溫室桁架自動焊接系統(tǒng)的研究與應(yīng)用.pdf

59 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備第41卷 第4期 2020年8月 VOL 41 No 4 Aug 2020 Modern Agricultural Equipment 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 侯 露 1 陳金奇 2 程俊峰 2 1 廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司 廣東 廣州 510555 2 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所 廣東 廣州 510630 摘 要 為改善焊接作業(yè)環(huán)境差 人工焊接勞動強(qiáng)度大 生產(chǎn)效率低 生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題 針對焊 接機(jī)器人作業(yè)進(jìn)行研究 以溫室桁架為研究對象 對焊接機(jī)器人的焊接方法與效率進(jìn)行分析 設(shè)計(jì)一套 以機(jī)器人搭載焊接系統(tǒng)為中心 多設(shè)備協(xié)同工作的溫室桁架自動焊接系統(tǒng) 通過應(yīng)用研究表明 該自動 焊接系統(tǒng)能夠改善生產(chǎn)環(huán)境 降低勞動強(qiáng)度 提高溫室桁架焊接質(zhì)量 比人工焊接工作效率提高60 關(guān)鍵詞 焊接 機(jī)器人 溫室桁架 中圖分類號 TP242 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673 2154 2020 04 0059 05 收稿日期 2020 05 27 基金項(xiàng)目 廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項(xiàng)項(xiàng)目 粵財(cái)農(nóng) 2019 73號 作者簡介 侯露 1991 女 碩士 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的研究 E mail 576882751 0 引 言 溫室是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要形式 在提高經(jīng)濟(jì) 效益 促進(jìn)農(nóng)民增收等方面承擔(dān)重大作用 1 隨著 設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和管理水平的提高 以及各地 政府的大力扶持推廣 溫室建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大 1 3 溫室結(jié)構(gòu)中 桁架起著重要的支撐和傳力作用 是 多種類型溫室的關(guān)鍵構(gòu)件 4 6 在桁架生產(chǎn)過程中 焊接是重要的加工手段 溫室桁架焊接工藝復(fù)雜 對工人的焊接水平要求高 勞動強(qiáng)度大 是大跨度 溫室生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié) 同時也是加工瓶頸 人工焊接存在工作環(huán)境差 勞動強(qiáng)度大 效率 低 潛在危險(xiǎn)較多等問題 實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動化 已是大勢所趨 溫室桁架長度較長 焊縫較多 焊 接工藝復(fù)雜 所需焊接空間相對較大 人工焊接空 間受限且存在安全隱患 此外 溫室桁架較重 每 條桁架約 80 kg 工人需多次完成抬 翻 放等動作 耗費(fèi)體力 在焊接過程中需要 2 人協(xié)同作業(yè) 據(jù)實(shí) 際生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì) 2 名工人每天可焊接 13 20 條 隨著中國科技的不斷發(fā)展 越來越多的機(jī)器人 應(yīng)用于焊接行業(yè)中 特別是批量性焊接的需求更為 迫切 7 機(jī)器人焊接技術(shù)大大提高了我國焊接制造 行業(yè)的整體生產(chǎn)效率 改善了焊接工人的工作條件 在各領(lǐng)域焊接生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用 8 工業(yè)機(jī)器人 應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線技術(shù)應(yīng)用已初步成熟 