黃發(fā)義

1 前言

槽式輸送機(jī)是新型干法水泥生產(chǎn)線熟料輸送環(huán)節(jié)必不可少的設(shè)備，料槽是槽式輸送機(jī)運(yùn)行部分的組件，由1個(gè)底板、2個(gè)側(cè)板、2個(gè)支座分別成型后組焊而成，用于承載物料。料槽的結(jié)構(gòu)形式見圖1。

在槽式輸送機(jī)中，料槽具有數(shù)量多、易磨損、需定期更換的特點(diǎn)，每年都需大量配件，是生產(chǎn)制造中需批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。從料槽制造結(jié)構(gòu)分析：本體及支座的內(nèi)、外都有焊縫，每個(gè)料槽的焊縫長達(dá)1.9m，批量制造過程中焊接、翻轉(zhuǎn)的工作量非常大。

圖1 料槽結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，可以減少人為因素的干擾，達(dá)到穩(wěn)定焊接質(zhì)量、改善焊工勞動(dòng)條件、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。由于料槽的規(guī)格多、批量大，焊縫多而短，軌跡復(fù)雜，采用靈活性更好、速度更快的焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)料槽的柔性自動(dòng)焊接，無論是從提高產(chǎn)品質(zhì)量還是從降低成本來考慮，都是很有必要的。

2 料槽焊接面臨的問題

料槽焊接工藝改革前，需要鉚、焊工種配合才能完成焊接作業(yè)。工序步驟和用工數(shù)量多，焊接質(zhì)量嚴(yán)重依賴工人的技能水平。一個(gè)由3名鉚工、6名焊工組成的班組協(xié)同作業(yè)，單班能完成焊接含支座的料槽300件。整個(gè)焊接工序流程為人工組對(duì)、點(diǎn)焊→人工搬運(yùn)至焊接工位→焊接→搬運(yùn)并排放整齊→點(diǎn)焊支座→焊接支座。焊接工藝改革的目標(biāo)，是要實(shí)現(xiàn)一名普工即可操作全部流程，人工上料后，由機(jī)器人一次完成整個(gè)焊接工作，再由人工下件擺放。

用機(jī)器人進(jìn)行焊接，在沒有采用焊縫傳感技術(shù)時(shí)，要求工件的一致性要好，工件及其焊縫坡口要有足夠高的定位精度，并能在批量連續(xù)生產(chǎn)中保證裝配的重復(fù)性。一般尺寸誤差應(yīng)不超過±1mm。

采用先進(jìn)的焊縫傳感技術(shù)后，工件的尺寸偏差要求可以放寬。目前，應(yīng)用于弧焊領(lǐng)域最先進(jìn)的傳感技術(shù)是激光視覺傳感器，它是通過激光視覺傳感器檢測(cè)焊縫運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用圖像處理軟件計(jì)算出焊縫偏差，然后將偏差值傳送給PLC，由PLC控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。智能數(shù)字激光視覺傳感技術(shù)保證了電弧或激光熱源能準(zhǔn)確地對(duì)中焊縫，能實(shí)時(shí)調(diào)整焊接過程參數(shù)，并能在線檢測(cè)焊縫成形和表面缺陷[1]。然而在實(shí)際焊接試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，焊縫的軌跡簡單平緩，需要用激光來尋位、跟蹤才可靠，焊縫一旦脫離激光視覺傳感器的視場(chǎng)，或者視場(chǎng)內(nèi)有其他疑似焊縫的干擾，系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)報(bào)警停機(jī)或者焊偏。電弧傳感器是利用焊炬與工件之間的距離變化所引起的焊接參數(shù)變化，來探測(cè)焊炬高度和左右偏差。通過焊絲與工件的碰觸，實(shí)現(xiàn)焊縫初始尋位。通過焊槍的橫向擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫位置的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤，這會(huì)影響焊接的速度。在用電弧傳感器進(jìn)行焊接試驗(yàn)的過程中，也出現(xiàn)了嚴(yán)重焊偏、焊穿情況。圖2、圖3為采用焊縫傳感技術(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)出錯(cuò)的情形。

圖2 采用激光跟蹤試焊時(shí)出現(xiàn)焊槍脫離焊縫

圖3 采用電弧跟蹤試焊時(shí)出現(xiàn)焊偏

由于料槽的成型誤差超過±2mm，且焊縫軌跡復(fù)雜，有多處上、下坡及拐彎，不能應(yīng)用激光、電弧傳感等先進(jìn)的焊縫跟蹤方式。料槽的側(cè)板與底板搭接的缺口尺寸偏差較大，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為半搭接，焊后焊縫不會(huì)高出底板，但由于側(cè)板沖制缺口的尺寸有偏差，實(shí)際搭接形式還會(huì)出現(xiàn)兩種情況，會(huì)出現(xiàn)搭接不上，或者側(cè)板邊緣突出底板造成干涉，機(jī)器人的傳感器無法準(zhǔn)確識(shí)別焊縫。此外，側(cè)板與底板的組對(duì)間隙大，間隙有時(shí)超過3mm，而焊絲的直徑才1.2mm，焊絲會(huì)直接穿過縫隙而無法焊接到位，出現(xiàn)漏焊，嚴(yán)重影響到采用機(jī)器人焊接的可行性。要實(shí)現(xiàn)用機(jī)器人焊接料槽，必須先提高工件的尺寸精度。

