機器人自動焊在液壓支架結構件制造中的應用

范劍英，趙光明

（山西晉城煤業集團 金鼎公司，山西 晉城 048006）

0 引言

隨著全國高產高效礦井建設的加快，液壓支架的需求量也迅速攀升。目前大型液壓支架專業廠家的支架結構件主要由焊工手工焊接完成。而高端支架采用的高強板焊接時需加熱到200℃，施焊溫度不能低于80℃，焊工需持續在高溫下焊接，勞動強度特別大；同時手工焊接受人為因素影響很大，焊接質量不易保證，直接影響支架性能。而且由于高端支架結構件尺寸大，板材厚，焊接工藝復雜，導致焊接效率低，生產周期長。研究高端支架自動焊接技術及裝備，不僅能大大降低勞動強度，提高焊接效率，更重要的是能夠保證焊接過程的穩定性和焊接件質量的可靠性。國外發達國家在液壓支架制造方面的自動化水平明顯高于我國。德國DBT公司和美國JOY公司已廣泛使用焊接機器人代替部分人工焊接。

1 目前國內機器人焊接存在的問題

在國內，手工焊接一直是液壓支架主要的生產方式。為了提高焊接質量和效率，少數企業也引進了國外的機器人自動焊接系統，但效果并不明顯，仍存在以下問題：

（1）一套變位裝置只能配套一臺焊接機器人，而高端支架高強板結構件必須在高溫下焊接，一臺機器人的焊接速度跟不上工件的降溫速度，必然會出現反復加熱，反而降低焊接效率。

（2）價格昂貴，購買一套進口變位裝置需要幾百萬元。

（3）變位裝置及機器人配套系統太過龐大，受場地約束，不能批量應用于生產。

（4）液壓支架結構件結構多變，焊接工位多，零件拼裝數量多，給焊接編程、焊接定位、焊接過渡成型帶來諸多困難。

以上原因大大限制了焊接機器人的應用。

2 改進措施及技術特點

為解決高端液壓支架機器人焊接過程中存在的問題，對該焊接系統進行了系列設計創新，其關鍵技術包括：

（1）自動焊接變位裝置中夾緊機構的設計。

（2）自動焊接變位裝置中翻轉定位機構的設計。

（3）焊接機器人自動尋找焊縫起始點、自動跟蹤焊縫的技術。

（4）焊接機器人進行多層多道焊接的技術。

（5）工件的焊接編程和焊接工藝的結合。

為開發設計高端液壓支架自動化焊接流水線，根據高端液壓支架大型結構件的焊接工藝、結構特點，結合高強板焊接工藝要求，設計了經濟合理、功能強大的變位夾緊裝置，以適應自動化焊接流水線的要求。該變位夾緊裝置是根據液壓支架頂梁、掩護梁結構特點設計開發的，具有裝卡方便、定位準確的優點，能滿足機器人焊接時的定位要求；工作臺可繞軸360°翻轉，結實可靠，承載能力20t以上；旋轉定位裝置可以準確地將工作臺定位在水平或垂直工位；推緊裝置配合夾緊裝置可實現工件的縱向推緊。

該裝置與自動焊接工藝配合，實現高端液壓支架主要結構件焊接的自動化。該自動化焊接流水線主要參數如下：

（1）每臺變位裝置配套4臺8軸機器人，焊接效率為人工的2倍。

（2）高端支架結構件生產中，機器人焊接量≥70%。

（3）可焊接工件外形范圍為4 300mm×1 610 mm×600mm。

（4）機器人焊接速度為450mm／min，并可與變位裝置實現聯動。

（5）焊接機器人具有良好的自糾偏功能，可自動尋找焊縫起始點、自動跟蹤焊縫，可解決工件鉚接偏差問題，實現多層多道焊接。

（6）變位裝置全液壓驅動，泵站壓力16MPa，油泵電機7.5kW；變位裝置定位誤差≤0.5°。

圖1為機器人焊接變位裝置。變位夾緊裝置與機器人的布置如下：工作臺兩側各裝卡一個工件，使用4臺機器人同時施焊，通過工作臺的回轉，實現工件各方向焊縫的焊接。焊接機器手經過模擬和試驗，選用了德國CLOOS的8軸機器人，可以實現自動尋找焊縫起始點、自動跟蹤焊縫的功能。

圖1 機器人焊接變位裝置

3 實際應用效果

經過試驗，通過對其編程、找點、夾緊和工藝等進行反復的摸索試驗和操作者的強化培訓，機器人自動焊在支架結構件焊接方面取得了很大的成果，具體如下：

3.1 工藝方面

根據現有焊接條件和機器人程序的運行特點，經過反復試驗，設計了一套與手工焊接順序不同的焊接工藝，以適應機器人焊接。與手工焊接相比，該工藝減少了頂筋的數量，減小了焊接變形。

完成了大采高支架掩護梁、頂梁、單雙連桿、推移桿、柱窩等程序的編程及其調整，目前對機器人焊接支架結構件框架的編程技術已經成熟。

3.2 質量方面

（1）支架頂梁、掩護梁、前后連桿的焊接試驗結果表明，角焊縫焊接成型美觀，手工焊接無法與其媲美，同時由于機器人嚴格按照指定的程序操作，與手工焊接相比變形量較小。

（2）角焊縫質量大大提高，以往人工焊接時，限于各人操作水平的不同以及人的情緒等人為因素，焊縫質量不易保障，使用機器人焊接后，只要參數調定好，可以保證所有焊縫都達到一級水平。通過對機器人焊接樣件進行拉力試驗，完全符合焊接標準。

（3）受工件空間位置和拉筋的影響，機器人不能完成所有部位焊縫的焊接，需要人工對其不能焊接的焊縫和部位進行補焊。

（4）目前對于坡口焊縫，由于下料機器人切割的坡口有誤差，導致焊接機器人跟蹤不準，不能保證坡口焊縫焊接質量。

3.3 效率方面

人工焊接時，為了焊接工件各位置的焊縫，需要來回翻轉工件達5、6次，每次翻轉都需要1名天車工和2名焊工輔助，每次耗時最少15min。該裝備的使用，減少了焊接過程中工件翻轉的時間，現在工件在變位裝置上翻轉一次的時間不到0.5min。

目前工件主要是靠變位機上的固定裝置來定位，工件重復定位很不精確，然而機器人默認的坐標系只與首件一致（要求定位誤差和變形的累計誤差小于5mm），這樣就存在焊接誤差，導致批量焊接過程中出現偏焊、撞槍等問題，這些都影響焊接效率。

該裝備的使用，降低了工人的勞動強度，減少了用工數量，以往一件工件的焊接需要兩個人，現在只要一人看守機器人，就能完成兩個工件的焊接，從而節省了成本。

該裝備的使用還大大改善了工人的作業環境，焊工不再需要緊貼工件作業，減輕了工人受到的焊接煙塵和高溫作業危害。

4 結束語

目前，該液壓支架自動焊接工藝及裝備在金鼎公司已經穩定運行了3年，取得了良好的效果，機器人自動焊接的應用，不但減輕了工人的勞動強度，提高了生產效率，而且保證了焊接過程的穩定性和焊接質量的可靠性，受到車間工人的一致好評，充分展現了該自動焊接工藝及裝備的優越性。