曹成銘，李圣文，陳波，程延海

(1.山東能源重裝集團(tuán) 恒圖科技有限公司， 山東 泰安 271222；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著我國煤炭工業(yè)的快速發(fā)展和大型能源基地的建設(shè)，現(xiàn)代化礦井采煤裝備大型化、自動(dòng)化發(fā)展趨勢明顯，年產(chǎn)1 000萬t/d以上的大型高端綜采裝備需求量越來越大。液壓支架作為綜采裝備中最為主要的設(shè)備，投資額占到成套綜采設(shè)備投資的60%左右,其主體主要由形狀復(fù)雜的箱形焊接結(jié)構(gòu)件組成，作為承受重載、沖擊載荷的采煤重要設(shè)備，其焊接質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的必要保證?，F(xiàn)有液壓支架的制造，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性和焊接工藝的復(fù)雜性，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，不得不以手工焊接為主，工人勞動(dòng)強(qiáng)度極大，無法保證焊接工作的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的一致性，生產(chǎn)效率也無法進(jìn)一步提高。隨著先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，采用機(jī)器人自動(dòng)焊接已成為提高焊接效率和質(zhì)量的有效手段[1-2]。因此，大力發(fā)展液壓支架結(jié)構(gòu)件(如頂梁、掩護(hù)梁、底座及連桿等)的機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線是我國高端綜采裝備生產(chǎn)制造的當(dāng)前重要需要，也是國家煤炭行業(yè)發(fā)展的需要。

1 國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

世界制造工業(yè)的高速發(fā)展，對產(chǎn)品的制造質(zhì)量、效率、勞動(dòng)力成本等提出了越來越高的要求，機(jī)器人自動(dòng)化焊接加工向工程、礦山機(jī)械等領(lǐng)域得到迅速延伸。尤其在汽車制造領(lǐng)域，已經(jīng)得到了普遍的推廣應(yīng)用。國外以中厚板鋼結(jié)構(gòu)件機(jī)器人技術(shù)為核心的系統(tǒng)集成商主要有奧地利的IGM公司和德國CLOOS公司，這兩家公司均較早地涉及了工程機(jī)械行業(yè)及鐵路機(jī)車等典型構(gòu)件機(jī)器人項(xiàng)目的建設(shè)，并在國內(nèi)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。IGM和CLOOS公司提供的柔性機(jī)器人制造線共同特點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)件焊接，主要包括機(jī)器人工作站，自動(dòng)上下料RGV小車，工件緩沖平臺等，其與上游自動(dòng)送料和下游轉(zhuǎn)加工，涂裝等工序不進(jìn)行通訊銜接，因此信息化程度不高。

國內(nèi)的相關(guān)煤機(jī)企業(yè)近年來不斷嘗試引進(jìn)焊接機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)了液壓支架結(jié)構(gòu)件的局部自動(dòng)化焊接，但均沒有布局成線，未將工件搬運(yùn)、翻轉(zhuǎn)，焊縫質(zhì)量檢測等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，使用較局限，也未充分發(fā)揮焊接機(jī)器人工作站的最大效能；生產(chǎn)時(shí)輔助人工天車進(jìn)行上下料，存在較多安全隱患[3-6]。

2 液壓支架連桿焊接中存在的問題

液壓支架連桿通常由2個(gè)主筋、若干個(gè)筋板及2個(gè)彎板組焊而成，為液壓支架的主要承力件，其焊接可靠性非常重要。但連桿采用自動(dòng)化焊接從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等方面存在兩方面的問題:

1) 程序調(diào)用繁復(fù)。液壓支架連桿本質(zhì)上是多品種小批量的產(chǎn)品，同樣的產(chǎn)品一批最多也就是百余架，不同型號的產(chǎn)品如果需要使用機(jī)器人焊接，就需要編制不同的程序，液壓支架連桿為格子間類型，焊縫種類多，程序編制復(fù)雜。同時(shí)，為了保證焊接質(zhì)量，控制焊接變形，又需要按照特定焊接順序進(jìn)行往復(fù)多層多道焊接，程序調(diào)用較為繁復(fù)。在交期越來越短的情況下，機(jī)器人工作站往往處于不斷編程的狀態(tài)，設(shè)備使用率很低。