3 工件的優(yōu)化改進(jìn)

為使料槽能滿足機(jī)器人焊接的基本條件，根據(jù)料槽部件成型設(shè)備使用及產(chǎn)品檢驗(yàn)的情況，梳理了料槽進(jìn)行機(jī)器人焊接試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)現(xiàn)有工件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定了相應(yīng)的解決方案及實(shí)施計(jì)劃。

3.1 工件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了消除不利于料槽組對(duì)、焊接的因素，我們修改了側(cè)板缺口尺寸，使側(cè)板與底板能完全搭接，只存在連續(xù)角接一種形式；修改了底板的設(shè)計(jì)，兩端增加了缺口，避開裝配時(shí)與側(cè)板的干涉；修改了底板缺口及臺(tái)階尺寸，組對(duì)時(shí)貼合間隙＜1mm。

3.2 成型設(shè)備的改進(jìn)

為了提高產(chǎn)品的成型精度，減小工件組對(duì)時(shí)的縫隙，對(duì)兩臺(tái)成型機(jī)的沖孔、沖缺口模具，切斷刀具，限位擋輪，沖孔、切斷定位銷，側(cè)板成型機(jī)的油缸連接法蘭等部位進(jìn)行改進(jìn)。

通過對(duì)底板軋機(jī)實(shí)施系列改造，對(duì)側(cè)板軋機(jī)進(jìn)行調(diào)整，使底板的斷口與側(cè)板更貼合，解決了料槽底板與側(cè)板組對(duì)縫隙大的問題，使縫隙控制在1mm左右。通過減小側(cè)板缺口尺寸，底板兩端增加缺口，使側(cè)板能與底板完全角接，消除了焊縫搭接形式多樣的問題，從根本上解決了機(jī)器人焊接的可行性問題，達(dá)到了用機(jī)器人進(jìn)行焊接的條件。

4 設(shè)置焊接工作站

料槽自動(dòng)化焊接工作站的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，滿足12種主要規(guī)格料槽的自動(dòng)化焊接，提高焊接效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。工作站由一人操作，不需要預(yù)先組對(duì)、點(diǎn)焊，每班完成料槽焊接100件。

弧焊機(jī)器人選用了內(nèi)置弧焊程序的6軸機(jī)器人。根據(jù)工件的復(fù)雜程度，機(jī)器人工作范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)作業(yè)面，同時(shí)考慮到機(jī)器人的工藝性能、速度、操作性、性價(jià)比等方面，該工作站選用了臂展1.4m天吊機(jī)器人。

弧焊電源應(yīng)有與機(jī)器人進(jìn)行通信的接口，參數(shù)調(diào)節(jié)性能要好。CO2氣體保護(hù)焊機(jī)價(jià)格便宜，生產(chǎn)效率高，但飛濺量大、成型差。通過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，脈沖MAG焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)射滴過渡、低飛濺、熔深大、焊縫強(qiáng)度高，適合全位置焊接。雖然氣體成本略高，但焊縫成形美觀，提高了焊接工藝性、焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。料槽的部件多為5mm薄板，參照手工焊接的工藝參數(shù)，選用350A的脈沖焊機(jī)。

焊接變位機(jī)能提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，料槽的焊縫復(fù)雜，內(nèi)、外都有焊縫，可根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)需要增加的變位系統(tǒng)。一般配置雙工位，以提高機(jī)器人的使用率，雙工位采用回轉(zhuǎn)式切換。為減少輔助時(shí)間，可選用三軸雙工位水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)。

焊接工裝是機(jī)器人工作站功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)保證足夠的裝焊空間，保證機(jī)器人焊接時(shí)所有焊縫均可達(dá)到，并便于工件的裝卸。夾具要滿足強(qiáng)度和加工精度，裝配完成后進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)，壓緊塊、定位銷位置有偏差的采用調(diào)整墊片來調(diào)整。夾具的夾緊應(yīng)可靠，不允許工件松動(dòng)滑移，也不得破壞工件的定位位置、形狀、尺寸。夾具的兼容性要好，調(diào)節(jié)方便，不同規(guī)格切換要能快速定位。該工作站設(shè)計(jì)的焊接夾具見圖4。

圖4 焊接夾具

機(jī)器人工作站應(yīng)配備安全防護(hù)裝置。周圍應(yīng)設(shè)有安全圍欄，防止人員誤入工作區(qū)域。為避免焊接弧光、煙塵對(duì)人員造成傷害，應(yīng)將焊接弧光隔離，并配置排煙系統(tǒng)。操作工進(jìn)出及上、下工件的位置設(shè)置安全光柵，變位機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，一旦有人進(jìn)入工作區(qū)，變位機(jī)、機(jī)器人能立即停止運(yùn)動(dòng)，避免出現(xiàn)安全事故[2]。為方便示教及檢修，配置檢修門及安全鎖，操作維護(hù)人員開門進(jìn)入房體內(nèi)時(shí)，機(jī)器人不會(huì)啟動(dòng)工作。

