焊接自動化的特點及改造

焊接自動化的特點及改造

一、焊接自動化率低焊接是金屬結構制造的一項重要加工工藝，尤其是在造船行業(yè)。焊接過程的質量和效率直接影響產品的成本。在過去的十年里，由于氣體保護和焊接的蓬勃發(fā)展，以及合并弧焊的應用，中國的焊接生產工藝水平顯著提高。然而，從總的角度來看，手動焊接仍占很大一部分。表1中列出最近幾年我國焊接材料生產的統(tǒng)計數(shù)據(jù),焊接材料的總產量已經達到80萬噸,可是焊接的機械化自動化率還徘徊在20%左右,即使考慮一些大廠從國外進口焊絲,自動化率也達不到日本1973年的水平。應該看到,在這20%的機械化自動化率中手工操作的半自動焊占的比例很大,而且有自動跟蹤功能的焊接裝備較少,這就是說,在焊接過程中人的不斷觀察和操作控制是不可缺少的,焊接質量仍在一定程度上受人的技術、體力和責任心的影響,實施焊接自動化就是要采用更多更新的科技成果以減少焊接質量對人的技藝的依賴程度。因此,提高我國焊接自動化水平的技術改造,保證焊接產品質量的穩(wěn)定性,將成為今后幾年我國焊接技術改造的主要任務,也是迎接21世紀更加激烈的市場競爭的需要。二、焊接自動化設備的開發(fā)實施焊接過程自動化的技術改造有不同的途徑,可以用柔性很好的焊接機器人系統(tǒng),可以選較簡單的焊接自動化設備,以及開發(fā)針對某一類焊縫或產品的專用焊接設備。工廠在實施焊接技術改造時往往不清楚如何正確選擇和必須具備的基本條件,這就需要進一步了解不同焊接自動化方式的特點,并結合工廠本身的具體情況綜合考慮才能作出科學的決策,并能順利實施和取得理想的成效。1.焊接機器人巖頭機器人是50年代末在美國誕生的,但在生產中大量應用主要還是在80年代,機器人是一種具有三個或更多可重復編程軸的自動控制操作機,具有很強的柔性,可適應不同的用途和不同形狀的工件。80年代晚些時候,我國的一些工廠開始裝備焊接機器人,進入90年代后機器人的臺數(shù)和應用的工廠數(shù)都有較快的發(fā)展,標志著我國已經進入應用機器人的時代,據(jù)統(tǒng)計,到1996年底全國焊接機器人的數(shù)量為500臺(不包括港、澳、臺),其中弧焊機器人占53%,點焊機器人46%,主要分布于汽車制造(47%),汽車零部件(18%),摩托車(15%),工程機械(16%)等少數(shù)幾個行業(yè)中,焊接機器人在造船業(yè)中還沒有大量應用,我國大陸焊接機器人的數(shù)量不但比瑞典,西班牙這樣的國家少,而且只是臺灣省的40%,因此,加快焊接機器人的應用面和應用量是焊接工作者的時代任務。焊接機器人是在工業(yè)機器人上裝備焊接系統(tǒng),如送絲機、軟管、焊槍、焊炬或焊鉗,并配備相應的焊接電源的自動化焊接裝備,還可以在焊接機器人上裝例如有自適應功能的視覺傳感控制系統(tǒng),但由于價格高,并會影響焊槍的可達性,目前在一般金屬結構件焊接中的應用還不普遍,焊接的機器人大多是選6個軸的關節(jié)式機器人,焊接機器人本體的機械結構主要有兩種形式,即平行四邊形結構和側置式(擺式)結構。兩種結構形式的機器人各有優(yōu)缺點,需要根據(jù)具體應用的條件來選擇。側置式(擺式)機器人主要優(yōu)點是機器人上下臂的活動范圍大,其最大工作空間幾乎能形成一個球面。因此,這種機器人適合于倒掛在機架上工作,以節(jié)省占地面積和方便地面物體的流動,但是這種機器人的2、3軸均勻懸臂結構,降低了機器人的剛度,一般只適用于負載較小的場合,如用于弧焊,切割或噴涂。近年來,弧焊機器人采用倒掛的安裝方式越來越多,側置式焊接機器人的生產和應用也不斷增多。平行四邊形機器人因其上臂是由一根拉桿驅動的,拉桿與下臂組成平行四邊形的兩個邊故而得名。