9 利用 焊接機(jī)器人技術(shù)建設(shè)溫室桁架自動焊接系統(tǒng) 用機(jī) 器替代人 將有助于解決溫室桁架生產(chǎn)的焊接問題 促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì) 高效發(fā)展 1 溫室桁架的結(jié)構(gòu) 桁架是溫室的關(guān)鍵構(gòu)件 尤其在大跨度溫室中 不同規(guī)格溫室所需桁架尺寸不同 以跨度為 9 6 m 的玻璃溫室為例 其桁架結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 桁架長 9 480 mm 由桁架上弦 桁架下弦 桁架腹桿 輔 助柱 立柱連接板 加強(qiáng)筋等組成 工件材料均為 普通碳鋼 需焊接焊縫共 112 條 其中 80 條焊縫 需雙面焊接 焊縫采用對接或角接接頭 2 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 1 溫室桁架自動焊接系統(tǒng) 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)由機(jī)器人 裝夾翻轉(zhuǎn)臺 清槍器 防護(hù)系統(tǒng) 焊接電源 PLC 控制系統(tǒng)等組 60 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 成 如圖 2 所示 當(dāng)工人將各組成部件放置指定位 置固定后 啟動程序 機(jī)器人與各設(shè)備聯(lián)動運(yùn)行 按照示教的動作 實(shí)現(xiàn)焊件的夾持 翻轉(zhuǎn) 焊接等 仿人工操作 1 桁架上弦 2 桁架下弦 3 桁架腹桿 4 輔助柱 5 立柱連接板 6 加強(qiáng)筋 1 桁架 2 機(jī)器人 3 清槍器 4 防護(hù)系統(tǒng) 5 裝夾翻轉(zhuǎn)臺 6 系統(tǒng)底座 圖1 桁架結(jié)構(gòu)圖 圖2 溫室桁架自動焊接系統(tǒng) 圖3 溫室桁架焊接系統(tǒng)設(shè)備布置圖 圖4 安川工業(yè)機(jī)器人本體 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)采用示教再現(xiàn)的原理 即通過導(dǎo)引機(jī)器人按實(shí)際焊接任務(wù)完整操作一次 機(jī)器人在用戶示教導(dǎo)引過程中記憶每個動作的位置 及各項(xiàng)參數(shù) 然后生成可連續(xù)執(zhí)行的程序 系統(tǒng)采 用雙工位 S1 S2 的焊接形式 4 臺機(jī)器人位于 S1 和 S2 工位中間均勻分布 每臺機(jī)器人均可 360 旋 轉(zhuǎn) 有效覆蓋整個焊接區(qū)域 如圖 3 所示 2 2 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)硬件配置 2 2 1 機(jī)器人 選用安川電機(jī)工業(yè)機(jī)器人 MA1440 由機(jī)器人 本體 圖 4 DX200 控制柜 DX200 示教編程器 組成 機(jī)器人為 6 軸長臂型多功能機(jī)器人 搭載高 電流焊槍 機(jī)臂最大可伸長 2 010 mm 實(shí)現(xiàn)同級別 最大伸長范圍及高速動作 在厚板焊接中提高易用 性 控制柜記憶容量大 編碼器順序控制機(jī)器人行 走位置 2 2 2 焊接裝置 選用全功能逆變式脈沖氣體保護(hù)焊機(jī) 型號 5 1 1 2 3 4 5 6 2 3 4 6 61 第4期 圖5 清槍器 為 MOTOWELD RD350 額定輸入電壓三相 380 415 V AC 適用母材 普通碳鋼 不銹鋼 送 絲機(jī)構(gòu)為雙驅(qū)印刷電機(jī) 初始設(shè)定C09 5 送絲 速度為1 5 18 0 m min 溶接法 C02短路焊接 MAG MIG短路焊接 脈沖焊接 2 2 3 裝夾翻轉(zhuǎn)臺 根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制 由系統(tǒng)底座 焊接夾 具 焊接夾具支撐平臺 外部軸 變位機(jī)支撐等構(gòu)成 變位主動支撐與變位機(jī)從動支撐分別與外部軸的主 動部分及從動部分連接 并與系統(tǒng)底座有效連接 系統(tǒng)底座由鋼結(jié)構(gòu)模塊組成 有效覆蓋整個機(jī)器人 及焊接區(qū)域 焊接夾具為固定式定位裝置 最大可 夾持尺寸為 500 mm 9 600 mm 的焊接工件 滿足 溫室大棚關(guān)鍵構(gòu)件大桁架的焊接要求 焊接夾具支 撐平臺承載固定焊接夾具 