中間法蘭電桿半自動焊接工作站的設(shè)計(jì)

杜榮來,艾尚江,斯圣斌,何幼根,蔣國文

(中建材輕工業(yè)自動化研究所有限公司,杭州310015)

隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展,對環(huán)形混凝土電桿的高度和承載的要求都在不斷提高。為了方便安裝和運(yùn)輸,在鐵路干線、城區(qū)和山區(qū)等處的供電線路上,法蘭盤連接的分段環(huán)形混凝土電桿的用量逐步增多[1],因此廠家的生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大,對產(chǎn)量和質(zhì)量都提出了較高的要求。目前中間法蘭電桿的法蘭和鋼筋骨架焊接仍以人工焊接為主,工作量大。人工焊接難以保證一致性和質(zhì)量的穩(wěn)定性,熟練的焊接工人需求量增大,導(dǎo)致工廠生產(chǎn)成本提高。因此需要在降低成本的同時保證焊接質(zhì)量,中間法蘭電桿半自動焊接工作站應(yīng)運(yùn)而生。

中間法蘭電桿包括桿體和法蘭盤。桿體包括電桿骨架和包裹電桿骨架的混凝土層,電桿骨架包括多根軸向主鋼筋及連接軸向主筋的加強(qiáng)筋。焊接時將電桿鋼筋骨架與法蘭連接圈的外表面焊接,然后澆筑混凝土[2],焊接工作站的主要工作內(nèi)容就是完成電桿骨架和法蘭盤的焊接。工人將法蘭盤放入法蘭盤夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位和夾緊,然后控制龍門吊機(jī)將鋼筋骨架送入焊接工作站,依靠可移動的焊接支撐架支撐,通過鋼筋骨架夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位和夾緊,然后機(jī)器人焊接臂根據(jù)程序完成焊接,最后將焊接完成的電桿半成品轉(zhuǎn)移。整個過程只需要一個工人完成,減少了人工成本,保證了焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

焊接工作站主要由焊接支撐裝置、焊接輔助裝置、焊接裝置三個部分組成,焊接支撐裝置通過螺栓固定在地面上,可以調(diào)節(jié)高度,用于鋼筋骨架支撐及輔助定位,通過橫向移動來進(jìn)行上料、送料及卸料；焊接輔助裝置主要用于法蘭盤定位和夾緊、鋼筋骨架定位和夾緊以及焊接時旋轉(zhuǎn)以配合機(jī)器人焊接臂進(jìn)行定位；焊接裝置主體是焊接機(jī)器人,通過人工輔助控制完成全部焊接工作,焊接裝置也包含必要的防護(hù)裝置,即防撞欄和焊接防護(hù)欄。整個焊接工作站包含1套焊接裝置,2套焊接輔助裝置以及6套焊接支撐裝置,整體布局以焊接裝置為中心,左右兩側(cè)對稱分布。

焊接工作站的布局方便雙線操作,只需一個操作工人,將鋼筋骨架和法蘭盤安放到位后機(jī)器人自動進(jìn)行焊接,與此同時工人可以在另一側(cè)吊放第二套鋼筋骨架和法蘭盤,待左側(cè)焊接完成后操作機(jī)器人進(jìn)行右側(cè)焊接,然后可以操作吊床將焊接完成的鋼筋骨架和法蘭盤卸料至半成品區(qū)。如此往復(fù)作業(yè),提高生產(chǎn)效率,如中間焊接有任何問題都可以暫停調(diào)整。焊接機(jī)器人需要提前完成焊接路線編制,避免生產(chǎn)時反復(fù)調(diào)整影響效率。在更換鋼筋骨架和法蘭盤的規(guī)格時,要提前調(diào)整好焊接支撐架的高度和法蘭盤定位、夾緊部件的安裝位置,并設(shè)置好機(jī)器人焊接參數(shù),避免生產(chǎn)時因準(zhǔn)備工作不完善而導(dǎo)致生產(chǎn)停滯。

