基于自動(dòng)焊接技術(shù)的大型盤狀結(jié)構(gòu)件定位焊接工藝設(shè)計(jì)

張忠芳 董航 田志遠(yuǎn) 趙強(qiáng)

摘要：大型盤狀結(jié)構(gòu)件類產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中的需求日益增加，由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在生產(chǎn)中存在生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題。本文針對(duì)上述問題，對(duì)一種大型盤狀結(jié)構(gòu)件（即大型電纜盤的上、下法蘭片）進(jìn)行分析，制定了采用機(jī)器人自動(dòng)定位焊接的工藝。試驗(yàn)證明機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)在該零件上的應(yīng)用大大提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：盤狀結(jié)構(gòu)件;機(jī)器人;自動(dòng)焊接技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH162+.1;TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0032-02

0? 引言

大型電纜盤目前被廣泛用于礦山、建筑施工、機(jī)械制造、港口碼頭、路橋建設(shè)等行業(yè)，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的必需品，而本文所涉及的零件則為大型電纜盤的主要組成部件，即大型盤狀結(jié)構(gòu)件[1、2]。

目前國內(nèi)還沒有完整的大型盤狀結(jié)構(gòu)件自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)，需要人工加工或者人工操作。人工組立焊接缺點(diǎn)是尺寸和焊接質(zhì)量與設(shè)計(jì)存在偏差，導(dǎo)致電纜盤的使用壽命降低;同時(shí)該零件焊接量分散且焊接位置多樣的特點(diǎn)，造成了焊接位置頻繁變換、頻繁起弧收弧的工藝執(zhí)行難點(diǎn)和質(zhì)量控制難點(diǎn)，在大批量生產(chǎn)時(shí)由人工組立焊接工作必然導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量成本升高[3]。

為克服上述問題，需要一種全面自動(dòng)化、實(shí)用性廣、操作簡(jiǎn)單、安全的焊接方式。本文采用自動(dòng)焊接機(jī)器人對(duì)該零件進(jìn)行組立及焊接。經(jīng)試驗(yàn)，該工藝在批量生產(chǎn)中可以維持較高生產(chǎn)率，同時(shí)保證焊接質(zhì)量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1? 大型盤狀結(jié)構(gòu)件工藝分析

大型盤狀結(jié)構(gòu)件的組成較簡(jiǎn)單，主要由外圓盤形鋼、輻條、內(nèi)圓盤型鋼等組成（如圖1所示）。該結(jié)構(gòu)為面積與高度比例巨大的片狀零件，且為框架結(jié)構(gòu)，在制造過程中高度方向上的抗彎折能力較弱。材料為普通碳鋼，具備良好的焊接性能。

通過對(duì)上述結(jié)構(gòu)分析，制定工藝為：對(duì)已初步加工后的內(nèi)、外圈和軸芯放置并固定夾緊，將輻條送至預(yù)定位置后焊接成型。

該工藝中關(guān)鍵步驟為內(nèi)、外圈的固定夾緊;內(nèi)、外圈的中心對(duì)正;輻條的抓取及定位;整體的焊接成型。

上述工藝的難點(diǎn)為內(nèi)、外圈和軸孔鋼管的中心對(duì)正;定位后工件的正面焊接、翻轉(zhuǎn)及反面焊接。該零件待焊區(qū)域分散，焊接位置受限，零件變位難度大。此外機(jī)器人焊接對(duì)初步加工后的內(nèi)、外圈的外形尺寸要求比較高，否則會(huì)出現(xiàn)漏焊或干涉的現(xiàn)象。

2? 機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)