5 項(xiàng)目成果

料槽自動(dòng)化焊接工作站的成功應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了用工量，降低了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。項(xiàng)目成果主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）料槽焊接生產(chǎn)柔性化。一套焊接工裝能滿足12種主要規(guī)格料槽的定位與夾緊，取代了原有20多套組對(duì)模，幾分鐘即可完成切換，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

（2）料槽焊接流程簡化。單人操作取代了原來的班組作業(yè)，只需一名普工借助物流系統(tǒng)上、下工件，由機(jī)器人自動(dòng)完成整個(gè)焊接過程。焊接夾具保證了焊縫的一致性，減小了工件組對(duì)搭接縫隙，實(shí)現(xiàn)了工件焊前免點(diǎn)焊。

（3）焊接效率、質(zhì)量提升。工作站實(shí)現(xiàn)了超低飛濺脈沖MAG焊，焊接速度達(dá)1.0m/min，飛濺量減少90%，平均班產(chǎn)能100件。機(jī)器人可連續(xù)工作，避免了人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，保證了焊縫的一致性。

（4）工作環(huán)境改善。工作站四周封閉，裝件區(qū)與焊接區(qū)隔離，避免了焊接飛濺、煙塵及弧光對(duì)操作人員的傷害，也避免了氣流對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

（5）降低了操作技能要求。機(jī)器人內(nèi)置焊接條件數(shù)據(jù)庫，可縮短程序調(diào)試時(shí)間，一名普工即可操作，實(shí)現(xiàn)了以機(jī)器人代替專業(yè)焊工。

（6）安全性高。操作區(qū)域弱電控制，消除了電氣安全隱患。安全設(shè)施齊全，保障了人身安全。

本項(xiàng)目在上、下工件環(huán)節(jié)未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，主要考慮到適度自動(dòng)化，而且工件焊接時(shí)間長，單工作站配置一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，使用率太低。

6 結(jié)語

焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化在提高效率、降低成本、改進(jìn)質(zhì)量、保障安全和滿足高水準(zhǔn)制造要求等方面具有極大優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人焊接工作站能夠?qū)崿F(xiàn)多種焊接工藝的自動(dòng)化，極大地提高零部件生產(chǎn)的效率及自動(dòng)化水平，同時(shí)生產(chǎn)更具有柔性，焊接質(zhì)量有保證。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接，與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)批量、生產(chǎn)條件、人員素質(zhì)等各方面都有很大關(guān)系。只有滿足了先決條件，如零件的表面質(zhì)量、零件本身的尺寸一致性，夾具的強(qiáng)度及定位的精度、焊縫的可達(dá)性、焊接工藝參數(shù)的正確性，才能實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)焊接，充分發(fā)揮機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

科特迪瓦項(xiàng)目一次性投料試生產(chǎn)成功

科特迪瓦當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月9日8時(shí)58分，在業(yè)主、分包及公司項(xiàng)目部人員的集體見證下，由天津院有限公司總承包的科特迪瓦信譽(yù)水泥年產(chǎn)2×60萬噸水泥粉磨生產(chǎn)線項(xiàng)目1號(hào)線一次性投料試生產(chǎn)成功，并于2018年11月10日19時(shí)10分生產(chǎn)出第一包袋裝水泥；2號(hào)水泥生產(chǎn)線也于科特迪瓦當(dāng)?shù)貢r(shí)間2018年11月11日17時(shí)一次性投料試生產(chǎn)成功，比合同工期提前50天。

科特迪瓦信譽(yù)水泥粉磨站項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)自2018年1月1日正式開工以來，項(xiàng)目部全體員工在公司領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心下，帶領(lǐng)土建及安裝分包商精心組織施工方案，與業(yè)主、監(jiān)理密切溝通，合理安排施工順序，努力克服當(dāng)?shù)卮笮蜋C(jī)具租賃困難、大小雨季施工困難以及瘧疾頻發(fā)等種種困難，于2018年6月28日完成全部土建主體工作，2018年10月14日完成全部機(jī)械及電氣設(shè)備安裝工作，并完成除高壓設(shè)備外所有設(shè)備的單機(jī)試車工作；在業(yè)主高壓電2018年11月5日送電后，調(diào)試僅用4天時(shí)間就完成剩余高壓設(shè)備的單機(jī)試車及全廠的聯(lián)動(dòng)試車，最終于11月9日成功實(shí)現(xiàn)1號(hào)線的投料試生產(chǎn)。業(yè)主及其股東給予天津院極高的評(píng)價(jià)，盛贊天津院的施工速度及質(zhì)量，與此同時(shí)信譽(yù)水泥的上級(jí)管理單位亞非企業(yè)管理（西安）有限公司于2018年11月10日向公司發(fā)來了感謝信，感謝公司對(duì)本項(xiàng)目做出努力。

項(xiàng)目部全體員工將繼續(xù)恪盡職守，絕不松懈，繼續(xù)完成投料后續(xù)的考核及收尾工作，爭取早日拿到PAC證書，向公司交上一份滿意的答卷。