液压支架焊接工艺装备现状与自动化焊接技术解决方案

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摘 要：分析了我国液压支架在生产加工中焊接工艺装备的现状,结合焊接机器人技术的发展状况,提出了采用主从离场控制技术实现液压支架焊接自动化的技术方案.

关 键 词：液压支架；焊接机器人；自动控制

1.国内液压支架的生产现状

液压支架是煤矿综合机械化开采的主要设备,除液压元件以外,其主体部件基本上都是形状复杂的箱形焊接结构件.因此,焊接是液压支架产品制造中主要的加工工艺.按目前国内液压支架产品的年产量计算,每年用于液压支架生产的焊接母材用量约为40多万t,而焊缝充填量占工件总重量的3%～4%,焊丝的有效消耗量达2万t,焊接作业劳动强度很大.尤其是近年来,随着材料技术的发展,为减轻支架的重量,设计上越来越多地使用高强度焊接材料.为保证高强度焊接材料的焊接质量,工艺上需要对工件进行焊前预热处理,即使在炎热的酷暑也是如此,作业环境非常恶劣.在我国所有的液压支架制造企业,手工焊接至今仍然是唯一的焊接作业方式.人工施焊时,焊接工人经常会受到心理、生理条件变化以及周围环境的干扰.在高负荷的劳动强度和恶劣作业条件下,操作工人容易疲劳,难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性,最终会造成焊接质量的不稳定.国外先进的液压支架生产商,如DBT公司和JOY公司已广泛地使用焊接机器人或机器手代替或部分代替人工焊接.焊接机器人的应用,不但改善了劳动环境、减轻劳动强度、提高生产效率,更主要原因是焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量的一致性,这对于保证批量生产的产品焊接质量至关重要.

多年来国内液压支架产品的出口一直受到焊接工艺质量的困扰,很难参与国际商务竞争.相反,近年来,国内市场已越来越多地受到国外企业高端液压支架产品的挑战.全球经济复苏而导致的国际能源紧张的局面为煤机制造企业创造了良好的发展机遇,如何抓住机遇迎接挑战是目前国内煤机制造企业所要面对和思考的问题.提高制造技术水平,加强装备现代化是必由之路.对液压支架制造企业来说,只能引用高新技术开发高端产品,应用机器人焊接技术提高焊接质量和生产效率,增加产品和企业的竞争力.

2.机器人焊接技术的应用与研究现状

从20世纪70年代初焊接机器人出现到现在,焊接机器人在国外已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械制造业.国内从引进焊接机器人到我国自行研制第1台弧焊机器人并开展机器人焊接技术领域的研究的近20年来,我国机器人焊接技术已有长足的进步.应用领域与国外先进国家相似,主要分布于各大中城市的汽车、摩托车、工程机械等制造业,其

中55%左右为弧焊机器人,45%左右为点焊机器人.国内已有点焊、弧焊机器人设计制造能力的厂家近10家,表明我国机器人焊接技术已具有相当规模.

与国内外焊接技术和焊接装备的发展极不协调的是,在我国以焊接为主要制造工艺的煤机制造企业尤其是液压支架制造企业,焊接机器人的应用以及相关技术的研究几乎处于空白状态.导致这种情形的主要原因有3个方面：

（1）进入市场经济以后,企业失去了国家在设备技术改造方面的投资.前些年持续多年煤炭行业的不景气状况导致煤机制造企业举步维艰,缺乏资金投入设备的技术改造和更新换代；

（2）国内液压支架制造行业尚未真正受到外国公司强有力的市场冲击,国内企业之间缺乏以更先进的制造技术取得市场竞争优势的意识；

（3）液压支架产品由于其主体部件结构的复杂性和品种的多样性,使现在汽车、摩托车和工程机械等制造业中使用的已相当成熟的示教型和离线编程控制方式的焊接机器人在液压支架产品的焊接加工中难以发挥作用,而具有视觉功能的智能型焊接机器人尚在发展之中.

（3）方面应该是问题的关键所在,这就要求煤机制造企业主动与焊接机器人研究和制造单位接触并进行合作,如此才能使液压支架以及整个煤机制造业赶上和保持与整个制造业快速发展的步伐.

3.液压支架制造中实现自动化焊接的技术途径

液压支架产品的结构特点和生产特征主要表现为：焊接结构部件都是几何形状比较复杂的多箱形结构,焊缝多为三维直线和少量的弧线,且数量多,路径不规则；焊缝的形状和尺寸多变；产品的批次变化快.

至今,工业现场应用的弧焊机器人主要是示教再现型,就液压支架产品的结构特点和生产特征来说,存在许多不适应之处：弧焊机器人缺乏对环境、工件对象变化的自主适应能力；示教过程中机器人必须停止生产,这占用了生产时间,编程效率低,尤其是对形状复杂的空间曲线焊缝；焊的运行受结构空间的限制.用于液压支架产品加工的焊接机器人应是基于视觉传感器的具有自主适应能力的智能化焊接机器人.视觉系统是机器人智能化的最重要的内容,它可以识别三维空间焊缝位置及其附近表面形状信息.基于三维空间图像位置识别的空间视觉系统是目前机器人视觉系统研究的前沿课题,并已开始在焊接机器人上应用,但远未达到工业化应用的程度.在我国研制出可用于复杂箱型结构件焊接的全智能化焊接机器人尚需一定的时间,因此,在全智能化焊接机器人和示教型焊接机器人之间开发过渡性产品,如所谓的主从遥控焊接系统,是一条有效的技术途径.

这种半智能化的焊接设备可由机器手、视觉传感器、显示器和操纵控制器等组成,人可以离场作业,用摄像机代替人眼,用机器手代替人手,而在远离工件的操纵台上有显示器和模拟操纵杆,作业人员在操纵台上通过显示器判断焊缝和焊的位置,通过模拟操纵杆控制焊的姿态和运动,即所谓的主从遥控焊接系统.

由于主从遥控焊接系统不需要示教,特别适合于结构复杂、批量小的特殊或人无法亲临的场合.人工参与操纵,有效地解决了路径规划、焊姿态控制、起弧和收弧问题.视觉传感器和智能控制器相结合可根据视觉传感器得到的焊点处的具体情况对操纵人员的指令进行实时修正,提高焊接质量.作业人员离场作业改善了劳动强度和作业环境以及由此而引发的焊接质量的不稳定问题.