2.1 機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)要求

①自動(dòng)焊接設(shè)備需結(jié)構(gòu)合理，能滿足大型電纜盤及類似焊合件的焊接;需操作簡(jiǎn)便，易于維修。②自動(dòng)焊接設(shè)備需運(yùn)行連續(xù)有效，安全性高。設(shè)備的控制系統(tǒng)保證自動(dòng)控制，能夠自動(dòng)完成正常運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和功能，具備連鎖功能以防誤操作，能夠顯示和處理設(shè)備報(bào)警。③自動(dòng)焊接設(shè)備需采用簡(jiǎn)易便捷的夾具設(shè)計(jì)，保證在最短的時(shí)間內(nèi)上、下料和夾緊工件。④自動(dòng)焊接工位設(shè)置多處急停按鈕，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，方便操作人員在工件就近位置能夠迅速停止設(shè)備工作。

2.2 機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要包含焊接機(jī)器人、焊接夾具、電控系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（如圖2所示）。

①焊接機(jī)器人。焊接機(jī)器人型號(hào)為：庫卡KR8R1620;機(jī)器人工作臂展為1620mm，可滿足外徑1～2.2m電纜盤焊接需求。焊接機(jī)器人抓取重量為8kg，位置重復(fù)精度為±0.04mm。焊接機(jī)器人本體緊湊、靈活。焊接機(jī)器人本體圖見圖3。

②焊接夾具。焊接夾具用來實(shí)現(xiàn)工件的定位與夾緊，由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)角度，適應(yīng)不同夾角輻射角鐵的焊接。焊接夾具外徑最大2.2m，能滿足1～2.2m法蘭片固定需求。焊接夾具上設(shè)有滑動(dòng)塊和定位夾，滑動(dòng)塊通過滑槽與焊接夾具滑動(dòng)連接。工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圈夾緊定位，夾爪松開、夾緊及徑向移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)不同直徑的內(nèi)外圈定位焊接，并校正中心位置。焊接完成后，松開焊接夾具。

③電控系統(tǒng)。由于機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)包含了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制部分和變位機(jī)翻轉(zhuǎn)控制部分。因此該控制系統(tǒng)只需要將機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)置于遠(yuǎn)程控制模式，通過數(shù)字量信號(hào)控制機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)焊接。根據(jù)總的硬件需求，電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

④翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。工件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由上、下傳送帶組成，工件完成正面焊接后，輸送至翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，此時(shí)，上、下兩層傳送帶合緊翻轉(zhuǎn)180°。完成翻轉(zhuǎn)后，上、下傳送帶分開，工件由上傳動(dòng)帶轉(zhuǎn)入下一個(gè)工位進(jìn)行反面焊接。

2.3 輻條抓取、上料裝置

輻條疊放在物料車上，通過抓取機(jī)械手抓取輻條。由抓取機(jī)械手完成輻條位置擺放調(diào)整、旋轉(zhuǎn)90°放置于滾筒輸送機(jī)上，由輸送機(jī)傳送至焊接取料位置。

滾筒輸送機(jī)上料端傳送寬度為80mm，滿足40×40×4、 50×50×5、60×60×6三種規(guī)格輻條傳送，對(duì)輻條輸送進(jìn)行粗限位。

焊接取料位置設(shè)置一組導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)輻條進(jìn)行精度導(dǎo)向定位，其前端設(shè)置一行程限位傳感器，輻條送到位停止傳送;輻條取走后繼續(xù)進(jìn)行輻條傳送。

抓取機(jī)械手由前端電吸盤爪具、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降電缸、直線模組及整體旋轉(zhuǎn)電機(jī)等構(gòu)成。通過定位坐標(biāo)或結(jié)合視覺傳感器進(jìn)行抓取及放置輻條，根據(jù)輻條上料擺放位置，爪具抓取輻條后擺動(dòng)角度45°或135°，完成角鐵位置調(diào)整，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)90°后可放置于供料平臺(tái)上[4]。

抓取機(jī)械手前端電吸盤爪具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足抓取兩種不同擺放位置的角鐵，夾具長(zhǎng)180mm，抓取輻條中間位置，能滿足長(zhǎng)度450～1152mm，以及40×40×4、50×50×5、60×60×6三種規(guī)格輻條抓取。

