智能焊接生產(chǎn)線在鋁模板生產(chǎn)中的應(yīng)用

王 強

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

隨著國家城市建設(shè)的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化的加速以及國民對城市住宅需求的增加，房地產(chǎn)行業(yè)逐步成為國民經(jīng)濟的重要組成部分，隨著國家對環(huán)保以及綠色建筑的要求不斷提高，建筑鋁合金模板也逐步替代木模板、鋼模板成為建筑行業(yè)的主流材料。由于鋁模板有施工周期短、可多次重復(fù)使用、施工方便、穩(wěn)定性好、承載能力高、外形美觀以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因此其在實際施工中的應(yīng)用越來越廣泛。對目前鋁模板的焊接過程來說，大多數(shù)企業(yè)采用人工MIG焊接的方式，需要耗費大量的人工及費用，且焊后整形矯正、人工檢驗、打碼和碼垛等都需要大量的人力、物力，從而提高了鋁模板的生產(chǎn)成本。同時，為了滿足不同規(guī)格模板的需求，1臺較為復(fù)雜的多軸焊接變位機的成本甚至?xí)^標(biāo)準(zhǔn)機器人本身的成本。該文通過重新設(shè)計鋁模板焊接生產(chǎn)線來實現(xiàn)焊接工裝快速變換的目標(biāo)，通過調(diào)整不同的焊接程序來實現(xiàn)對不同規(guī)格鋁模板標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行焊接的目標(biāo)。

1 智能生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 鋁模板焊接分析

鋁模板材質(zhì)一般為6系鋁合金，常見材質(zhì)為GGMB-T6、6061-T6，均為6系鋁合金，可焊性較好，并采用MIG焊接電源進(jìn)行焊接。

雖然鋁模板焊接具有鋁模板規(guī)格型號多的難點，但是焊接位置和焊接長度是有規(guī)律可循的，長度和寬度也有限制，寬度的最大值為600 mm，長度的最大值為2 400 mm，例如墻板（圖1），墻板的加筋位置以及其他可焊接位置都有固定規(guī)律，為工裝設(shè)計提供了有利條件。且為了最大程度地滿足快速切換的需求，在設(shè)計焊接夾具時，盡可能保證各機構(gòu)切換過程的流暢以及定位的準(zhǔn)確性，而模板加筋位置的規(guī)律性給夾具和定位點的設(shè)計提供了有利條件。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)墻板加工圖

在工序、工藝方面，工件以散件裝入夾具，機器人完成弧焊焊接。工件形位公差為0.0 mm~0.5 mm。焊接變形分析如下：模板橫筋焊接位置較多，焊接量較大，會導(dǎo)致焊接變形較大，模板的平整度無法得到保障，但是通過調(diào)整焊接順序可以有效減少鋁模板的變形量，因此在工裝設(shè)計時要根據(jù)變形規(guī)律來考慮焊接順序，增加夾緊固定裝置，盡量減少焊接變形現(xiàn)象和后續(xù)調(diào)平的工作量。

鋁模板焊接完成后還需要經(jīng)過質(zhì)檢、調(diào)平以及打碼等過程才能生產(chǎn)1片鋁模板。而且鋁合金導(dǎo)熱性好、焊接變形量大以及鋁模板本身結(jié)構(gòu)加筋等因素會導(dǎo)致焊后調(diào)平矯正的過程需要耗費大量工時，為了解決這一系列的焊后問題，提高生產(chǎn)效率，該文將這一焊后處理過程引入生產(chǎn)線中，一次性解決鋁模板標(biāo)準(zhǔn)板的焊后問題。

目前市場上采用手工焊接的居多，鋁模板行業(yè)主要在2017—2022年才迎來大規(guī)模爆發(fā)式增長，生產(chǎn)模式滯后，偶爾出現(xiàn)的鋁模板生產(chǎn)新技術(shù)也以單純焊接機器人加簡易工裝為主，同時市場上大多數(shù)企業(yè)受資金、規(guī)模的限制，還沒有發(fā)展到大規(guī)模進(jìn)行自動焊接生產(chǎn)線建設(shè)的階段。

1.2 焊接工作站設(shè)計

該文根據(jù)鋁模板產(chǎn)品的特點以及對尺寸精度、焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求設(shè)計了如下智能焊接工作站：該工裝機構(gòu)采用左、右對稱布置，最大限度地提高了焊接機器人的使用效率，以滿足對大批量生產(chǎn)的需求，工作站如圖2所示。