使焊接工件轉(zhuǎn)動后定位 不產(chǎn)生變形 不影響重新定位精度 2 2 4 清槍器 選用德利爾牌 HQ32D J 焊槍自動清理機(jī) 清 槍器可剪除焊絲端部碳化物 優(yōu)化起弧效果 清理 機(jī)器人焊槍套內(nèi)的飛濺物 確保氣體長期暢通 有 效阻隔空氣進(jìn)入焊接區(qū) 保護(hù)焊接熔池 提高焊縫 質(zhì)量 給保護(hù)套噴灑防堵劑 降低焊渣對槍套 槍 嘴的黏連 增加耐用度 2 3 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)的工作流程 2 3 1 工件裝夾 由 2 位工人上料裝夾 依次裝夾兩端立柱連接 板 桁架上弦 桁架下弦 桁架腹桿 調(diào)整連接裂 縫 3 mm 2 3 2 啟動準(zhǔn)備 啟動前 把 PLC 控制面板調(diào)整到自動方式和運(yùn) 行準(zhǔn)備狀態(tài) 以S1工位先焊接為例 所有氣動元件 夾緊狀態(tài)工位裝夾完成后 啟動S1工位兩端開關(guān)盒 S1工位上4盞指示燈為黃色時 啟動按鍵準(zhǔn)備焊接 2 3 3 焊接工件 4 臺機(jī)器人分別按程序指定流程同時焊接 先 焊接上下弦與腹桿 立柱連接板 輔助柱的正面 然后翻轉(zhuǎn)焊接背面 焊接完成后再翻轉(zhuǎn)回正 機(jī)器 人暫停工作 由工人安裝4個加強(qiáng)筋 再次按啟動鍵 此時兩端的 2 臺機(jī)器人再次啟動 焊接加強(qiáng)筋與上 下弦 立柱連接板的裂縫 在 S1 工位焊接工程中 工人可同時進(jìn)行 S2 工位的上料裝夾 2 3 4 拆卸下料 在該系統(tǒng)焊接 S2 工位的桁架時 工人在 S1 工 位快速打開所有腹桿快速夾 松開三角加強(qiáng)筋彈簧 銷 打開推起氣缸 把桁架頂起 即可卸載 由于 工件較大 工件裝卸采用天車搬運(yùn)方式 3 系統(tǒng)性能優(yōu)勢 3 1 多臺焊接機(jī)器人協(xié)作 該系統(tǒng)由 4 臺焊接機(jī)器人協(xié)作 每臺焊接機(jī)器 人負(fù)責(zé)設(shè)定區(qū)域內(nèi)桁架焊縫的焊接 各自獨(dú)立完成 焊接任務(wù) 共同完成單個桁架的焊接 提高焊接效 率 3 2 雙工位連續(xù)焊接 當(dāng) S1 工位焊接時 工人在 S2 工位拆卸已焊接 完成的桁架 并將下一套桁架材料裝夾至設(shè)定位置 完成 S1 工位焊接后 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)至 S2 工位繼續(xù)焊 接 由雙工位焊接平臺連續(xù)焊接 有效利用機(jī)器人 作業(yè)期間的閑置時間 提高生產(chǎn)效率 3 3 桁架自動雙面焊接 桁架需雙面進(jìn)行焊接 裝夾翻轉(zhuǎn)臺可將工件進(jìn) 行 180 翻轉(zhuǎn) 因此 在每個桁架焊接完成一面后 每個工位均可快速自動翻轉(zhuǎn) 無需工人拆卸翻轉(zhuǎn)安 裝 3 4 自動清槍 在雙工位中間位置設(shè)有清槍站 每臺機(jī)器人配 置 1 臺清槍器 機(jī)器人帶動焊機(jī)工作一段時間后 侯 露 等 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 62 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 由清槍器自動清除焊機(jī)噴嘴處粘附的焊渣 并向噴 嘴內(nèi)部噴射硅油 避免焊接時飛濺的焊渣粘附 3 5 自動升降遮光保護(hù) 每個工位配套自動升降遮光簾 當(dāng)一邊工位的 桁架焊接完成后 工位的遮光簾自動降下 同時另 一邊工位的遮光簾自動升起 在焊接過程中有效改 善工作環(huán)境 避免弧光 灼傷等職業(yè)傷害的發(fā)生 3 6 焊接異常自動警報(bào) 焊接過程中 正常運(yùn)作時指示燈為綠色 發(fā)生 異常狀態(tài) 如粘絲 碰撞 斷弧 引弧失敗等情況時 4 臺機(jī)器人同時停止焊接 發(fā)生異常的機(jī)器人對應(yīng) 的指示燈亮紅色 工作人員可及時檢查 處理異常 異常處理完畢 按異常復(fù)位鍵 再按運(yùn)行準(zhǔn)備 指 示燈變黃色后 再按開關(guān)盒的啟動按鍵 4 臺機(jī)器 人繼續(xù)進(jìn)行焊接 4 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)應(yīng)用效果 4 1 提高生產(chǎn)效率 該系統(tǒng)通過4臺焊接機(jī)器人與外圍多設(shè)備協(xié)作 完成桁架的生產(chǎn)焊接 根據(jù)目前工廠實(shí)際焊接情況 每生產(chǎn)一條桁架需 