伺服機(jī)械手（三坐標(biāo)式）轉(zhuǎn)運(yùn)輻條，轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)兩臺(tái)焊接機(jī)器人同時(shí)焊接。輻條抓取、上料裝置如圖5所示。

3? 焊接工藝

3.1 焊接要求

工件主體材料為Q235A，焊接工藝性良好，工件重量≤300kg，材料厚度為3～6mm。工件焊前狀態(tài)：初步加工件自動(dòng)上料，工裝定位組對(duì)后自動(dòng)調(diào)整加緊。工作站滿足焊接區(qū)域：不小于？準(zhǔn)2200mm。采用MAG單層單道焊接。焊縫形式為對(duì)接焊縫。

在實(shí)際的焊接過程中，自動(dòng)焊接機(jī)器人受多種因素影響，為了保證焊接質(zhì)量以及焊縫的美觀性，需要調(diào)試人員對(duì)自動(dòng)焊接機(jī)器人參數(shù)以及焊接工藝進(jìn)行多次優(yōu)化。

焊接完成不得有表面裂紋、未焊接、未融合、表面氣孔、未填滿和肉眼可見的夾渣等缺陷;焊縫與母材應(yīng)當(dāng)過渡圓滑;焊縫不得咬邊。

3.2 焊接工藝

①采用CO2保護(hù)氣體。采用焊接保護(hù)氣體可以提高焊縫質(zhì)量，減少焊縫加熱作用帶來的寬度，避免材質(zhì)氧化。CO2保護(hù)氣體適合自動(dòng)焊合全方位焊接，并且成本低[5]。②焊接電源。采用負(fù)載持續(xù)率≥60%的AC380V±10%三相逆變式焊接電源。③電弧電壓。電弧電壓對(duì)熔池的深度和寬度影響較大。當(dāng)電壓升高時(shí)，焊接熱量輸入增大，電弧太長(zhǎng)，會(huì)使工件上電弧覆蓋面積增大，熔池的寬度和深度增加，容易產(chǎn)生咬邊等焊接缺陷[6];當(dāng)電壓降低時(shí)，焊接熱量減少，若電弧太短，會(huì)使工件上電弧覆蓋面積減小，熔池的寬度和深度減小，焊縫會(huì)窄且凸。根據(jù)工件不同焊縫的特點(diǎn)選用的焊接電弧電壓在17～20V之間。④焊絲。由于CO2保護(hù)氣體具有較強(qiáng)的氧化性，固焊接材料應(yīng)選擇具有脫氧元素Si和Mn的H08Mn2siA焊絲，焊絲直徑為1.0mm，桶裝與盤裝均可。⑤焊接電流。在焊接過程中，焊接電流對(duì)焊縫的形成、熔點(diǎn)的過渡形式以及熔覆效率均有較大的影響[7]。在反復(fù)的試驗(yàn)后，焊接電流取70～120A，焊接速度為10～15L/min時(shí)，焊接效果最佳。

4? 分析與總結(jié)

本文針對(duì)大型盤狀結(jié)構(gòu)件類的產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題設(shè)計(jì)制定了采用機(jī)器人自動(dòng)定位并焊接的工藝。經(jīng)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：①提高了生產(chǎn)效率。單件工件采用機(jī)器人自動(dòng)焊接工時(shí)為操作工1人/20min;傳統(tǒng)手工焊接的工時(shí)為焊工1人/40min+輔工1人/10min。工作效率提升了3/5以上;②焊接質(zhì)量可控性高。機(jī)器人自動(dòng)焊接焊縫的寬度誤差可以保證在±0.5mm內(nèi)，且焊縫連續(xù)無接頭，即使在拐角處也可以獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，大大降低了后續(xù)修磨的人工成本;③該機(jī)器人自動(dòng)焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)在大批量生產(chǎn)時(shí)的連續(xù)作業(yè)，降低了勞動(dòng)成本，且操作安全性高。

參考文獻(xiàn)：

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