智能焊接生產線在鋁模板生產中的應用

王 強

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

隨著國家城市建設的快速發展、城鎮化的加速以及國民對城市住宅需求的增加，房地產行業逐步成為國民經濟的重要組成部分，隨著國家對環保以及綠色建筑的要求不斷提高，建筑鋁合金模板也逐步替代木模板、鋼模板成為建筑行業的主流材料。由于鋁模板有施工周期短、可多次重復使用、施工方便、穩定性好、承載能力高、外形美觀以及節能環保等優點，因此其在實際施工中的應用越來越廣泛。對目前鋁模板的焊接過程來說，大多數企業采用人工MIG焊接的方式，需要耗費大量的人工及費用，且焊后整形矯正、人工檢驗、打碼和碼垛等都需要大量的人力、物力，從而提高了鋁模板的生產成本。同時，為了滿足不同規格模板的需求，1臺較為復雜的多軸焊接變位機的成本甚至會超過標準機器人本身的成本。該文通過重新設計鋁模板焊接生產線來實現焊接工裝快速變換的目標，通過調整不同的焊接程序來實現對不同規格鋁模板標準板進行焊接的目標。

1 智能生產線設計

1.1 鋁模板焊接分析

鋁模板材質一般為6系鋁合金，常見材質為GGMB-T6、6061-T6，均為6系鋁合金，可焊性較好，并采用MIG焊接電源進行焊接。

雖然鋁模板焊接具有鋁模板規格型號多的難點，但是焊接位置和焊接長度是有規律可循的，長度和寬度也有限制，寬度的最大值為600 mm，長度的最大值為2 400 mm，例如墻板（圖1），墻板的加筋位置以及其他可焊接位置都有固定規律，為工裝設計提供了有利條件。且為了最大程度地滿足快速切換的需求，在設計焊接夾具時，盡可能保證各機構切換過程的流暢以及定位的準確性，而模板加筋位置的規律性給夾具和定位點的設計提供了有利條件。

圖1 標準墻板加工圖

在工序、工藝方面，工件以散件裝入夾具，機器人完成弧焊焊接。工件形位公差為0.0 mm~0.5 mm。焊接變形分析如下：模板橫筋焊接位置較多，焊接量較大，會導致焊接變形較大，模板的平整度無法得到保障，但是通過調整焊接順序可以有效減少鋁模板的變形量，因此在工裝設計時要根據變形規律來考慮焊接順序，增加夾緊固定裝置，盡量減少焊接變形現象和后續調平的工作量。

鋁模板焊接完成后還需要經過質檢、調平以及打碼等過程才能生產1片鋁模板。而且鋁合金導熱性好、焊接變形量大以及鋁模板本身結構加筋等因素會導致焊后調平矯正的過程需要耗費大量工時，為了解決這一系列的焊后問題，提高生產效率，該文將這一焊后處理過程引入生產線中，一次性解決鋁模板標準板的焊后問題。

目前市場上采用手工焊接的居多，鋁模板行業主要在2017—2022年才迎來大規模爆發式增長，生產模式滯后，偶爾出現的鋁模板生產新技術也以單純焊接機器人加簡易工裝為主，同時市場上大多數企業受資金、規模的限制，還沒有發展到大規模進行自動焊接生產線建設的階段。

1.2 焊接工作站設計

該文根據鋁模板產品的特點以及對尺寸精度、焊接質量和生產效率的要求設計了如下智能焊接工作站：該工裝機構采用左、右對稱布置，最大限度地提高了焊接機器人的使用效率，以滿足對大批量生產的需求，工作站如圖2所示。

圖2 焊接工作站示意圖

該工作站設計方案為雙機器人“H”形雙工位布局，布局中心配置松下最新一代智能弧焊TM1400機器人，兩側平行布置2個焊接工位。焊接系統由機器人、公共底座、焊接工作間、除塵設備、焊接夾具、焊接電源和電氣控制系統構成。設計系統采用模塊化設計，技術成熟穩定，維保便捷。具體單個焊接工裝站配置見表1。

表1 焊接工作站配置表

焊接工作站焊接平臺采用帶定位底座的工裝平臺配模塊化標準板夾具設計，在實現焊接的同時，還可以降低生產成本。模塊化工裝夾具實現焊接工裝夾具快速更換的功能，最快30 min即可實現更換，如圖3所示，焊接工裝和平臺采用多點定位方式進行安裝，以確保快速準確安裝并保證安裝精度。當焊接機器人焊接時，也配合工裝定位統一點為相對零點，確保焊接順序，減少焊接錯誤的發生。

圖3 焊接工作站示意圖

焊接工作站運行過程如下：操作者將散件按照先后次序固定在A工位焊接夾具上。退出至安全區域并按下雙手操作盒的啟動按鈕，安全工作間卷簾門自動關閉，機器人開始焊接。在機器人焊接的同時，操作者將散件按照先后次序固定在B工位焊接夾具上。操作者退至安全區域并按下操作盒的啟動按鈕，安全工作間卷簾門自動關閉，機器人等待或開始焊接。例如機器人正在焊接過程中，另一工位按下啟動按鈕后，系統進入預約狀態，待當前工位焊接結束后，機器人自動跳轉到預約工位開始焊接。焊接完成后，操作人員把焊接完成后的工件推向下料物流線（自動傳動）。待工件到輸送線的指定位置后，各工位間沒有裝件順序要求，機器人按照預先設置的程序判斷滿足條件的工位，再進行焊接，如此循環往復工作。

