机器人自动焊在液压支架结构件制造中的应用

范剑英，赵光明

（山西晋城煤业集团 金鼎公司，山西 晋城 048006）

0 引言

随着全国高产高效矿井建设的加快，液压支架的需求量也迅速攀升。目前大型液压支架专业厂家的支架结构件主要由焊工手工焊接完成。而高端支架采用的高强板焊接时需加热到200℃，施焊温度不能低于80℃，焊工需持续在高温下焊接，劳动强度特别大；同时手工焊接受人为因素影响很大，焊接质量不易保证，直接影响支架性能。而且由于高端支架结构件尺寸大，板材厚，焊接工艺复杂，导致焊接效率低，生产周期长。研究高端支架自动焊接技术及装备，不仅能大大降低劳动强度，提高焊接效率，更重要的是能够保证焊接过程的稳定性和焊接件质量的可靠性。国外发达国家在液压支架制造方面的自动化水平明显高于我国。德国DBT公司和美国JOY公司已广泛使用焊接机器人代替部分人工焊接。

1 目前国内机器人焊接存在的问题

在国内，手工焊接一直是液压支架主要的生产方式。为了提高焊接质量和效率，少数企业也引进了国外的机器人自动焊接系统，但效果并不明显，仍存在以下问题：

（1）一套变位装置只能配套一台焊接机器人，而高端支架高强板结构件必须在高温下焊接，一台机器人的焊接速度跟不上工件的降温速度，必然会出现反复加热，反而降低焊接效率。

（2）价格昂贵，购买一套进口变位装置需要几百万元。

（3）变位装置及机器人配套系统太过庞大，受场地约束，不能批量应用于生产。

（4）液压支架结构件结构多变，焊接工位多，零件拼装数量多，给焊接编程、焊接定位、焊接过渡成型带来诸多困难。

以上原因大大限制了焊接机器人的应用。

2 改进措施及技术特点

为解决高端液压支架机器人焊接过程中存在的问题，对该焊接系统进行了系列设计创新，其关键技术包括：

（1）自动焊接变位装置中夹紧机构的设计。

（2）自动焊接变位装置中翻转定位机构的设计。

（3）焊接机器人自动寻找焊缝起始点、自动跟踪焊缝的技术。

（4）焊接机器人进行多层多道焊接的技术。

（5）工件的焊接编程和焊接工艺的结合。

为开发设计高端液压支架自动化焊接流水线，根据高端液压支架大型结构件的焊接工艺、结构特点，结合高强板焊接工艺要求，设计了经济合理、功能强大的变位夹紧装置，以适应自动化焊接流水线的要求。该变位夹紧装置是根据液压支架顶梁、掩护梁结构特点设计开发的，具有装卡方便、定位准确的优点，能满足机器人焊接时的定位要求；工作台可绕轴360°翻转，结实可靠，承载能力20t以上；旋转定位装置可以准确地将工作台定位在水平或垂直工位；推紧装置配合夹紧装置可实现工件的纵向推紧。

该装置与自动焊接工艺配合，实现高端液压支架主要结构件焊接的自动化。该自动化焊接流水线主要参数如下：

（1）每台变位装置配套4台8轴机器人，焊接效率为人工的2倍。

（2）高端支架结构件生产中，机器人焊接量≥70%。

（3）可焊接工件外形范围为4 300mm×1 610 mm×600mm。

（4）机器人焊接速度为450mm／min，并可与变位装置实现联动。

（5）焊接机器人具有良好的自纠偏功能，可自动寻找焊缝起始点、自动跟踪焊缝，可解决工件铆接偏差问题，实现多层多道焊接。

（6）变位装置全液压驱动，泵站压力16MPa，油泵电机7.5kW；变位装置定位误差≤0.5°。

图1为机器人焊接变位装置。变位夹紧装置与机器人的布置如下：工作台两侧各装卡一个工件，使用4台机器人同时施焊，通过工作台的回转，实现工件各方向焊缝的焊接。焊接机器手经过模拟和试验，选用了德国CLOOS的8轴机器人，可以实现自动寻找焊缝起始点、自动跟踪焊缝的功能。

图1 机器人焊接变位装置

3 实际应用效果

经过试验，通过对其编程、找点、夹紧和工艺等进行反复的摸索试验和操作者的强化培训，机器人自动焊在支架结构件焊接方面取得了很大的成果，具体如下：

3.1 工艺方面

根据现有焊接条件和机器人程序的运行特点，经过反复试验，设计了一套与手工焊接顺序不同的焊接工艺，以适应机器人焊接。与手工焊接相比，该工艺减少了顶筋的数量，减小了焊接变形。

完成了大采高支架掩护梁、顶梁、单双连杆、推移杆、柱窝等程序的编程及其调整，目前对机器人焊接支架结构件框架的编程技术已经成熟。

3.2 质量方面

（1）支架顶梁、掩护梁、前后连杆的焊接试验结果表明，角焊缝焊接成型美观，手工焊接无法与其媲美，同时由于机器人严格按照指定的程序操作，与手工焊接相比变形量较小。

（2）角焊缝质量大大提高，以往人工焊接时，限于各人操作水平的不同以及人的情绪等人为因素，焊缝质量不易保障，使用机器人焊接后，只要参数调定好，可以保证所有焊缝都达到一级水平。通过对机器人焊接样件进行拉力试验，完全符合焊接标准。

（3）受工件空间位置和拉筋的影响，机器人不能完成所有部位焊缝的焊接，需要人工对其不能焊接的焊缝和部位进行补焊。

（4）目前对于坡口焊缝，由于下料机器人切割的坡口有误差，导致焊接机器人跟踪不准，不能保证坡口焊缝焊接质量。

3.3 效率方面

人工焊接时，为了焊接工件各位置的焊缝，需要来回翻转工件达5、6次，每次翻转都需要1名天车工和2名焊工辅助，每次耗时最少15min。该装备的使用，减少了焊接过程中工件翻转的时间，现在工件在变位装置上翻转一次的时间不到0.5min。

目前工件主要是靠变位机上的固定装置来定位，工件重复定位很不精确，然而机器人默认的坐标系只与首件一致（要求定位误差和变形的累计误差小于5mm），这样就存在焊接误差，导致批量焊接过程中出现偏焊、撞枪等问题，这些都影响焊接效率。

该装备的使用，降低了工人的劳动强度，减少了用工数量，以往一件工件的焊接需要两个人，现在只要一人看守机器人，就能完成两个工件的焊接，从而节省了成本。

该装备的使用还大大改善了工人的作业环境，焊工不再需要紧贴工件作业，减轻了工人受到的焊接烟尘和高温作业危害。

4 结束语

目前，该液压支架自动焊接工艺及装备在金鼎公司已经稳定运行了3年，取得了良好的效果，机器人自动焊接的应用，不但减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，而且保证了焊接过程的稳定性和焊接质量的可靠性，受到车间工人的一致好评，充分展现了该自动焊接工艺及装备的优越性。