早期的平行四邊形機器人的可達區(qū)域僅局限于機器人前部的較小空間內,難以倒掛安裝,自80年代末以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人的工作空間明顯增大,能夠達到機器人的頂部和底部,能夠倒掛安裝,而且結構剛度又比較好,這種機器人不僅可用于負載較小的弧焊,也可用作負載100-150kg的點焊或搬運/變位的機器人。在生產中要組成一套最基本的能進行焊接作業(yè)的焊接機器人工作站(單元)除了焊接機器人之外,還需要有相應的外圍設備,如龍門架、滑軌、變位機、翻轉機、工作臺和卡具等,有時機器人控制柜還需配備如接觸尋位和電弧跟蹤等功能的軟件。目前,日本和歐洲的造船廠已經開始用弧焊機器人來焊接船體分段的部件,這些焊接機器人一般都倒掛安裝在一個有2-3個自由度的大型龍門架上,焊接機器人必須具備接觸尋位和電弧跟蹤的功能,同時還需要開發(fā)適合船舶結構特點的焊接機器人專用離線編程軟件,以減少在線編程的時間。2.造船業(yè)使用的設備焊接專用設備,也包括一些通用的自動化焊接設備,它們的自動化水平或柔性水平都比焊接機器人系統(tǒng)低一些。但如果這些設備具有跟蹤接縫和參數(shù)穩(wěn)定的功能,焊接過程能自動進行無需操作人員不斷監(jiān)控,焊接質量也能保持穩(wěn)定,焊接專用設備的一次性投資和維護費用一般都比焊接機器人系統(tǒng)低得多。這種設備的種類有多種多樣,但其結構可以概括為如下幾大部分:焊接系統(tǒng)(焊接電源、送絲機、軟管、焊槍等),焊頭或工件移動(變位)機構、傳感器及控制系統(tǒng)等。焊接在造船業(yè)中往往要面對大型的金屬結構件,但這并不意味著必須采用大型的焊接設備,常?？梢杂眯⌒偷膶C,如能自動跟蹤接縫的自動式角焊縫焊接小車等?？傊?焊接過程的自動化可以通過采用焊接機器人系統(tǒng)也可用焊接專機等不同方式來實現(xiàn),工廠應如何選擇?選擇時要考慮哪些問題?這必須認真對待,最復雜和最貴的設備不一定是最合用的,盲目攀比和照抄外國的做法不一定就能適合我國的國情和工廠的條件,如果考慮不周,倉促上馬,往往會影響改造后的效果和效益。三、比較和思考焊接自動化的改造首先應明確改造的主要目的,并根據(jù)具體產品的對象和工廠的條件來考慮自動化的方式。1.降低生產成本的技術措施實施焊接自動化改造的目的在不同時期可能會有不同的目的,歸納起來有下列幾方面:(1)提高焊接質量的穩(wěn)定性;(2)提高效率,降低生產成本;(3)降低勞動強度;(4)解決高技術級別焊工少的矛盾;(5)改善勞動安全衛(wèi)生條件;(6)提高工廠的知名度;(7)改善生產的計劃性和消耗的預見性;(8)提高對市場的適應能力和競爭能力;根據(jù)當前我國的國情,大部分工廠實施焊接技術改造的主要目的首先是為了提高焊接質量的穩(wěn)定性和焊接的生產效率,但歸根到底都是為了獲取更大的經濟效益。2.教再現(xiàn)式機器人的焊接參數(shù)和焊接效率的對比不應該認為采用焊接機器人系統(tǒng)才是高水平的自動化,而小型焊接自動化設備屬低水平的;也不宜認為工廠只要有錢就應該一步到位上焊接機器人。其實,這種不考慮工廠現(xiàn)實條件和產品具體情況的“一步到位”思想,很容易造成高投資、低效益的后果,焊接自動化如以焊接機器人系統(tǒng)和小型焊接自動化設備兩種主要方式來分析,它們各自的特點對比如表2所列。下面僅針對質量和效率兩個方面作深一步的分析:(1)焊接質量的對比?