圖2 焊接工作站示意圖

該工作站設(shè)計方案為雙機器人“H”形雙工位布局，布局中心配置松下最新一代智能弧焊TM1400機器人，兩側(cè)平行布置2個焊接工位。焊接系統(tǒng)由機器人、公共底座、焊接工作間、除塵設(shè)備、焊接夾具、焊接電源和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)計系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，技術(shù)成熟穩(wěn)定，維保便捷。具體單個焊接工裝站配置見表1。

表1 焊接工作站配置表

焊接工作站焊接平臺采用帶定位底座的工裝平臺配模塊化標(biāo)準(zhǔn)板夾具設(shè)計，在實現(xiàn)焊接的同時，還可以降低生產(chǎn)成本。模塊化工裝夾具實現(xiàn)焊接工裝夾具快速更換的功能，最快30 min即可實現(xiàn)更換，如圖3所示，焊接工裝和平臺采用多點定位方式進(jìn)行安裝，以確?？焖贉?zhǔn)確安裝并保證安裝精度。當(dāng)焊接機器人焊接時，也配合工裝定位統(tǒng)一點為相對零點，確保焊接順序，減少焊接錯誤的發(fā)生。

圖3 焊接工作站示意圖

焊接工作站運行過程如下：操作者將散件按照先后次序固定在A工位焊接夾具上。退出至安全區(qū)域并按下雙手操作盒的啟動按鈕，安全工作間卷簾門自動關(guān)閉，機器人開始焊接。在機器人焊接的同時，操作者將散件按照先后次序固定在B工位焊接夾具上。操作者退至安全區(qū)域并按下操作盒的啟動按鈕，安全工作間卷簾門自動關(guān)閉，機器人等待或開始焊接。例如機器人正在焊接過程中，另一工位按下啟動按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)約狀態(tài)，待當(dāng)前工位焊接結(jié)束后，機器人自動跳轉(zhuǎn)到預(yù)約工位開始焊接。焊接完成后，操作人員把焊接完成后的工件推向下料物流線（自動傳動）。待工件到輸送線的指定位置后，各工位間沒有裝件順序要求，機器人按照預(yù)先設(shè)置的程序判斷滿足條件的工位，再進(jìn)行焊接，如此循環(huán)往復(fù)工作。

1.3 焊后系統(tǒng)

該鋁模板焊后系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)流程分為鋁模板檢驗補焊部分、打碼矯正部分以及碼垛部分。

根據(jù)前一道工序的鋁模板焊接系統(tǒng)的輸送來料，模板檢驗補焊部分由4段輸送系統(tǒng)和補焊區(qū)組成，輸送系統(tǒng)一分為二，縱向輸送時，采用變頻電機用鏈輪和包膠動力軌道進(jìn)行連接輸送。由2名焊接檢驗人員在該區(qū)域進(jìn)行檢驗，并手動控制橫向輸送機構(gòu)，采用SMC氣缸帶動的頂升機構(gòu)+板鏈機構(gòu)將工件橫向送入補焊區(qū)域。

該部分設(shè)計重點為橫向輸送機構(gòu)和頂升機構(gòu)的設(shè)計與縱向包膠輸送線之間的配合控制。

具體工作流程如下：焊接系統(tǒng)來料→人工檢測（是否漏焊）→（漏焊）按下按鈕→補焊區(qū)自動托舉機構(gòu)上升（橫向輸送）→漏焊模板人工補焊→（未漏焊）模板輥道自動輸送到下一工序（縱向輸送）→生產(chǎn)線一主線分為二支線往后續(xù)延伸，如圖4所示。

圖4 檢驗補焊區(qū)域工作示意圖

在前一道工序的模板焊接檢驗完成后分為2條輸送支線，設(shè)置2道打碼矯正輸送支線。每條輸送支線由打碼機（1部）、調(diào)平機（2 個）以及激光檢驗機（1 個）組成。如圖5~圖7所示（生產(chǎn)線運行方向如箭頭所示）。

