馬漢勇,戴開明,鄒文鳳

(中國兵器工業(yè)集團江山重工研究院有限公司,湖北 襄陽 441005)

隨著武器輕量化要求的提出,鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)合金材料已逐漸應用到武器裝備領域[1],但由于此類材料的焊接條件較為嚴格,限制了其進一步發(fā)展與應用。因此,在采用傳統(tǒng)碳鋼材料生產(chǎn)制造時如何減輕重量就成為了關鍵。為滿足這一要求,將箱體設計為薄壁鋼管與薄鋼板焊接而成的框架結構,因箱體精度要求較高、氣密性要求嚴格、結構剛性差、工藝較為復雜等特點,手工焊接效率低,焊接質(zhì)量一致性差,技術指標難以保證。自動焊接技術在降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率方面具有較大的優(yōu)勢[2-3],采用自動化焊接,不但可以提高產(chǎn)品尺寸精度及產(chǎn)品質(zhì)量,還可以降低勞動強度,是機械制造行業(yè)發(fā)展的必要手段[4]。

1 概述

該金屬箱體的外形尺寸為9 500 mm×1 500 mm×1 300 mm,由板厚t=2 mm的高強鋼作為密封板,壁厚5mm的低碳鋼管作為架體。箱體由上頂板、下底板及左、右兩側板焊接而成,其中上頂板與下底板為單體焊接完成后再與左、右兩側板組合焊接成完整箱體(見圖1)。箱體的工藝流程如圖2所示,三大部件的生產(chǎn)均在箱體自動焊接生產(chǎn)線上完成。箱體各部件均為薄壁件焊接組成,薄板在焊接過程中極易出現(xiàn)焊接變形、焊穿等問題,箱體的焊縫數(shù)量多,精度要求較高,氣密性要求嚴格,焊接工藝較為復雜,焊接難度大。同時因箱體尺寸較大,薄壁件數(shù)量多,造成箱體的結構剛性較差,對焊縫位置和焊接方法要求高。當前采用手工焊接方法,不僅對焊接操作者的技能水平要求較高,而且生產(chǎn)效率低,焊接質(zhì)量一致性差,技術指標難以保證。通過機器人焊接工藝、柔性工裝設計、焊縫跟蹤等技術的應用,實現(xiàn)該箱體的自動焊接,減少人為因素帶來的干擾,提高焊接效率和焊接質(zhì)量的一致性。

圖1 箱體結構示意圖(單位為mm)

圖2 箱體工藝流程圖

2 自動焊接生產(chǎn)線組成及功能

生產(chǎn)線由機器人、焊接設備、變位機以及相關輔助設備構建而成,主要分為三大焊接區(qū)域,分別承擔上頂板、下底板和箱體三大部件的自動焊接,對應的焊接區(qū)均配備了六軸機器人、機器人軌道、變位機、激光跟蹤系統(tǒng)及專用工裝等。上、下架體在工裝上由人工組對完成后,工件隨工裝由AGV轉(zhuǎn)運車運至焊接區(qū),與焊接區(qū)的變位機匹配裝夾并固定,調(diào)整變位機角度使工件的焊縫處于合適的焊接位置,調(diào)整焊槍姿態(tài)并對該工件進行編程,焊接過程中激光跟蹤系統(tǒng)實時跟蹤焊縫,及時糾偏,保證焊縫質(zhì)量。三大焊接區(qū)獨立作業(yè),區(qū)域間物流由AGV轉(zhuǎn)運車運輸,生產(chǎn)線可連續(xù)、順暢運行,布局圖如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線布局圖

2.1 上頂板焊接系統(tǒng)