2 焊接支撐裝置

焊接支撐裝置包括兩列直線分布的共6套直線導(dǎo)軌支撐平臺,布置生產(chǎn)線時通過化學(xué)螺栓將導(dǎo)軌基座固定在提前測量標(biāo)記好的位置上,導(dǎo)軌基座上焊接有調(diào)節(jié)板,通過調(diào)節(jié)螺栓將導(dǎo)軌平面調(diào)至水平,并初步調(diào)節(jié)基座高度。生產(chǎn)時,操作工操作龍門吊機(jī)將鋼筋骨架吊放到支撐平臺上,前端注意留出適當(dāng)?shù)暮附泳嚯x,以免鋼筋骨架送入焊接輔助裝置時導(dǎo)軌行程不足。然后操作工推動整個支撐平臺在直線導(dǎo)軌上移動,將鋼筋骨架送入焊接定位裝置內(nèi)進(jìn)行焊接。支撐平臺上與鋼筋骨架接觸的是兩個滾輪,如卡爪卡不到位可旋轉(zhuǎn)鋼筋骨架進(jìn)行調(diào)整。支撐平臺可以通過絲桿升降減速機(jī)調(diào)整高度,通過直線導(dǎo)軌移動位置,作為焊接前和焊接后的輔助設(shè)備,支撐架如圖1所示。

這部分裝置結(jié)構(gòu)較為簡單,維護(hù)也比較方便。安裝時注意基座整體與地面水平,并保證同一列三個支撐平臺處于同一直線位置上,防止鋼筋骨架錯位。同時注意兩個支撐導(dǎo)輪的軸承潤滑維護(hù),避免焊接時鋼筋骨架轉(zhuǎn)動卡滯。在吊放鋼筋骨架時先將同一列的支撐平臺通過絲桿升降機(jī)調(diào)整至高度基本相同,吊放鋼筋骨架后調(diào)整高度使鋼筋骨架中心基本與焊接輔助裝置中心對正,然后推動平臺將鋼筋骨架送入焊接輔助裝置進(jìn)行焊接。

3 焊接輔助裝置

焊接輔助裝置包含鋼筋骨架定位夾緊裝置和法蘭盤定位夾緊裝置。法蘭盤定位夾緊裝置通過一個連接座與減速機(jī)固定,減速機(jī)通過減速機(jī)固定座固定在安裝基座上,后部連接伺服電機(jī),由伺服電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。法蘭盤定位夾緊裝置通過3根撐桿與鋼筋骨架定位夾緊裝置相連,裝配時要保證兩個固定盤中心對正(允許有一定的誤差),生產(chǎn)時法蘭盤定位夾緊裝置和鋼筋骨架定位夾緊裝置同步轉(zhuǎn)動進(jìn)行焊接,結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于整個產(chǎn)品焊接工藝的要求,轉(zhuǎn)動的精度及速度要求都不是特別高,所以用了開環(huán)伺服系統(tǒng),控制簡單,容易操作[3],如果有需要也可以升級為閉環(huán)控制。定位夾緊采用了氣動裝置,成本較低,對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),依靠氣動控制就能完成快速定位和夾緊[4]。法蘭盤定位夾緊裝置下設(shè)置有一個軸承支撐架,用于裝置的輔助支撐,同時可以用于焊接回路連接。

焊接輔助裝置是整個焊接工作站的第二核心,雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,但是仍有許多要注意的地方。安裝時基座不能直接安裝在地面上,要有一個底座,也需要用水平儀測試基座平面是否與底面水平,這影響到鋼筋骨架和法蘭盤的焊接質(zhì)量,基座固定后還需要確定法蘭盤固定裝置的安裝盤平面是否與底面垂直(允許有小角度誤差),避免因安裝不到位導(dǎo)致生產(chǎn)出的半成品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。底部的軸承支撐架用于輔助支撐,因裝置旋轉(zhuǎn)需要,有兩個軸承與法蘭盤定位夾緊裝置接觸,底部與焊機(jī)接地端相連保證焊接回路,該支撐裝置是為了分擔(dān)減速機(jī)所受的剪切力,減緩因前端過重而產(chǎn)生的角度變化,延長裝置的使用壽命。

3.1鋼筋骨架定位夾緊裝置

該部分由一個圓盤上均勻分布15個(或者18個,由鋼筋骨架規(guī)格決定)氣動卡爪組件,圓盤分大小兩種規(guī)格(依據(jù)鋼筋骨架是18根還是15根確定),卡爪前端是V 形槽,可以夾緊不同粗細(xì)規(guī)格的鋼筋,卡爪由氣缸帶動可以實(shí)現(xiàn)對鋼筋骨架的定位及夾緊,結(jié)構(gòu)如圖3所示。鋼筋骨架經(jīng)由工人操作送入裝置中,通過伸出部分卡爪進(jìn)行預(yù)定位,工人調(diào)整好鋼筋骨架位置后全部卡爪伸出夾緊,焊接時隨同法蘭盤夾緊裝置同步轉(zhuǎn)動,焊接完成后復(fù)位取出焊接半成品。