1.3 焊后系統

該鋁模板焊后系統根據生產流程分為鋁模板檢驗補焊部分、打碼矯正部分以及碼垛部分。

根據前一道工序的鋁模板焊接系統的輸送來料，模板檢驗補焊部分由4段輸送系統和補焊區組成，輸送系統一分為二，縱向輸送時，采用變頻電機用鏈輪和包膠動力軌道進行連接輸送。由2名焊接檢驗人員在該區域進行檢驗，并手動控制橫向輸送機構，采用SMC氣缸帶動的頂升機構+板鏈機構將工件橫向送入補焊區域。

該部分設計重點為橫向輸送機構和頂升機構的設計與縱向包膠輸送線之間的配合控制。

具體工作流程如下：焊接系統來料→人工檢測（是否漏焊）→（漏焊）按下按鈕→補焊區自動托舉機構上升（橫向輸送）→漏焊模板人工補焊→（未漏焊）模板輥道自動輸送到下一工序（縱向輸送）→生產線一主線分為二支線往后續延伸，如圖4所示。

圖4 檢驗補焊區域工作示意圖

在前一道工序的模板焊接檢驗完成后分為2條輸送支線，設置2道打碼矯正輸送支線。每條輸送支線由打碼機（1部）、調平機（2 個）以及激光檢驗機（1 個）組成。如圖5~圖7所示（生產線運行方向如箭頭所示）。

圖5 打碼矯正區域工作示意圖

圖7 再次校平輥道輸送線

打碼機構為預先設計完成，根據生產標準板批次，提前將模板名稱程序輸入打碼機控制系統，根據模板經過打碼機觸發傳感器自動控制打碼機工作，保證打碼位置均在模板的相同位置。而矯正校平工作采用相同原理，模板經過2次矯正校平后，如果經過激光檢測機構不合格，就延遲觸發橫向輸送機構，回傳到校平機繼續校平，直至校平合格后再向下傳輸。

具體工作流程如下：模板輥道自動輸送→氣動打標（自動設定）→一次調平→二次調平→激光自動檢測（模板是否合格，合格轉入下一道工序）→（不合格）系統自動計數→檢測區自動托舉機構上升（橫向輸送）→不合格模板通過輥道往回輸送→回主線自動托舉機構上升→模板通過自動校平機再次校平→激光自動檢測→（合格）模板通過輥道輸送到下一工序。

碼垛區采用ABB機器人進行碼垛，1個機器人負責2個輸送線的模板碼垛，機器手夾具采用氣動夾具，根據外形寬度定位、氣缸夾緊的方式進行裝卸。根據不同批次的模板采用不同型號的夾具，確保標準板生產能順利完成。具體布局如圖8所示。

圖8 碼垛區工作示意圖

1.4 同步輥道輸送系統

同步軌道輸送系統分為2個部分，一部分為焊接系統的輸送機構，另一部分為焊后系統的檢驗輸送機構，二者輸送行走動力輥道皆由包膠動力輥道和變頻減速電機組成，如圖9所示，包膠輥道寬度為515 mm，相鄰輥道間距為300 mm。輸送線每9 m~10 m設置1個同步減速電機，電機與輥道之間用鏈條和齒輪連接，包膠滾輪之間使用齒輪和鏈條連接成一個整體，確保輸送線有充足動力。

圖9 輸送機構軌道結構圖

1.5 控制系統

控制系統采用西門子S7系列PLC作為主控單元。與現場層的工業機器人、輸送電機、傳感器、檢測裝置和氣缸等各類元件進行控制與交互，以實現各作業單元的基本功能；區域控制器負責區域內作業單元之間的調度及協同運作、物流輸送以及異常處理；線體控制器負責為操作層提供基礎生產數據以及反饋控制。

圖6 打碼矯正區輸送線布局圖

2 智能生產線評估分析

經過對公司生產車間及規劃要求設計10聯焊接工裝站配備一套焊后處理系統，經過對整個生產線生產節拍進行分析，按每天2個班次進行生產，可實現日產2 800~3 000件標準板的目標，是人工生產的5~10倍，特別是對2 000 mm以上長度的平板類標準板來說，通過柔性化焊接機器人可實現多點分段焊接，顯著提高焊接效率和焊接質量。

同時焊后處理過程采用輸送線實現自動輸送、自動打碼、自動調平以及機器人碼垛，大大減少了人力的輸入和人力成本，有效降低人為因素對生產的影響，在節約成本的同時，還可以保證生產質量。如圖10所示。

圖10 輸送系統全域平面圖

3 結語

該文通過深入分析生產過程以及合適的設備選型，實現了對鋁模板標準板的規?；a，顯著提高了生產效率，對今后其他類似產品的智能生產線設計提供了設計思路。同時，該文的思路符合國家大力推行智能制造的理念，由于人力成本的上升，今后焊接技術智能化生產是必然趨勢，因此合理使用機器人設備是推動工業化制造技術發展的內在動力。