曹成銘，李圣文，陳波，程延海

(1.山東能源重裝集團 恒圖科技有限公司， 山東 泰安 271222；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院， 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雜性，難以實現(xiàn)自動化焊接，不得不以手工焊接為主，工人勞動強度極大，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)效率也無法進一步提高。隨著先進制造技術(shù)和自動化的蓬勃發(fā)展，采用機器人自動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、掩護梁、底座及連桿等)的機器人自動化焊接生產(chǎn)線是我國高端綜采裝備生產(chǎn)制造的當前重要需要，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、勞動力成本等提出了越來越高的要求，機器人自動化焊接加工向工程、礦山機械等領(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械行業(yè)及鐵路機車等典型構(gòu)件機器人項目的建設(shè)，并在國內(nèi)進行了實際應(yīng)用。IGM和CLOOS公司提供的柔性機器人制造線共同特點主要集中在結(jié)構(gòu)件焊接，主要包括機器人工作站，自動上下料RGV小車，工件緩沖平臺等，其與上游自動送料和下游轉(zhuǎn)加工，涂裝等工序不進行通訊銜接，因此信息化程度不高。

國內(nèi)的相關(guān)煤機企業(yè)近年來不斷嘗試引進焊接機器人工作站，實現(xiàn)了液壓支架結(jié)構(gòu)件的局部自動化焊接，但均沒有布局成線，未將工件搬運、翻轉(zhuǎn)，焊縫質(zhì)量檢測等實現(xiàn)自動化，使用較局限，也未充分發(fā)揮焊接機器人工作站的最大效能；生產(chǎn)時輔助人工天車進行上下料，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個主筋、若干個筋板及2個彎板組焊而成，為液壓支架的主要承力件，其焊接可靠性非常重要。但連桿采用自動化焊接從技術(shù)和經(jīng)濟性等方面存在兩方面的問題:

1) 程序調(diào)用繁復。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，程序編制復雜。同時，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行往復多層多道焊接，程序調(diào)用較為繁復。在交期越來越短的情況下，機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)計不斷變化，制造廠家無法使用統(tǒng)一工裝進行組對，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。導致機器人在焊接程序中需加入大量糾偏尋位程序，在進一步加大編程工作量的同時也導致在實際焊接過程中機器人不斷尋位，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 連桿焊接工藝及機器人自動化焊接生產(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，分析連桿機器人自動化焊接生產(chǎn)線的工藝設(shè)計方案。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 連桿機器人自動化焊接生產(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個鉸接孔，以及以上焊接工藝特點。為提高效率，可將2個連桿通過定位夾具的形式進行串聯(lián)，通過雙機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)，機器人焊接工作站需具有±180°旋轉(zhuǎn)能力。為充分利用機器人焊接工作站，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)焊縫焊接機器人工作站，以及外焊縫焊接機器人工作站2種形式，但配置統(tǒng)一，具體數(shù)量配比以人工焊接時的實際生產(chǎn)節(jié)拍進行確定。為提供連桿的自動化焊接水平，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)實現(xiàn)工件的自動上下料，同時設(shè)置若干上料架及下料架(帶傳感功能)，并輔助以MES系統(tǒng)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)線機器人工作站、物流系統(tǒng)、上/下料架的自動化無人生產(chǎn)運作。

4 連桿機器人自動化焊接生產(chǎn)線設(shè)計

4.1 節(jié)拍分析

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

4.2 機器人焊接生產(chǎn)線設(shè)計

1) 焊接機器人工作站。根據(jù)以上節(jié)拍計算，機器人焊接生產(chǎn)線主要實現(xiàn)連桿的一次(內(nèi)檔)及二次(外焊縫)的自動化焊接，2道工序的焊接機器人工作站數(shù)量配比設(shè)計為3∶4，共計配置7套雙機器人焊接系統(tǒng)，形式為2臺機器人+變位機，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；變位機承載需大于5 000 kg(考慮一次裝夾2個連桿，單個連桿平均2 t)，且底部留有裝夾盤對向運動的導軌；夾緊機構(gòu)采用液壓或電動夾緊。設(shè)備采用雙機器人同步聯(lián)動控制技術(shù)，可保證變位機旋轉(zhuǎn)進行圓弧處焊接時，雙機器人可同步焊接。能確保2焊接機器人同步焊接，對于左右對稱的連桿體部分能保證同時起弧，同時焊接，同時結(jié)束。詳細配置方案：2套6(7)自由度焊接機器人本體(臂長不低于1 800 mm)、鋼結(jié)構(gòu)機械手支撐座、機器人控制系統(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、防碰撞系統(tǒng)、氣體噴嘴傳感器、四輪驅(qū)動送絲系統(tǒng)、清槍裝置及配套設(shè)備。其優(yōu)點是內(nèi)焊縫焊接時可實現(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個主體軌道、7個副軌、1個RGV物流小車。

3) 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)RGV小車、上料架、下料架及機器人系統(tǒng)和安全檢測的協(xié)調(diào)控制。在自動運轉(zhuǎn)時與各工位的周邊裝置控制箱進行信號交換，完成工件的自動搬運、搬出控制。另外，也進行各個工位上設(shè)置的安全插銷和光電傳感控制，控制整個物流線的電源供給?？刂葡到y(tǒng)需預留單站的控制接口，后續(xù)只需增加焊接機器人單站、滑觸線、導軌等相關(guān)部件，即可實現(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)線安全及有效運營考慮，需在生產(chǎn)線的一端設(shè)置1個控制室，硬件包括1臺電腦；軟件包括1套監(jiān)控系統(tǒng)(監(jiān)控攝像頭分設(shè)7套焊接機器人工作站、4個上/下料架等)、1套焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)(主要監(jiān)控焊接機器人工作站的實時電流、電壓、氣體流量、焊接速度及線能量)。

5) 其他配套?？紤]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 連桿機器人自動化焊接生產(chǎn)線配置

5 實際應(yīng)用情況

連桿機器人焊接生產(chǎn)線已在山東能源重裝集團成功應(yīng)用，它的研制實現(xiàn)了連桿焊接過程的自動上下料、自動物流輸送、自動焊接及質(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，實現(xiàn)了連桿的數(shù)字化生產(chǎn)。自上線運營以來，已實現(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，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、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及生產(chǎn)節(jié)拍等角度出發(fā)，設(shè)計了一條實現(xiàn)連桿機器人自動化焊接生產(chǎn)線，為頂梁、掩護梁、底座等復雜液壓支架結(jié)構(gòu)件的自動化焊接生產(chǎn)線的研制或研制集成下料、成型、機加工、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)驗借鑒。