這一裝置依靠氣缸帶動卡爪,氣缸行程較長,正常狀態(tài)下氣缸全部是收回狀態(tài),在送入鋼筋骨架后通過旋鈕控制一次定位,人工調(diào)節(jié)鋼筋骨架位置,使部分卡爪先將鋼筋骨架卡主,然后伸出全部卡爪進(jìn)行二次夾緊,這一部分對鋼筋骨架的焊接質(zhì)量有一定的要求,如果鋼筋骨架圓周均布誤差較大則會導(dǎo)致部分卡爪卡不到鋼筋上,所以鋼筋骨架的焊接質(zhì)量也需要保證,不過卡爪定位比較靈活,個別焊接較小的偏差可以通過人工撬動進(jìn)入卡爪V 形槽內(nèi),只要保證全部鋼筋對應(yīng)卡入V 形槽內(nèi),焊接時就能保證鋼筋在法蘭盤上的均布。

3.2 法蘭盤定位夾緊裝置

該部分由安裝盤、法蘭定位柱銷和氣缸夾爪組成。通過將法蘭盤底部孔與法蘭定位柱銷配合完成法蘭盤定位。通過氣缸夾爪夾緊法蘭盤,在安裝盤上設(shè)有不同規(guī)格的安裝孔位。通過變更柱銷與夾爪安裝位置來適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的法蘭盤。與鋼筋骨架定位夾緊裝置的支撐桿位置也開設(shè)了不同孔位,適應(yīng)不同規(guī)格的鋼筋骨架焊接。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

法蘭盤的定位固定,兩個柱銷裝配好后在同一圓周上,成90°角,對應(yīng)法蘭盤底面上的孔位,工人需將法蘭盤移至兩個裝置之間,從撐桿留出的空位處將法蘭盤底面上的孔對正柱銷放置,法蘭盤底面緊貼固定盤后按動夾緊按鈕,氣缸推動夾爪夾緊法蘭盤。法蘭盤和鋼筋骨架的定位夾緊裝置通過3根撐桿連接,但是并非均布,根據(jù)鋼筋骨架定位夾緊裝置的規(guī)格設(shè)有兩種安裝位置,均在裝置的外側(cè)預(yù)留出了足夠的空位以便放入法蘭盤,復(fù)位狀態(tài)下該空位朝向外側(cè),工作中如果需要調(diào)整則需要先復(fù)位才有足夠的操作空間。

4 焊接裝置

目前應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的機(jī)器人仍以示教再現(xiàn)型為主,該類機(jī)器人對焊接過程中的環(huán)境變化和不確定干擾不具有自適應(yīng)能力[5]。因此,為了更好的滿足生產(chǎn)要求,采用了嵌入式系統(tǒng),它具有小型、專用、易攜帶、可靠性高的特點(diǎn),能滿足信息的輸入和對控制系統(tǒng)的干預(yù)等工作[6],便于對焊接工藝進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不同的焊接要求。由人工調(diào)整焊接工藝,生產(chǎn)時機(jī)器人重復(fù)工作即可。機(jī)器人前方設(shè)有必要的防護(hù)欄,防止在操作龍門吊機(jī)吊放鋼筋骨架時與焊接設(shè)備相撞,在機(jī)器人兩側(cè)設(shè)有可升降的焊接防護(hù)欄,在焊接時可對另一側(cè)的工人做出防護(hù),如圖5所示。

焊接機(jī)器人可以根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇具體的操控方式,工人在操作機(jī)器人之前需要經(jīng)過培訓(xùn)。機(jī)器人需要定期維護(hù),關(guān)注焊接質(zhì)量,及時對焊接工藝進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。因機(jī)器人的焊接重復(fù)性比較好,焊接的質(zhì)量基本穩(wěn)定,如有焊接質(zhì)量問題也容易查找原因。

