焊接自动化的特点及改造

焊接自动化的特点及改造

一、焊接自动化率低焊接是金属结构制造的一项重要加工工艺，尤其是在造船行业。焊接过程的质量和效率直接影响产品的成本。在过去的十年里，由于气体保护和焊接的蓬勃发展，以及合并弧焊的应用，中国的焊接生产工艺水平显著提高。然而，从总的角度来看，手动焊接仍占很大一部分。表1中列出最近几年我国焊接材料生产的统计数据,焊接材料的总产量已经达到80万吨,可是焊接的机械化自动化率还徘徊在20%左右,即使考虑一些大厂从国外进口焊丝,自动化率也达不到日本1973年的水平。应该看到,在这20%的机械化自动化率中手工操作的半自动焊占的比例很大,而且有自动跟踪功能的焊接装备较少,这就是说,在焊接过程中人的不断观察和操作控制是不可缺少的,焊接质量仍在一定程度上受人的技术、体力和责任心的影响,实施焊接自动化就是要采用更多更新的科技成果以减少焊接质量对人的技艺的依赖程度。因此,提高我国焊接自动化水平的技术改造,保证焊接产品质量的稳定性,将成为今后几年我国焊接技术改造的主要任务,也是迎接21世纪更加激烈的市场竞争的需要。二、焊接自动化设备的开发实施焊接过程自动化的技术改造有不同的途径,可以用柔性很好的焊接机器人系统,可以选较简单的焊接自动化设备,以及开发针对某一类焊缝或产品的专用焊接设备。工厂在实施焊接技术改造时往往不清楚如何正确选择和必须具备的基本条件,这就需要进一步了解不同焊接自动化方式的特点,并结合工厂本身的具体情况综合考虑才能作出科学的决策,并能顺利实施和取得理想的成效。1.焊接机器人岩头机器人是50年代末在美国诞生的,但在生产中大量应用主要还是在80年代,机器人是一种具有三个或更多可重复编程轴的自动控制操作机,具有很强的柔性,可适应不同的用途和不同形状的工件。80年代晚些时候,我国的一些工厂开始装备焊接机器人,进入90年代后机器人的台数和应用的工厂数都有较快的发展,标志着我国已经进入应用机器人的时代,据统计,到1996年底全国焊接机器人的数量为500台(不包括港、澳、台),其中弧焊机器人占53%,点焊机器人46%,主要分布于汽车制造(47%),汽车零部件(18%),摩托车(15%),工程机械(16%)等少数几个行业中,焊接机器人在造船业中还没有大量应用,我国大陆焊接机器人的数量不但比瑞典,西班牙这样的国家少,而且只是台湾省的40%,因此,加快焊接机器人的应用面和应用量是焊接工作者的时代任务。焊接机器人是在工业机器人上装备焊接系统,如送丝机、软管、焊枪、焊炬或焊钳,并配备相应的焊接电源的自动化焊接装备,还可以在焊接机器人上装例如有自适应功能的视觉传感控制系统,但由于价格高,并会影响焊枪的可达性,目前在一般金属结构件焊接中的应用还不普遍,焊接的机器人大多是选6个轴的关节式机器人,焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式,即平行四边形结构和侧置式(摆式)结构。两种结构形式的机器人各有优缺点,需要根据具体应用的条件来选择。侧置式(摆式)机器人主要优点是机器人上下臂的活动范围大,其最大工作空间几乎能形成一个球面。因此,这种机器人适合于倒挂在机架上工作,以节省占地面积和方便地面物体的流动,但是这种机器人的2、3轴均匀悬臂结构,降低了机器人的刚度,一般只适用于负载较小的场合,如用于弧焊,切割或喷涂。近年来,弧焊机器人采用倒挂的安装方式越来越多,侧置式焊接机器人的生产和应用也不断增多。