上頂板焊接系統(tǒng)由1套360°變位機、1臺機器人、1套焊接電源、1套機器人軌道及其他輔助設施組成(見圖4)。因上頂板結構簡單、焊道連續(xù)的特點,根據(jù)焊縫長度和焊接速度計算,配備1臺機器人即可滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。上頂板的架體組對焊接在柔性工裝平臺上完成,組焊后的上頂板架體與焊接工裝固定,柔性工裝平臺通過氣動控制將焊接工裝頂起,焊接工裝與工裝平臺分離,AGV小車將上頂板架體及其焊接工裝轉(zhuǎn)運至上封板組對區(qū),預焊上封板,再由AGV小車將上頂板及其焊接工裝轉(zhuǎn)運至變位機處,兩端裝夾固定后進行自動焊接,焊后由AGV小車轉(zhuǎn)運至箱體組對區(qū),焊接工裝供全工藝過程使用。

2.2 下底板焊接系統(tǒng)

下底板焊接系統(tǒng)由1套360°變位機、2臺機器人、2套焊接電源、1套機器人軌道及其他輔助設施組成。下底板結構復雜,焊縫數(shù)量多,薄板焊接時易發(fā)生翹曲變形,對焊接順序和焊接參數(shù)要求較為嚴格,自動焊接工藝復雜,配備2臺機器人同時焊接,可以與上頂板焊接保持相近的生產(chǎn)節(jié)拍。其焊接工藝過程與上頂板相似,先進行架體人工組焊,再進行下封板預焊,然后通過機器人完成下底板自動焊接,再由AGV小車將下底板轉(zhuǎn)運至箱體組對區(qū)。

2.3 箱體焊接系統(tǒng)

箱體焊接系統(tǒng)由1套360°變位機、2臺機器人、2套焊接電源、1套機器人軌道及其他輔助設施組成。箱體焊接工序繁瑣,工藝較為復雜,配備專用合箱組對平臺進行組對預焊。預焊完成時箱體隨同合箱內(nèi)模工裝一起由AGV小車轉(zhuǎn)運至變位機處,兩端裝夾固定后進行自動焊接(見圖5),焊后將合箱內(nèi)模工裝退出,完成箱體其他零部件的焊接。

3 關鍵技術

3.1 柔性工裝技術

柔性工裝可縮短焊前的準備時間,在柔性工裝平臺上設有不同工裝的定位塊,一套工裝可以同時滿足上頂板與下底板的裝配需要,減少工裝更換調(diào)整時間,此種工裝設計理念特別適用于多品種小批量的產(chǎn)品生產(chǎn),在節(jié)約生產(chǎn)成本方面具有顯著優(yōu)勢[5]。

通過分析產(chǎn)品的結構組成,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的基本結構均由薄壁鋼管和薄板焊接而成,整個箱體由多個橫縱交叉的鋼管組成框架,再與薄板組合而成完整箱體。分析上頂板和下底板的鋼管結構位置和定位尺寸,根據(jù)產(chǎn)品使用特點確定了關鍵尺寸,即工裝必須兼容的尺寸定位。對定位方式和定位位置進行了深入研究和分析,最終確定以上頂板和下底板重要支撐處的間距尺寸作為柔性工裝的基準尺寸,并以此為基準,延伸上頂板和下底板的定位,達到一套工裝兼容2個產(chǎn)品部件的目的。同時,考慮到不同類型箱體結構和尺寸的差異性,在此工裝的基礎上增加可調(diào)節(jié)定位機構,并設置對應的定位卡點,在保證工裝精確性的前提下,實現(xiàn)多種箱型的兼容。最終設計及制造的工裝如圖6所示。

a) 模型圖

3.2 伸縮式內(nèi)模工裝技術

箱體的尺寸精度由焊接直接保證,箱體內(nèi)部檔距、上頂板與下底板間距、箱體端部的垂直度和對稱度、箱體底面的平面度等技術指標均通過焊接直接保證。因下底板在合箱前已經(jīng)過精加工處理,故下底板的上表面可以作為箱體合箱的內(nèi)部基準。通過分析箱體內(nèi)部結構,結合下底板精加工的上表面,以及箱體關重部位的結構尺寸,設計箱體合箱內(nèi)模工裝的整體結構形式(見圖7)。同時根據(jù)下底板和上頂板與合箱內(nèi)模工裝接觸部位的表現(xiàn)形式,對合箱內(nèi)模工裝的上、下表面做局部優(yōu)化調(diào)整,實現(xiàn)合箱內(nèi)模工裝的支撐和定位功能。