5 設(shè)備調(diào)試與控制

整個焊接工作站硬件包含機(jī)械和電氣控制部分。機(jī)械部分包含上述的三塊主要設(shè)備,在使用時因需要龍門吊機(jī)吊放鋼筋骨架,對工人的安全意識一定要培訓(xùn)到位,操作時周圍不允許其他人走動,避免發(fā)生意外。同時工人對整套裝置的可操作部位也需要了解,使用前檢查焊接工作站機(jī)械裝置狀態(tài),由專人檢查電氣控制部分狀態(tài),確認(rèn)狀況良好后再進(jìn)行調(diào)試工作。調(diào)試工作從頭到尾進(jìn)行,從焊接輔助裝置開始調(diào)試,包括確認(rèn)基座水平；確認(rèn)固定盤與地面垂直；確定柱銷固定牢固；確保夾爪縮回角度足夠大(夾爪縮回角度較小時法蘭盤無法放到位)；確認(rèn)鋼筋卡爪潤滑良好,伸縮不卡滯；確認(rèn)鋼筋卡爪伸縮到位；確定支撐架基座水平；確定絲桿升降機(jī)正常工作；確定導(dǎo)輪軸承潤滑良好,轉(zhuǎn)動靈活；確定直線導(dǎo)軌滑塊潤滑良好,移動靈活；確定同一列三個支撐裝置安裝在同一直線上,調(diào)整同一列三個支撐平臺高度基本相同,機(jī)械設(shè)備調(diào)試工作完成后進(jìn)行焊接調(diào)試。

工作調(diào)試需要看好急停按鈕,如有意外立即停止工作。工人按生產(chǎn)步驟進(jìn)行上料、送料,將法蘭盤對正柱銷放置到法蘭盤定位夾緊裝置內(nèi),按下按鈕控制伸出夾爪夾緊,吊放鋼筋骨架時注意安全,吊放到支撐平臺上之后,調(diào)整高度使鋼筋骨架中心基本與焊接輔助裝置的中心對正,再將鋼筋骨架送入焊接輔助裝置內(nèi),旋轉(zhuǎn)并推動鋼筋骨架使法蘭盤焊接位進(jìn)入鋼筋骨架內(nèi),轉(zhuǎn)動旋鈕進(jìn)行一次定位,如有偏離可用撬棒將鋼筋推入卡爪,定位完成后繼續(xù)轉(zhuǎn)動旋鈕進(jìn)行二次夾緊,檢查確保每一根鋼筋都卡入卡爪內(nèi),完成上料送料工作。工人繼續(xù)操作控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接,按照預(yù)設(shè)好的路線進(jìn)行焊接,中間通過暫停機(jī)器人檢查焊接質(zhì)量,也可以在焊接過程中通過防護(hù)鏡觀察焊接情況。焊接完成后松開夾爪,縮回卡爪,拉出焊接半成品,檢查焊接位置,如有不合格則進(jìn)行人工補(bǔ)焊,并分析原因,如果是機(jī)器人焊接不到位則調(diào)整焊接程序,如果是因?yàn)楹附庸に噯栴}則進(jìn)行改進(jìn),確認(rèn)無誤后則可投入生產(chǎn)。

電氣控制部分主要包含伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制、氣動系統(tǒng)控制和機(jī)器人控制。氣動系統(tǒng)控制因全部由人工操作,可以獨(dú)立。焊接時伺服電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)變更焊接位置,所以要與焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)配合。機(jī)器人控制采用嵌入式控制系統(tǒng),人工調(diào)整好焊接路線后自動運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)需求進(jìn)行改進(jìn)與升級。

6 結(jié) 語

中間法蘭電桿半自動焊接工作站是工廠走向自動化生產(chǎn)的重要一步,它減輕了對專業(yè)焊接工人技能水平的依賴,降低了人工焊接經(jīng)驗(yàn)對質(zhì)量的影響,通過機(jī)器人焊接能保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量,減少了人工成本。可以通過對機(jī)器人焊接的檢測和觀察,對焊接工藝進(jìn)行改進(jìn),提高產(chǎn)品質(zhì)量,并可以通過對硬件的改進(jìn)和控制系統(tǒng)的升級實(shí)現(xiàn)更多功能。工廠生產(chǎn)的自動化、智能化作為未來相當(dāng)長一段時間的發(fā)展趨勢,類似的自動和半自動生產(chǎn)線將會越來越多,功能也會越來越豐富。