2) 焊接效率低。由于產(chǎn)品批量不大，設(shè)計(jì)不斷變化，制造廠家無法使用統(tǒng)一工裝進(jìn)行組對，普遍采用人工劃線的方式組對。連桿在焊接過程中必然會(huì)產(chǎn)生焊接變形，不僅多層多道的打底軌跡需要尋位糾偏，而且每次的填充軌跡或蓋面軌跡也極有可能需要尋位糾偏。導(dǎo)致機(jī)器人在焊接程序中需加入大量糾偏尋位程序，在進(jìn)一步加大編程工作量的同時(shí)也導(dǎo)致在實(shí)際焊接過程中機(jī)器人不斷尋位，使之不能持續(xù)燃弧且焊接效率較低，生產(chǎn)效率自然也就不高。

3 連桿焊接工藝及機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線要求

3.1 連桿焊接工藝

以某型號連桿焊接工藝流程為例，分析連桿機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì)方案。圖1為典型連桿三維結(jié)構(gòu)，圖2為連桿的焊接工藝流程圖。

圖1 典型連桿三維圖

3.2 連桿機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線要求

考慮到連桿為大批量簡單箱體結(jié)構(gòu)，前后各有1個(gè)鉸接孔，以及以上焊接工藝特點(diǎn)。為提高效率，可將2個(gè)連桿通過定位夾具的形式進(jìn)行串聯(lián)，通過雙機(jī)器人焊接工作站焊接。為保證連桿兩頭的圓弧處充分焊接，不停頓，避免焊接接頭的生產(chǎn)，機(jī)器人焊接工作站需具有±180°旋轉(zhuǎn)能力。為充分利用機(jī)器人焊接工作站，從焊接工藝及工藝離線編程、調(diào)用效率等出發(fā)，將焊接工作站分設(shè)為連桿內(nèi)焊縫焊接機(jī)器人工作站，以及外焊縫焊接機(jī)器人工作站2種形式，但配置統(tǒng)一，具體數(shù)量配比以人工焊接時(shí)的實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行確定。為提供連桿的自動(dòng)化焊接水平，需將各焊接工作站集成，通過引入智能物流系統(tǒng)(帶物流小車)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上下料，同時(shí)設(shè)置若干上料架及下料架(帶傳感功能)，并輔助以MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線機(jī)器人工作站、物流系統(tǒng)、上/下料架的自動(dòng)化無人生產(chǎn)運(yùn)作。

4 連桿機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)拍分析

連桿機(jī)器人焊接生產(chǎn)線主要考慮實(shí)現(xiàn)連桿的焊接自動(dòng)化。根據(jù)連桿焊接工藝流程，主要對連桿的內(nèi)檔及外焊縫焊接時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以某型號連桿進(jìn)行測算：一次焊接(內(nèi)檔)準(zhǔn)備時(shí)間約為270 min；一次(內(nèi)檔)焊接時(shí)間約為165 min；二次焊接(外焊縫)準(zhǔn)備時(shí)間約為300 min；二次(外焊縫)焊接時(shí)間約為275 min；二次(外焊縫)人工補(bǔ)焊焊接時(shí)間約為30 min。

4.2 機(jī)器人焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

1) 焊接機(jī)器人工作站。根據(jù)以上節(jié)拍計(jì)算，機(jī)器人焊接生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)連桿的一次(內(nèi)檔)及二次(外焊縫)的自動(dòng)化焊接，2道工序的焊接機(jī)器人工作站數(shù)量配比設(shè)計(jì)為3∶4，共計(jì)配置7套雙機(jī)器人焊接系統(tǒng)，形式為2臺機(jī)器人+變位機(jī)，可完成連桿內(nèi)部貼板、主筋和隔板間的焊縫焊接，以及蓋板與主筋焊縫的打底焊接，蓋板與主筋焊縫的多層多道焊接；變位機(jī)承載需大于5 000 kg(考慮一次裝夾2個(gè)連桿，單個(gè)連桿平均2 t)，且底部留有裝夾盤對向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌；夾緊機(jī)構(gòu)采用液壓或電動(dòng)夾緊。設(shè)備采用雙機(jī)器人同步聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，可保證變位機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行圓弧處焊接時(shí)，雙機(jī)器人可同步焊接。能確保2焊接機(jī)器人同步焊接，對于左右對稱的連桿體部分能保證同時(shí)起弧，同時(shí)焊接，同時(shí)結(jié)束。詳細(xì)配置方案：2套6(7)自由度焊接機(jī)器人本體(臂長不低于1 800 mm)、鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械手支撐座、機(jī)器人控制系統(tǒng)、電柜及電柜空調(diào)、微電腦脈沖焊接電源(500 A)、一套頭尾架式變位機(jī)、防碰撞系統(tǒng)、氣體噴嘴傳感器、四輪驅(qū)動(dòng)送絲系統(tǒng)、清槍裝置及配套設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)焊縫焊接時(shí)可實(shí)現(xiàn)筋板周邊3道焊縫的連續(xù)焊接。