圖7 合箱內(nèi)模工裝

通過分析箱體焊后尺寸變化情況,將工裝對應位置的尺寸進行放大處理,預留焊接收縮量,降低焊后收縮對箱體尺寸造成的影響。同時,考慮到箱體合箱時和合箱后內(nèi)模工裝的工作方式,設計了伸縮式工裝結構,便于內(nèi)模工裝的裝配、支撐和拆卸,裝入和退出時將伸縮機構收縮,兩側定位裝置隨之收縮,支撐時將伸縮機構擴張,兩側定位裝置隨之歸位,實現(xiàn)快速裝配、準確定位。

合箱內(nèi)模工裝為適配多型箱體共用,采用了內(nèi)模工裝主體不變、更換工裝小部件的柔性化設計方案。在工裝上設計了多個定位槽、定位板、定位塊用于箱體各部件的定位,不同型號箱體應用時,對應更換定位塊、調(diào)節(jié)定位塊高度等,通過局部定位微小調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)工裝的互換使用。

3.3 激光跟蹤技術

焊縫跟蹤技術可以有效減少焊前的準備工作,跟蹤系統(tǒng)將隨著焊縫的位置進行實時跟蹤并進行反饋,使被焊產(chǎn)品精度大幅提升。焊縫跟蹤的精度和實時性是評價焊接質(zhì)量的重要指標。焊縫跟蹤以傳感技術為基礎,通過傳感器實時檢測跟蹤焊縫位置并將數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng),引導焊槍按照檢測跟蹤到的軌跡進行焊接,確保焊接軌跡的準確與焊接質(zhì)量的穩(wěn)定[6-7]。

生產(chǎn)線選擇激光跟蹤傳感器作為焊縫跟蹤的手段,激光跟蹤傳感屬于主動結構光的傳感技術[8],跟蹤精度較高,在焊接領域應用也較為廣泛。激光視覺傳感器由CCD攝像機和激光器組成,其工作原理如圖8所示[9]。傳感器以預先設定的距離安裝在焊槍前部,以便于觀察焊縫,調(diào)節(jié)焊槍的位置,保證焊槍在焊縫上方的正確定位后,焊縫應接近激光條紋的中心,使得攝像機可以觀察到激光條紋和焊縫。

圖8 激光視覺傳感器結構圖

激光器作為結構光源,以預定的角度將激光條紋投影到傳感器下部的工件表面,攝像機直接觀察在傳感器下部的激光條紋,對其進行采集與圖像處理,通過分析得到焊縫中心線的位置[10],并將其轉(zhuǎn)化成以毫米計算的距離,實現(xiàn)焊縫自動跟蹤焊接。通過調(diào)節(jié)激光傳感器的安裝距離和安裝角度,不斷優(yōu)化軌跡算法,將激光跟蹤技術和機器人自動焊接技術完美結合,實現(xiàn)了大型箱體無示教的自動跟蹤焊接。

3.4 箱體合箱組對技術

合箱組對平臺對合箱后箱體的尺寸精度影響至關重要,在平臺設計時,結合箱體各部件的結構特征,設計了專用夾具和定位裝置,用于箱體各組成部件的夾緊和定位。因箱體外形較大、結構剛性較差,對工裝的設計要求也較為嚴格;同時考慮到合箱組對工裝要實現(xiàn)AGV小車物流轉(zhuǎn)運,其組對平臺下方設計了懸空結構,預留AGV小車進入和退出空間,靠近兩端處采用齒輪傳動機構,控制懸臂支撐梁的伸縮,中間部位采用液壓系統(tǒng),控制懸臂支撐座的起落(見圖9)。針對箱體的左、右側板,設計了電磁吸附機構,用于左右側板的上料組對,配合液壓油缸的伸縮實現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn),因側板為大尺寸薄板,剛性非常差,需同時設計8對電磁吸盤實現(xiàn)側板的上料。