平行四边形机器人因其上臂是由一根拉杆驱动的,拉杆与下臂组成平行四边形的两个边故而得名。早期的平行四边形机器人的可达区域仅局限于机器人前部的较小空间内,难以倒挂安装,自80年代末以来开发的新型平行四边形机器人的工作空间明显增大,能够达到机器人的顶部和底部,能够倒挂安装,而且结构刚度又比较好,这种机器人不仅可用于负载较小的弧焊,也可用作负载100-150kg的点焊或搬运/变位的机器人。在生产中要组成一套最基本的能进行焊接作业的焊接机器人工作站(单元)除了焊接机器人之外,还需要有相应的外围设备,如龙门架、滑轨、变位机、翻转机、工作台和卡具等,有时机器人控制柜还需配备如接触寻位和电弧跟踪等功能的软件。目前,日本和欧洲的造船厂已经开始用弧焊机器人来焊接船体分段的部件,这些焊接机器人一般都倒挂安装在一个有2-3个自由度的大型龙门架上,焊接机器人必须具备接触寻位和电弧跟踪的功能,同时还需要开发适合船舶结构特点的焊接机器人专用离线编程软件,以减少在线编程的时间。2.造船业使用的设备焊接专用设备,也包括一些通用的自动化焊接设备,它们的自动化水平或柔性水平都比焊接机器人系统低一些。但如果这些设备具有跟踪接缝和参数稳定的功能,焊接过程能自动进行无需操作人员不断监控,焊接质量也能保持稳定,焊接专用设备的一次性投资和维护费用一般都比焊接机器人系统低得多。这种设备的种类有多种多样,但其结构可以概括为如下几大部分:焊接系统(焊接电源、送丝机、软管、焊枪等),焊头或工件移动(变位)机构、传感器及控制系统等。焊接在造船业中往往要面对大型的金属结构件,但这并不意味着必须采用大型的焊接设备,常常可以用小型的专机,如能自动跟踪接缝的自动式角焊缝焊接小车等。总之,焊接过程的自动化可以通过采用焊接机器人系统也可用焊接专机等不同方式来实现,工厂应如何选择?选择时要考虑哪些问题?这必须认真对待,最复杂和最贵的设备不一定是最合用的,盲目攀比和照抄外国的做法不一定就能适合我国的国情和工厂的条件,如果考虑不周,仓促上马,往往会影响改造后的效果和效益。三、比较和思考焊接自动化的改造首先应明确改造的主要目的,并根据具体产品的对象和工厂的条件来考虑自动化的方式。1.降低生产成本的技术措施实施焊接自动化改造的目的在不同时期可能会有不同的目的,归纳起来有下列几方面:(1)提高焊接质量的稳定性;(2)提高效率,降低生产成本;(3)降低劳动强度;(4)解决高技术级别焊工少的矛盾;(5)改善劳动安全卫生条件;(6)提高工厂的知名度;(7)改善生产的计划性和消耗的预见性;(8)提高对市场的适应能力和竞争能力;根据当前我国的国情,大部分工厂实施焊接技术改造的主要目的首先是为了提高焊接质量的稳定性和焊接的生产效率,但归根到底都是为了获取更大的经济效益。2.教再现式机器人的焊接参数和焊接效率的对比不应该认为采用焊接机器人系统才是高水平的自动化,而小型焊接自动化设备属低水平的;也不宜认为工厂只要有钱就应该一步到位上焊接机器人。其实,这种不考虑工厂现实条件和产品具体情况的“一步到位”思想,很容易造成高投资、低效益的后果,焊接自动化如以焊接机器人系统和小型焊接自动化设备两种主要方式来分析,它们各自的特点对比如表2所列。下面仅针对质量和效率两个方面作深一步的分析:(1)焊接质量的对比。弧焊机器人与小型弧焊自动化设备的焊接质量,在焊接材料与焊接参数相同的情况下,主要取决于焊接参数的稳定性和焊头跟踪接缝的精度,对一般示教再现式机器人来说,焊接参数特别是焊接速度和焊枪的运动轨迹是按预先编制的程序运行的,重复精度高,但应变能力很差,这带来一定的局限性,那就是对工件的装配精度要求较严,重复性要好。