2) 物流系統(tǒng)?？紤]投資成本及智能化水平，該生產(chǎn)線配置的一套物流系統(tǒng)需包括1個(gè)主體軌道、7個(gè)副軌、1個(gè)RGV物流小車。

3) 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)RGV小車、上料架、下料架及機(jī)器人系統(tǒng)和安全檢測的協(xié)調(diào)控制。在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與各工位的周邊裝置控制箱進(jìn)行信號交換，完成工件的自動(dòng)搬運(yùn)、搬出控制。另外，也進(jìn)行各個(gè)工位上設(shè)置的安全插銷和光電傳感控制，控制整個(gè)物流線的電源供給?？刂葡到y(tǒng)需預(yù)留單站的控制接口，后續(xù)只需增加焊接機(jī)器人單站、滑觸線、導(dǎo)軌等相關(guān)部件，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。圖3為生產(chǎn)控制系統(tǒng)功能圖。

圖3 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)功能

4) 控制室。從生產(chǎn)線安全及有效運(yùn)營考慮，需在生產(chǎn)線的一端設(shè)置1個(gè)控制室，硬件包括1臺電腦；軟件包括1套監(jiān)控系統(tǒng)(監(jiān)控?cái)z像頭分設(shè)7套焊接機(jī)器人工作站、4個(gè)上/下料架等)、1套焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)(主要監(jiān)控焊接機(jī)器人工作站的實(shí)時(shí)電流、電壓、氣體流量、焊接速度及線能量)。

5) 其他配套。考慮到生產(chǎn)節(jié)拍，上料架及下料架均配置2套；為便于提高焊接效率，需配置1套離線編程軟件；14套連桿對心夾具；連桿焊接生產(chǎn)線主要構(gòu)成見表1?？傮w工藝布置如圖4所示。

表1 連桿機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線配置

5 實(shí)際應(yīng)用情況

連桿機(jī)器人焊接生產(chǎn)線已在山東能源重裝集團(tuán)成功應(yīng)用，它的研制實(shí)現(xiàn)了連桿焊接過程的自動(dòng)上下料、自動(dòng)物流輸送、自動(dòng)焊接及質(zhì)量監(jiān)控；通過PLM產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)，打通了企業(yè)技術(shù)信息化CAD/CAM/MES，實(shí)現(xiàn)了連桿的數(shù)字化生產(chǎn)。自上線運(yùn)營以來，已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)連桿10 000件的能力，并在保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高焊接效率，改善工人作業(yè)環(huán)境方面發(fā)揮了積極作用。

圖4 連桿焊接生產(chǎn)線工藝布置

6 結(jié)論

煤炭機(jī)械液壓支架各結(jié)構(gòu)件由于小品種、小批量化生產(chǎn)特性，窄、深格子間特點(diǎn)，中厚板多層多道難焊接工藝技術(shù)等，一直成為限制其結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模智能制造的關(guān)鍵因素。本文以液壓支架各結(jié)構(gòu)件中較為簡單的連桿為例，從其焊接工藝特點(diǎn)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)節(jié)拍等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一條實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，為頂梁、掩護(hù)梁、底座等復(fù)雜液壓支架結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的研制或研制集成下料、成型、機(jī)加工、熱處理、裝配等所有制造工序環(huán)節(jié)的數(shù)字化智能無人工廠提供技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)借鑒。