13 min 該系統(tǒng)為雙工位 在一 側(cè)工位焊接過程中 另一側(cè)協(xié)同進(jìn)行工件裝夾 平 均焊接一條桁架需要約 9 min 在實(shí)際生產(chǎn)過程中 每生產(chǎn) 20 條桁架用時約 3 h 比人工焊接生產(chǎn)效率 提高了 60 4 2 改善生產(chǎn)環(huán)境 依托成熟的機(jī)器人技術(shù)和設(shè)備 該系統(tǒng)焊接空 間環(huán)境及操作相對簡單 一旦發(fā)生異常 工人隨時 可以抽身逃離 在整個焊接過程中 工人無需長時 間近距離觀察焊接情況 減少有害因素的影響 焊 接空間環(huán)境設(shè)備位置擺放有序且固定 無其他電器 及工具放置 空間相對開闊 搬運(yùn)過程相對安全 4 3 降低勞動強(qiáng)度 在焊接過程中 該系統(tǒng)可獨(dú)立完成焊接 翻轉(zhuǎn) 清槍等工作 只需 2 名工人按工作流程協(xié)同完成工 料的搬運(yùn) 定位及裝卸 大大降低工人勞動強(qiáng)度 4 4 提升桁架的加工質(zhì)量和穩(wěn)定性 如圖 6 7 所示 可以明顯看出使用該系統(tǒng)焊 接的焊縫相對均勻 焊縫質(zhì)量較穩(wěn)定 且焊渣較少 大大提高了桁架的焊接加工質(zhì)量 圖6 人工焊接焊縫 圖7 系統(tǒng)焊接焊縫 4 5 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化系列化生產(chǎn) 溫室設(shè)計(jì)中 平均每40 m 2 需要1條桁架 1萬m 2 的溫室需要250條 生產(chǎn)耗時37 5 h 按每天 工作8 h計(jì) 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5個標(biāo)準(zhǔn)工作日生產(chǎn)1萬m 2 溫室用桁架的加工能力 在生產(chǎn)量大或生產(chǎn)時間緊 急情況下 該系統(tǒng)可24 h連續(xù)生產(chǎn) 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化系 列化生產(chǎn) 5 存在問題與分析 目前 自動化焊接已在市場上得到了一定范圍 的應(yīng)用 主要應(yīng)用于汽車 輪船等制造業(yè)領(lǐng)域 通 常是不同類型的焊接機(jī)器人對不同部位進(jìn)行焊接作 業(yè) 具有較高的重復(fù)性 通過多種焊接機(jī)器人組成 整套焊接生產(chǎn)線 9 在溫室桁架生產(chǎn)中 自動化焊 接的應(yīng)用研究較少 其主要原因?yàn)?溫室桁架長度 較長 焊縫較多且分布集中 本文根據(jù)溫室桁架的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)搭建了溫室桁架焊接平臺 通過 PLC 控 制系統(tǒng)發(fā)出信息交互指令 由 4 臺機(jī)器人替代人工 同步有序進(jìn)行焊接 實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域共同完成桁架所 有焊合作業(yè) 通過研究表明 與人工焊接相比 自 63 第4期 動焊接系統(tǒng)可改善生產(chǎn)環(huán)境 降低勞動強(qiáng)度 提升 桁架的質(zhì)量和穩(wěn)定性 生產(chǎn)效率提高了 60 滿足 溫室桁架自動焊接的要求 在應(yīng)用該系統(tǒng)焊接溫室桁架時 約 5 的焊縫 存在焊偏 焊接不到位等問題 因此溫室桁架在投 入使用前 需對各焊縫進(jìn)行人工檢查 并對存在問 題的焊縫進(jìn)行人工修補(bǔ) 以保證桁架的承載能力 導(dǎo)致焊縫問題的原因主要是 人工生產(chǎn)各構(gòu)件允 許誤差相對較大 人工搬運(yùn)過程中發(fā)生應(yīng)力變 形 在定位過程中 焊縫過大或位置發(fā)生偏移 針對這些問題 可以減小各構(gòu)件生產(chǎn)的允許誤差 配套運(yùn)輸設(shè)備 提高定位精度 隨著世界制造業(yè)的 迅速發(fā)展 焊接智能化技術(shù)水平越來越高 我國焊 接機(jī)器人的發(fā)展也正由示教再現(xiàn)型向智能化方向發(fā) 展 10 通過引入傳感技術(shù) 自動跟蹤溫室桁架焊縫 精準(zhǔn)識別焊縫位置 提升溫室桁架焊縫的質(zhì)量和合 格率 使溫室桁架生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化 參考文獻(xiàn) 1 張震 劉學(xué)瑜 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策 