叉車結構件焊接機器人柔性生產線的設計與研究

1 引言

浙江尤恩叉車股份有限公司（以下簡稱“公司”）是工業車輛制造企業，產品種類主要為三向堆垛叉車、電動叉車、內燃叉車。 其中，叉車結構件產品原材料主要包括鋼材與型材，主要通過剪板、折彎、沖壓、氣割、焊割、下料、加工、焊接、噴涂等工藝流程，生產出半成品叉車結構件，并根據不同產品的具體配置要求組裝相應結構件系統，完成不同型號產品的生產。

車架、門架、護頂架作為叉車關鍵核心承重部件，其焊接質量、加工精度和外觀質量至關重要。 特別是叉車對車架焊接質量的要求達到一級焊縫，從而對焊接工人的焊接技術、設備性能、設備穩定性等都提出了更高的要求。 因為車架是叉車關鍵的受力承載基體， 叉車上所有的零部件都直接或間接與之產生裝配關系，是門架、貨叉、護頂架、駕駛室、發動機、驅動橋、變速箱等零部件的承重載體，叉車車架結構是叉車的主要作業承重機構， 車架焊縫的焊接質量和由焊接引起的變形直接關系到叉車的性能和作業可靠性，因此，對叉車車架的焊接要求越來越高。

公司開展了叉車結構件機器人焊接生產線的改造升級，并解決了機器人焊接結構形式及工藝流程優化、生產線控制、焊接誤差檢測等關鍵技術難題，實現叉車的門架、車架、護頂架、貨叉架等關鍵結構件使用焊接機器人完成焊接工作。

2 技術解決方案

公司焊接生產線改造前的焊接工藝如圖1 所示， 主要基于焊接工人的經驗，其自動化、機械化程度較低，基本只能滿足產量較少或質量要求不高的市場需求， 為適應公司的可持續發展需要，有必要進行生產工藝改造與更新。

圖1 焊接生產線改造前的生產工藝

傳統叉車結構件焊接車間主要存在以下問題：

1）傳統手工焊接的缺點很大，如質量不穩定、生產效率不高、管理成本高、用工成本高、安全隱患較大，焊工患塵肺病的概率較大。

2）工藝設計和產品可制造性分析仍然依賴個人的知識和經驗，產品焊接制造缺乏靈活性，生產線快速復制能力不強，因此，要實現可行的工藝計劃，必須不斷地“試錯”。 提高產品一致性、提高制造靈活性、提高制造效率，是從傳統叉車焊接車間向叉車焊接柔性車間轉變的重要做法。

在工業發達國家，信息、機器人、自動化、傳感器等技術被廣泛應用于工程機械、汽車、飛機等制造領域，生產過程逐漸數字化和智能化。

通過比較國內傳統叉車結構件焊接車間與國外工程機械典型柔性化車間，形成如圖2 所示的生產要素圖譜。 結構件焊接車間充分利用先進成熟的技術手段，如仿真建模、網格化和數字化、智能化制造單元等，實現產品標準化生產，提高生產柔性和生產效率。 叉車結構件焊接車間需滿足技術發展、目標需求、車間構建等維度要素。

圖2 叉車結構件機器人焊接車間生產要素圖譜

叉車結構件的焊接自動化及焊接精度的提升是整個工程機械行業乃至重工業的困難點。 同時，實現叉車結構件研發設計與制造的協同，減少樣機試制成本，縮短新產品研制周期也是整個行業追求的目標。

為了攻克叉車結構件加工制造過程中的業務痛點， 公司決定實施“叉車結構件機器人焊接柔性生產線改造”項目，實現“提效降本”的目的。

近年來，公司積極推進叉車結構件自動化率提升，大力推廣焊接機器人應用于叉車的后橋、油箱、門架、車架、貨叉架等結構件焊接，以確保結構件焊縫質量穩定可靠。 公司采用的生產方案如下。

2.1 生產綱領要求

應滿足以下年均生產目標：月產結構件3 000 件（按3 145 mm×1 650 mm×1 785 mm 結構件計算）。

2.2 適應結構件規格

結構件材質：Q345、Q460、Q550、Q690、Q800、Q890、Q960。

結構件（車架、門架、護頂架）最大外形尺寸：3 145 mm×1 650 mm×1 785 mm（長×寬×高）。

結構件最大質量：1 040 kg。

2.3 物流和工藝要求

結構件焊接生產線初步方案不考慮智能物流系統，通過行車實現焊接結構件的轉運及裝卸， 即可完成對車架、門架、護頂架的焊接。 工藝特點是兩次拼裝、加熱，兩次焊接成型。

2.4 主要設備

公司采用的設備用于以上所提到的結構件的自動化焊接，設備主要由弧焊機器人、焊接電源、焊接變位機、清槍剪絲站、控制系統等組成。 操作人員只需將組對點固好的結構件放到變位機上，利用擋塊定位，螺栓壓板壓緊后，直接調用相關程序即可完成自動化焊接。

焊接機器人由于具有生產過程自動化、勞動強度小、生產效率高、產品焊接質量穩定、可持續作業等優點，在工程機械系統中得到了廣泛應用[1]。

2.5 工裝夾具

夾具設計是叉車結構件柔性化生產中的重要環節， 考慮到叉車型號的繁雜多樣，其結構件零部件必然也非常多。 在綜合考慮生產成本及生產效率等因素后， 公司設計可適用不同叉車結構件焊件的工裝夾具。