这是因为机器人工作时为了避免发生危险,操作人员不准或不宜进入机器人的工作区域,使得操作者不能近距离实时监视焊接过程并作必要的调节控制,所以工件若装配精度差,很容易造成焊偏,即便运用接触寻位和电弧跟踪的程序,也不是绝对可靠,而且还会增加辅助时间,降低效率,小型自动化焊接设备由于控制系统比较简单,特别是焊接速度和跟踪接缝的精度比机器人要差些,但操作人员能靠近设备实时进行调节,因此对工件的装配精度要求较机器人的低些,但焊接质量会受操作者的技术水平和责任心的影响,可见,焊接质量的高低并不绝对由设备决定的,工厂应根据被焊工件可能达到的水平及操作工人的具体情况来选择自动化的方式。(2)焊接效率的对比。焊接生产的效率不仅仅取决于所选焊接参数的大小,辅助时间的影响是很大的。一台弧焊机器人和一台小型自动化弧焊小车相比,如果采用相同的焊接参数,它们完成一条焊缝的时间是相差不大的,但若要完成多条焊缝的焊接,移位的速度对总周期时间的长短将起决定性的作用,机器人的最快移动速度可达3m/s以上,所以焊缝短而多,焊枪移位次数越多,燃弧率越高,总效率也越高,这点小型自动化焊接小车是无法相比的。可是,问题总是一分为二,小型自动化焊接小车的优势在于价格低,买一台焊接机器人的费用可以买几十台小车,采用多台小车多个电弧同时焊接,总效率会比只有一个电弧的机器人高。小型自动化焊接小车适合于焊接长的直线或圆形焊缝,焊缝越长效率越高。但多台小车需要多名操作者,劳力成本会增加,而且小车后拖带的电缆、软管、气管等由于经常的搬动损坏较快,维护费用也会提高,在对比和选择时需找好平衡点。四、积极参加监狱内部的焊接作业在制定实施焊接自动化技术改造计划时,在决策之前,车间(分厂)的领导,工程技术人员和设备的操作人员应从一开始就介入方案的制定,并一直参与选型、安装、调试、培训到生产的全过程,特别是初次准备要上焊接机器人的工厂更应该充分听取各方面的意见,做好各项准备工作,应该强调指出,无论自动化的水平有多高,目前仍难以完全排除人的技艺的作用,熟练焊工的参与是很必要的。1.与周边工作的关系无论是用焊接机器人或是小型焊接自动化设备,能否用好不仅仅取决于装备本身的水平,还与周边相关工作的质量有密切的关系。这是焊接本身的特点所决定的。图1归纳出弧焊自动化设备与周边工作的关系,图中把有关工作分为四个部分:——工件焊接前序的准备(左侧内容)——操作与维修人员素质的培养(下方内容)——效率与效果的分析(右侧内容)——生产与技术管理的改进(上方内容)四方面的工作都必须决策时全面考虑,并在计划的实施过程中同步进行,一旦设备安装调试完毕,一切必要的准备工作也都就绪,只有这样才能使设备在生产中尽快发挥作用,缩短“磨合期”。必须强调只有人,素质高的人,才是用好自动化设备的必要条件。2.适度或低成本自动化技术改造中的技术应用低成本自动化也可称为“适度自动化”,是实施焊接技术改造的基本出发点,在当前国内、国际竞争越趋激烈的情况下,以最少的投入来换取最大的经济效益应是一切经济活动创造的主要出发点,适度或低成本自动化的技术改造在技术方面强调改造的内容应适合工厂的产品特点和管理、技术、人才的情况,不盲目追求最高水平,最多功能的设备;在经济方面强调改造的资金投入应能在三年内回收,这就必须在决策时根据市场、产量、销售、成本、利润来认真分析,有时采取