張忠芳 董航 田志遠 趙強

摘要：大型盤狀結(jié)構(gòu)件類產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中的需求日益增加，由于其本身的結(jié)構(gòu)特點，在生產(chǎn)中存在生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題。本文針對上述問題，對一種大型盤狀結(jié)構(gòu)件（即大型電纜盤的上、下法蘭片）進行分析，制定了采用機器人自動定位焊接的工藝。試驗證明機器人自動焊接技術(shù)在該零件上的應(yīng)用大大提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：盤狀結(jié)構(gòu)件;機器人;自動焊接技術(shù)

中圖分類號：TH162+.1;TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0032-02

0? 引言

大型電纜盤目前被廣泛用于礦山、建筑施工、機械制造、港口碼頭、路橋建設(shè)等行業(yè)，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的必需品，而本文所涉及的零件則為大型電纜盤的主要組成部件，即大型盤狀結(jié)構(gòu)件[1、2]。

目前國內(nèi)還沒有完整的大型盤狀結(jié)構(gòu)件自動生產(chǎn)系統(tǒng)，需要人工加工或者人工操作。人工組立焊接缺點是尺寸和焊接質(zhì)量與設(shè)計存在偏差，導(dǎo)致電纜盤的使用壽命降低;同時該零件焊接量分散且焊接位置多樣的特點，造成了焊接位置頻繁變換、頻繁起弧收弧的工藝執(zhí)行難點和質(zhì)量控制難點，在大批量生產(chǎn)時由人工組立焊接工作必然導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量成本升高[3]。

為克服上述問題，需要一種全面自動化、實用性廣、操作簡單、安全的焊接方式。本文采用自動焊接機器人對該零件進行組立及焊接。經(jīng)試驗，該工藝在批量生產(chǎn)中可以維持較高生產(chǎn)率，同時保證焊接質(zhì)量，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1? 大型盤狀結(jié)構(gòu)件工藝分析

大型盤狀結(jié)構(gòu)件的組成較簡單，主要由外圓盤形鋼、輻條、內(nèi)圓盤型鋼等組成（如圖1所示）。該結(jié)構(gòu)為面積與高度比例巨大的片狀零件，且為框架結(jié)構(gòu)，在制造過程中高度方向上的抗彎折能力較弱。材料為普通碳鋼，具備良好的焊接性能。

通過對上述結(jié)構(gòu)分析，制定工藝為：對已初步加工后的內(nèi)、外圈和軸芯放置并固定夾緊，將輻條送至預(yù)定位置后焊接成型。

該工藝中關(guān)鍵步驟為內(nèi)、外圈的固定夾緊;內(nèi)、外圈的中心對正;輻條的抓取及定位;整體的焊接成型。

上述工藝的難點為內(nèi)、外圈和軸孔鋼管的中心對正;定位后工件的正面焊接、翻轉(zhuǎn)及反面焊接。該零件待焊區(qū)域分散，焊接位置受限，零件變位難度大。此外機器人焊接對初步加工后的內(nèi)、外圈的外形尺寸要求比較高，否則會出現(xiàn)漏焊或干涉的現(xiàn)象。

2? 機器人自動焊接系統(tǒng)

2.1 機器人自動焊接技術(shù)要求

①自動焊接設(shè)備需結(jié)構(gòu)合理，能滿足大型電纜盤及類似焊合件的焊接;需操作簡便，易于維修。②自動焊接設(shè)備需運行連續(xù)有效，安全性高。設(shè)備的控制系統(tǒng)保證自動控制，能夠自動完成正常運行時各項技術(shù)指標(biāo)和功能，具備連鎖功能以防誤操作，能夠顯示和處理設(shè)備報警。③自動焊接設(shè)備需采用簡易便捷的夾具設(shè)計，保證在最短的時間內(nèi)上、下料和夾緊工件。④自動焊接工位設(shè)置多處急停按鈕，在發(fā)生危險時，方便操作人員在工件就近位置能夠迅速停止設(shè)備工作。

2.2 機器人自動焊接系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要包含焊接機器人、焊接夾具、電控系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)（如圖2所示）。

①焊接機器人。焊接機器人型號為：庫卡KR8R1620;機器人工作臂展為1620mm，可滿足外徑1～2.2m電纜盤焊接需求。焊接機器人抓取重量為8kg，位置重復(fù)精度為±0.04mm。焊接機器人本體緊湊、靈活。焊接機器人本體圖見圖3。

②焊接夾具。焊接夾具用來實現(xiàn)工件的定位與夾緊，由電機控制旋轉(zhuǎn)角度，適應(yīng)不同夾角輻射角鐵的焊接。焊接夾具外徑最大2.2m，能滿足1～2.2m法蘭片固定需求。焊接夾具上設(shè)有滑動塊和定位夾，滑動塊通過滑槽與焊接夾具滑動連接。工作時可以實現(xiàn)內(nèi)外圈夾緊定位，夾爪松開、夾緊及徑向移動可以實現(xiàn)不同直徑的內(nèi)外圈定位焊接，并校正中心位置。焊接完成后，松開焊接夾具。

③電控系統(tǒng)。由于機器人自動焊接系統(tǒng)包含了機器人的運動控制部分和變位機翻轉(zhuǎn)控制部分。因此該控制系統(tǒng)只需要將機器人自動焊接系統(tǒng)置于遠程控制模式，通過數(shù)字量信號控制機器人來實現(xiàn)焊接。根據(jù)總的硬件需求，電控系統(tǒng)設(shè)計框架如圖4所示。

④翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。工件翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由上、下傳送帶組成，工件完成正面焊接后，輸送至翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，此時，上、下兩層傳送帶合緊翻轉(zhuǎn)180°。完成翻轉(zhuǎn)后，上、下傳送帶分開，工件由上傳動帶轉(zhuǎn)入下一個工位進行反面焊接。

2.3 輻條抓取、上料裝置

輻條疊放在物料車上，通過抓取機械手抓取輻條。由抓取機械手完成輻條位置擺放調(diào)整、旋轉(zhuǎn)90°放置于滾筒輸送機上，由輸送機傳送至焊接取料位置。

滾筒輸送機上料端傳送寬度為80mm，滿足40×40×4、 50×50×5、60×60×6三種規(guī)格輻條傳送，對輻條輸送進行粗限位。

焊接取料位置設(shè)置一組導(dǎo)向調(diào)節(jié)機構(gòu)，對輻條進行精度導(dǎo)向定位，其前端設(shè)置一行程限位傳感器，輻條送到位停止傳送;輻條取走后繼續(xù)進行輻條傳送。

抓取機械手由前端電吸盤爪具、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降電缸、直線模組及整體旋轉(zhuǎn)電機等構(gòu)成。通過定位坐標(biāo)或結(jié)合視覺傳感器進行抓取及放置輻條，根據(jù)輻條上料擺放位置，爪具抓取輻條后擺動角度45°或135°，完成角鐵位置調(diào)整，機械手旋轉(zhuǎn)90°后可放置于供料平臺上[4]。

抓取機械手前端電吸盤爪具結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足抓取兩種不同擺放位置的角鐵，夾具長180mm，抓取輻條中間位置，能滿足長度450～1152mm，以及40×40×4、50×50×5、60×60×6三種規(guī)格輻條抓取。

伺服機械手（三坐標(biāo)式）轉(zhuǎn)運輻條，轉(zhuǎn)運的同時兩臺焊接機器人同時焊接。輻條抓取、上料裝置如圖5所示。

3? 焊接工藝

3.1 焊接要求

工件主體材料為Q235A，焊接工藝性良好，工件重量≤300kg，材料厚度為3～6mm。工件焊前狀態(tài)：初步加工件自動上料，工裝定位組對后自動調(diào)整加緊。工作站滿足焊接區(qū)域：不小于？準(zhǔn)2200mm。采用MAG單層單道焊接。焊縫形式為對接焊縫。

在實際的焊接過程中，自動焊接機器人受多種因素影響，為了保證焊接質(zhì)量以及焊縫的美觀性，需要調(diào)試人員對自動焊接機器人參數(shù)以及焊接工藝進行多次優(yōu)化。

焊接完成不得有表面裂紋、未焊接、未融合、表面氣孔、未填滿和肉眼可見的夾渣等缺陷;焊縫與母材應(yīng)當(dāng)過渡圓滑;焊縫不得咬邊。

3.2 焊接工藝

①采用CO2保護氣體。采用焊接保護氣體可以提高焊縫質(zhì)量，減少焊縫加熱作用帶來的寬度，避免材質(zhì)氧化。CO2保護氣體適合自動焊合全方位焊接，并且成本低[5]。②焊接電源。采用負(fù)載持續(xù)率≥60%的AC380V±10%三相逆變式焊接電源。③電弧電壓。電弧電壓對熔池的深度和寬度影響較大。當(dāng)電壓升高時，焊接熱量輸入增大，電弧太長，會使工件上電弧覆蓋面積增大，熔池的寬度和深度增加，容易產(chǎn)生咬邊等焊接缺陷[6];當(dāng)電壓降低時，焊接熱量減少，若電弧太短，會使工件上電弧覆蓋面積減小，熔池的寬度和深度減小，焊縫會窄且凸。根據(jù)工件不同焊縫的特點選用的焊接電弧電壓在17～20V之間。④焊絲。由于CO2保護氣體具有較強的氧化性，固焊接材料應(yīng)選擇具有脫氧元素Si和Mn的H08Mn2siA焊絲，焊絲直徑為1.0mm，桶裝與盤裝均可。⑤焊接電流。在焊接過程中，焊接電流對焊縫的形成、熔點的過渡形式以及熔覆效率均有較大的影響[7]。在反復(fù)的試驗后，焊接電流取70～120A，焊接速度為10～15L/min時，焊接效果最佳。

4? 分析與總結(jié)

本文針對大型盤狀結(jié)構(gòu)件類的產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題設(shè)計制定了采用機器人自動定位并焊接的工藝。經(jīng)驗證得出以下結(jié)論：①提高了生產(chǎn)效率。單件工件采用機器人自動焊接工時為操作工1人/20min;傳統(tǒng)手工焊接的工時為焊工1人/40min+輔工1人/10min。工作效率提升了3/5以上;②焊接質(zhì)量可控性高。機器人自動焊接焊縫的寬度誤差可以保證在±0.5mm內(nèi)，且焊縫連續(xù)無接頭，即使在拐角處也可以獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，大大降低了后續(xù)修磨的人工成本;③該機器人自動焊接工藝可以實現(xiàn)在大批量生產(chǎn)時的連續(xù)作業(yè)，降低了勞動成本，且操作安全性高。

參考文獻：

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