于焊腳尺寸較大（25mm*25mm），故設(shè)定每條焊縫需要10次環(huán)形焊接來完成。

5.3.2.時間

焊接時間：210*4*10/6=1400s（焊接速度為6mm/s）

起收弧時間：1.5*4*10=60s（起收弧共1.5秒）

機(jī)器人跳轉(zhuǎn)時間：4*2*10=80s（焊縫之間跳轉(zhuǎn)2秒）

變位機(jī)回轉(zhuǎn)時間：5*5=25s（5次變位，每次5秒）

人工上下料時間：900s

總用時：1400+60+80+25+900=2465s=0.68h

5.3.3.產(chǎn)量

規(guī)劃日產(chǎn)量為16件。0.68*16=10.88h

可以配置1臺機(jī)器人，分2班施工，每班工作6h。也可以配置2臺機(jī)器人，按1班施工，每班6h。

6.效益分析：每套機(jī)器人系統(tǒng)費(fèi)用為50萬元，壽命10年以上；

6.1.人員費(fèi)用對比：如果配置2臺機(jī)器人，一班生產(chǎn)，配置2人；

機(jī)器人系統(tǒng)：全年生產(chǎn)天數(shù)按260計算，可焊接4160套；

人均年產(chǎn)量為2080套；

手工焊接：1人1天2套，完成4160套，至少需要8人；人 均年產(chǎn)量520套；

每年多支付人工費(fèi)6*4萬元=24萬元，10年為240萬元；

6.2.建立焊接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，強(qiáng)化過程管理，帶來管理收益：

焊接過程是特殊工序，因此需要通過過程管理保證焊接質(zhì)量。目前的方式是通過人員監(jiān)督的方式以保證焊接操作人員按照工藝規(guī)范實(shí)施。但是往往是事后管理，及時性難以保證。采用計算機(jī)控制系統(tǒng)，可以建立焊接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進(jìn)行焊接過程數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總，解決了以往焊接過程無記錄問題，可以實(shí)現(xiàn)全過程管理，提高焊接質(zhì)量。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

A.焊接質(zhì)量管理：保留了焊接電流、電弧電壓、焊絲及氣體等信息，便于焊接信息的跟蹤；

B.焊接成本管理：通過對焊絲、氣體及電能消耗的數(shù)據(jù)匯總，進(jìn)行精確的焊接成本管理；

C.焊接設(shè)備管理：通過對焊機(jī)使用時間、焊接時間累計匯總及焊機(jī)維修記錄等管理，建立焊機(jī)設(shè)備使用狀況檔案；

D.焊接波形歷史記錄：記錄焊接電流、電壓的波形，更加直觀發(fā)現(xiàn)焊接中的問題。

7.結(jié)語

本文的初步設(shè)計綜合考慮了機(jī)器人焊接的實(shí)用性、安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。據(jù)了解，國內(nèi)外機(jī)器人焊接和弧焊機(jī)器人的應(yīng)用正在逐步普及，但在針對電解鋁鋁導(dǎo)桿焊接方面目前研究很少。機(jī)器人焊接的研究和應(yīng)用，將會提高鋁導(dǎo)桿焊接的整體裝備水平，填補(bǔ)國內(nèi)鋁導(dǎo)桿無機(jī)器人焊接的空白。

參考資料：《逆變焊機(jī)選用手冊》 中國焊接協(xié)會焊接設(shè)備分會編著.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.5