a) 合箱組對平臺

箱體合箱時,懸臂支撐梁和支撐座運動至指定位置,起到支撐下底板和箱體的作用;電磁吸附機構吸附側板時為通電狀態(tài),控制液壓系統(tǒng)將側板由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài),并將側板推至合箱內(nèi)模處,側板內(nèi)側與合箱內(nèi)模貼緊,側板上下兩端與上頂板、下底板接觸,點焊固定后,電磁吸附機構斷電并退出。再進行箱體立梁預焊,合箱結束后,AGV小車運行至平臺底部,與箱體底面接觸并支撐,懸臂支撐梁和支撐座收回,箱體落在AGV小車上,AGV小車載運箱體轉(zhuǎn)運至箱體自動焊接系統(tǒng)的變位機處,兩端裝夾固定后進行自動焊接。

4 產(chǎn)線應用

箱體自動焊接生產(chǎn)線自建成投產(chǎn)以來,已完成40余個箱體的自動焊接,運行良好,物流暢通,焊接過程穩(wěn)定,作業(yè)時間大幅縮短,生產(chǎn)效率顯著提高。各組對工裝定位準確,基準設計合理,夾緊機構使用方便,減少了人工劃線找正時間;與工件隨行的焊接工裝剛性好,定位鎖緊機構設計精巧,AGV小車裝卸方便快捷;焊接機器人軸臂運行順暢,激光跟蹤準確,焊接工藝參數(shù)設計合理,焊縫質(zhì)量良好,各焊接系統(tǒng)利用率達70%以上,生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足工藝技術要求。統(tǒng)計箱體原手工焊接時間與現(xiàn)自動焊接時間,并對其進行數(shù)據(jù)分析,上頂板與下底板自動焊接所用時間均比手工焊接減少200 min以上,箱體自動焊接時間比手工焊接減少500 min以上,整體生產(chǎn)效率提高了40%以上,各部件的自動焊接時間穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),生產(chǎn)線的工位節(jié)拍基本固定。生產(chǎn)線平衡率是衡量生產(chǎn)線各個工位節(jié)拍相符度的一個綜合比值[11],計算如下

(1)

式中,P為生產(chǎn)線平衡率;Ti為各個工位的作業(yè)時間;n為工位數(shù)量。

一般而言,若生產(chǎn)線的平衡率為70%～85%,對生產(chǎn)線的管控基本符合科學管理的原則[12]。根據(jù)金屬箱體焊接生產(chǎn)線各工位的作業(yè)時間和生產(chǎn)線平衡率計算式計算出該生產(chǎn)線的平衡率為77%,符合科學管理的要求。

5 結語

隨著先進技術的發(fā)展,焊縫跟蹤技術越來越成熟,制造業(yè)已從手工焊接、機器人示教焊接逐漸向自動跟蹤焊接領域發(fā)展,自動焊接技術也從汽車制造領域向傳統(tǒng)工業(yè)制造領域擴張,自動化進程持續(xù)加速。該箱體自動焊接生產(chǎn)線實現(xiàn)了自動轉(zhuǎn)運、自動裝夾、自動焊接,針對不同型號箱體實現(xiàn)了柔性化生產(chǎn),通過一系列關鍵技術的應用,箱體的焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性得以保證,焊接效率大幅提升,箱體焊接生產(chǎn)線平衡率達77%,符合科學管理的原則,運行效果良好。該自動焊接生產(chǎn)線的成功應用,證明了大型薄壁箱體類結構件的自動焊接技術可行,自動焊接技術提高了箱體的焊接效率和焊接質(zhì)量,能夠在有限的生產(chǎn)周期內(nèi)制造出大量產(chǎn)品,解決了手工作業(yè)勞動強度大、人工成本高、生產(chǎn)效率低的問題。柔性工裝技術等關鍵技術的應用,為小批量多品種的焊接結構件自動化生產(chǎn)線的建設提供了參考,使自動焊接成為可能。