工裝夾具主要基于硬件與軟件進行生產防錯，硬件方面是因為對應的夾具頭只能裝夾對應的叉車結構件焊件，軟件是通過焊接機器人的觸覺來確認所選的示教程序是否對應相應的焊件，其主要原理是基于焊件產品的大小、結構外形及焊縫分布的不同，焊接機器人在感知、識別時其行走的方向、距離、位置也不同。按照焊接工藝和叉車結構件的技術要求，公司自制了多套工裝夾具，其主要特點為：（1）降低焊接應力， 減小焊接變形；（2） 可實現多種叉車結構件的焊接生產， 一套夾具就可完成幾個產品或幾十個產品的需求[2]；（3）更換不同工裝夾具，能自動調用相應的焊接程序；（4）降低勞動強度。

2.6 焊接監控系統

叉車結構件機器人焊接柔性生產線采用先進的信息化管理技術實現車間焊接設備聯網，進行工藝管理、生產管理、成本管理、設備管理、品質管理，具備焊接過程管理和數據統計分析等功能，可詳細記錄焊接工藝、作業者信息、工時信息、耗材消耗等生產信息， 實現了焊接過程、 焊接質量等的追蹤溯源，具體如圖3 所示。

圖3 焊接車間監控系統

3 機器人焊接生產工藝總結

機器人焊接自動化和柔性化程度高， 通過改變焊接機器人的示教程序與更換相應的工裝夾具， 可完成不同叉車焊件產品的焊接，滿足叉車不同結構件焊接生產的實際需要。 叉車關鍵結構件通過應用機器人焊接后， 產品的外觀和質量大大提高了。 該生產線自經過一年多的試運行，累計完成叉車的門架、車架、護頂架、貨叉架等結構件焊接共計10 000 余件，生產效率提升40%，焊接操作工人縮減30%。叉車結構件機器人焊接柔性生產線如圖4 所示， 能夠適應多種規格焊件的柔性化焊接。

圖4 叉車結構件機器人焊接柔性生產線流程

叉車結構件機器人焊接柔性生產線關鍵技術的突破及自動化車間的建設， 是智能制造技術在傳統叉車工業產品生產中的重要應用，改變了傳統手工焊接生產模式，形成了以機器人焊接為主、人工修復焊接為輔的自動化焊接線模式。

總之，在設計叉車結構件機器人焊接生產線時，必須考慮不同焊接機器人的性能不同，其實際應用效果也會有所不同。但必要的基本選擇要求則需考慮以下原則。

1）選擇焊接控制系統時，除考慮焊件所需的焊接工藝外，焊接控制系統與機器人的連接通信也尤為關鍵， 以此確保叉車焊件產品質量的一致性或穩定性。

2） 設計該機器人焊接生產線的目的是提高生產效率、生產質量和安全，在叉車結構焊接生產線的設計之初，就要充分考慮如何確保人、機器和材料的安全。

3）在焊接生產線正式投產前必須進行生產調試，提前發現并解決潛在的問題，確保滿足叉車焊接生產的需要。

4 預期目標

1）實現叉車結構件機器人焊接生產管理數字化、控制管理實時化，實現叉車結構件進出工位、工裝及智能機器人的快速穩定柔性化生產，完成叉車結構件復雜軌跡的自動焊接，實現柔性化、自動化的焊接制造。

2）針對不同規格、不同材質叉車結構件在不同環境中機器人柔性化焊接的加工方法及其加工工藝， 建立叉車結構件焊接工藝企業標準和數據庫， 使公司在叉車結構件機器人焊接領域達到國內領先水平。

3）通過研究、使用機器人對叉車結構件的焊接，積累對叉車結構件機器人焊接使用經驗， 提高叉車結構件焊接的柔性化、智能化焊接水平，推動叉車結構件機器人焊接柔性生產線的普及。

4）通過設計、試制、加工生產、組裝調試、試驗到使用這一系列過程，公司要達到可獨立設計、研制、建設標準叉車結構件機器人焊接柔性生產線的能力。

5）新產品研制周期縮短10%、生產效率提升40%，焊接操作工人縮減30%、產品不良品率下降35%。

5 項目成效

隨著叉車制造對產品性能、產品可靠性、生產效率、生產成本等的要求越來越高， 以信息技術為牽引的柔性化焊接制造，不僅大大減少了對人力物力的依賴，還可以大幅度提升焊接質量與效率，確保了叉車結構件焊接生產的質量和安全性。通過建造叉車結構件機器人焊接柔性生產線， 掌握了叉車結構件柔性裝配、智能焊接和自動物流等共性關鍵技術，已在公司叉車關鍵結構件產品上進行了生產應用， 得到市場的普遍認可和好評，項目主要實際成效如下。

1）經過一年的實際生產證明：叉車結構件采用機器人焊接生產線進行批量生產是完全可行的。

2） 運用機器人能提升叉車焊接生產線的柔性化程度，以及能夠提高工業車輛關鍵零部件焊接質量， 值得在叉車制造行業大規模推廣應用。

3）焊接機器人在叉車制造工藝中的應用，不僅可以提高叉車制造的生產效率，還能在提升叉車的制造質量。