；『笝C器人與小型弧焊自動化設備的焊接質量,在焊接材料與焊接參數(shù)相同的情況下,主要取決于焊接參數(shù)的穩(wěn)定性和焊頭跟蹤接縫的精度,對一般示教再現(xiàn)式機器人來說,焊接參數(shù)特別是焊接速度和焊槍的運動軌跡是按預先編制的程序運行的,重復精度高,但應變能力很差,這帶來一定的局限性,那就是對工件的裝配精度要求較嚴,重復性要好。這是因為機器人工作時為了避免發(fā)生危險,操作人員不準或不宜進入機器人的工作區(qū)域,使得操作者不能近距離實時監(jiān)視焊接過程并作必要的調節(jié)控制,所以工件若裝配精度差,很容易造成焊偏,即便運用接觸尋位和電弧跟蹤的程序,也不是絕對可靠,而且還會增加輔助時間,降低效率,小型自動化焊接設備由于控制系統(tǒng)比較簡單,特別是焊接速度和跟蹤接縫的精度比機器人要差些,但操作人員能靠近設備實時進行調節(jié),因此對工件的裝配精度要求較機器人的低些,但焊接質量會受操作者的技術水平和責任心的影響,可見,焊接質量的高低并不絕對由設備決定的,工廠應根據(jù)被焊工件可能達到的水平及操作工人的具體情況來選擇自動化的方式。(2)焊接效率的對比。焊接生產的效率不僅僅取決于所選焊接參數(shù)的大小,輔助時間的影響是很大的。一臺弧焊機器人和一臺小型自動化弧焊小車相比,如果采用相同的焊接參數(shù),它們完成一條焊縫的時間是相差不大的,但若要完成多條焊縫的焊接,移位的速度對總周期時間的長短將起決定性的作用,機器人的最快移動速度可達3m/s以上,所以焊縫短而多,焊槍移位次數(shù)越多,燃弧率越高,總效率也越高,這點小型自動化焊接小車是無法相比的。可是,問題總是一分為二,小型自動化焊接小車的優(yōu)勢在于價格低,買一臺焊接機器人的費用可以買幾十臺小車,采用多臺小車多個電弧同時焊接,總效率會比只有一個電弧的機器人高。小型自動化焊接小車適合于焊接長的直線或圓形焊縫,焊縫越長效率越高。但多臺小車需要多名操作者,勞力成本會增加,而且小車后拖帶的電纜、軟管、氣管等由于經常的搬動損壞較快,維護費用也會提高,在對比和選擇時需找好平衡點。四、積極參加監(jiān)獄內部的焊接作業(yè)在制定實施焊接自動化技術改造計劃時,在決策之前,車間(分廠)的領導,工程技術人員和設備的操作人員應從一開始就介入方案的制定,并一直參與選型、安裝、調試、培訓到生產的全過程,特別是初次準備要上焊接機器人的工廠更應該充分聽取各方面的意見,做好各項準備工作,應該強調指出,無論自動化的水平有多高,目前仍難以完全排除人的技藝的作用,熟練焊工的參與是很必要的。1.與周邊工作的關系無論是用焊接機器人或是小型焊接自動化設備,能否用好不僅僅取決于裝備本身的水平,還與周邊相關工作的質量有密切的關系。這是焊接本身的特點所決定的。圖1歸納出弧焊自動化設備與周邊工作的關系,圖中把有關工作分為四個部分:——工件焊接前序的準備(左側內容)——操作與維修人員素質的培養(yǎng)(下方內容)——效率與效果的分析(右側內容)——生產與技術管理的改進(上方內容)四方面的工作都必須決策時全面考慮,并在計劃的實施過程中同步進行,一旦設備安裝調試完畢,一切必要的準備工作也都就緒,只有這樣才能使設備在生產中盡快發(fā)揮作用,縮短“磨合期”。必須強調只有人,素質高的人,才是用好自動化設備的必要條件。2.適度或低成本自動化技術改造中的技術應用低成本自動化也可稱為“適度自動化”,是實施焊接技術改造的基本出發(fā)點,在當前國內、國際競爭越趨激烈的情況下,以最少的投入來換取最大的經濟效益應是一切經濟活動創(chuàng)造的主要出發(fā)點,適度或低成本自動化的技術改造在技術方面強調改造的內容應適合工廠的產品特點和管理、技術、人才的情況,不盲目追求最高水平,最多功能的設備;在經濟方面強調改造的資金投入應能在三年內回收,這就必須在決策時根據(jù)市場、產量、銷售、成本、利潤來認真分析,有時采取