圖5 打碼矯正區(qū)域工作示意圖

圖7 再次校平輥道輸送線

打碼機構(gòu)為預(yù)先設(shè)計完成，根據(jù)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)板批次，提前將模板名稱程序輸入打碼機控制系統(tǒng)，根據(jù)模板經(jīng)過打碼機觸發(fā)傳感器自動控制打碼機工作，保證打碼位置均在模板的相同位置。而矯正校平工作采用相同原理，模板經(jīng)過2次矯正校平后，如果經(jīng)過激光檢測機構(gòu)不合格，就延遲觸發(fā)橫向輸送機構(gòu)，回傳到校平機繼續(xù)校平，直至校平合格后再向下傳輸。

具體工作流程如下：模板輥道自動輸送→氣動打標(biāo)（自動設(shè)定）→一次調(diào)平→二次調(diào)平→激光自動檢測（模板是否合格，合格轉(zhuǎn)入下一道工序）→（不合格）系統(tǒng)自動計數(shù)→檢測區(qū)自動托舉機構(gòu)上升（橫向輸送）→不合格模板通過輥道往回輸送→回主線自動托舉機構(gòu)上升→模板通過自動校平機再次校平→激光自動檢測→（合格）模板通過輥道輸送到下一工序。

碼垛區(qū)采用ABB機器人進(jìn)行碼垛，1個機器人負(fù)責(zé)2個輸送線的模板碼垛，機器手夾具采用氣動夾具，根據(jù)外形寬度定位、氣缸夾緊的方式進(jìn)行裝卸。根據(jù)不同批次的模板采用不同型號的夾具，確保標(biāo)準(zhǔn)板生產(chǎn)能順利完成。具體布局如圖8所示。

圖8 碼垛區(qū)工作示意圖

1.4 同步輥道輸送系統(tǒng)

同步軌道輸送系統(tǒng)分為2個部分，一部分為焊接系統(tǒng)的輸送機構(gòu)，另一部分為焊后系統(tǒng)的檢驗輸送機構(gòu)，二者輸送行走動力輥道皆由包膠動力輥道和變頻減速電機組成，如圖9所示，包膠輥道寬度為515 mm，相鄰輥道間距為300 mm。輸送線每9 m~10 m設(shè)置1個同步減速電機，電機與輥道之間用鏈條和齒輪連接，包膠滾輪之間使用齒輪和鏈條連接成一個整體，確保輸送線有充足動力。

圖9 輸送機構(gòu)軌道結(jié)構(gòu)圖

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7系列PLC作為主控單元。與現(xiàn)場層的工業(yè)機器人、輸送電機、傳感器、檢測裝置和氣缸等各類元件進(jìn)行控制與交互，以實現(xiàn)各作業(yè)單元的基本功能；區(qū)域控制器負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)作業(yè)單元之間的調(diào)度及協(xié)同運作、物流輸送以及異常處理；線體控制器負(fù)責(zé)為操作層提供基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及反饋控制。

圖6 打碼矯正區(qū)輸送線布局圖

2 智能生產(chǎn)線評估分析

經(jīng)過對公司生產(chǎn)車間及規(guī)劃要求設(shè)計10聯(lián)焊接工裝站配備一套焊后處理系統(tǒng)，經(jīng)過對整個生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行分析，按每天2個班次進(jìn)行生產(chǎn)，可實現(xiàn)日產(chǎn)2 800~3 000件標(biāo)準(zhǔn)板的目標(biāo)，是人工生產(chǎn)的5~10倍，特別是對2 000 mm以上長度的平板類標(biāo)準(zhǔn)板來說，通過柔性化焊接機器人可實現(xiàn)多點分段焊接，顯著提高焊接效率和焊接質(zhì)量。

同時焊后處理過程采用輸送線實現(xiàn)自動輸送、自動打碼、自動調(diào)平以及機器人碼垛，大大減少了人力的輸入和人力成本，有效降低人為因素對生產(chǎn)的影響，在節(jié)約成本的同時，還可以保證生產(chǎn)質(zhì)量。如圖10所示。

圖10 輸送系統(tǒng)全域平面圖

3 結(jié)語

該文通過深入分析生產(chǎn)過程以及合適的設(shè)備選型，實現(xiàn)了對鋁模板標(biāo)準(zhǔn)板的規(guī)模化生產(chǎn)，顯著提高了生產(chǎn)效率，對今后其他類似產(chǎn)品的智能生產(chǎn)線設(shè)計提供了設(shè)計思路。同時，該文的思路符合國家大力推行智能制造的理念，由于人力成本的上升，今后焊接技術(shù)智能化生產(chǎn)是必然趨勢，因此合理使用機器人設(shè)備是推動工業(yè)化制造技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在動力。