J 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題 2015 5 64 70 111 2 鐘鋼 國內(nèi)外溫室發(fā)展歷程 現(xiàn)狀及趨勢 J 農(nóng) 業(yè)科技與裝備 2013 9 68 69 3 李葦 李惠玲 劉霓紅 等 華南區(qū)域溫室自 然通風(fēng)系列天窗裝置 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2016 6 55 60 4 蔣先平 薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2004 7 58 60 5 梁宗敏 連棟溫室結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠度設(shè)計(jì)理論研究 D 北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 2004 6 曹曉波 大開間連棟溫室結(jié)構(gòu)的受力分析與優(yōu)化 設(shè)計(jì) D 晉中 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 2016 7 張少林 景奉水 蘆虎武 等 基于智能機(jī)器人 的數(shù)字化柔性汽車托架焊接工作站設(shè)計(jì) J 機(jī)器 人技術(shù)與應(yīng)用 2017 5 32 35 8 霍厚志 張?zhí)?杜啟恒 等 我國焊接機(jī)器人 應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢 J 焊管 2017 40 2 36 42 9 王海霞 李志宏 吳清鋒 工業(yè)機(jī)器人在制造 業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展 J 機(jī)電工程技術(shù) 2015 44 10 112 114 10 許燕玲 林濤 陳善本 焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀 與研究發(fā)展趨勢 J 金屬加工 熱加工 2010 8 32 36 Research and Application of Automatic Welding System for Greenhouse Truss Hou Lu 1 Chen Jinqi 2 Cheng Junfeng 2 1 Guangdong Hongke Agricultural Machinery R 2 Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou 510630 China Abstract The welding operation environment is poor the manual welding has high labor intensity low production efficiency and the production quality is not stable In order to solve this problem this paper studies the welding robot operation takes the greenhouse truss as the research object analyzes the welding method and efficiency of the welding robot and designs and studies a set of automatic welding system for the greenhouse truss with the robot carrying the welding system as the center and the multi equipment working together The application research showed that the automatic welding system improved the production environment reduced the labor intensity improved the welding quality of greenhouse truss and increased the working efficiency by 60 compared with manual welding Key words weld robot greenhouse truss 侯 露 等 溫室桁架自動焊接系統(tǒng)的研究與應(yīng)用