温室桁架自动焊接系统的研究与应用.pdf

59 现代农业装备第41卷 第4期 2020年8月 VOL 41 No 4 Aug 2020 Modern Agricultural Equipment 温室桁架自动焊接系统的研究与应用 侯 露 1 陈金奇 2 程俊峰 2 1 广东弘科农业机械研究开发有限公司 广东 广州 510555 2 广东省现代农业装备研究所 广东 广州 510630 摘 要 为改善焊接作业环境差 人工焊接劳动强度大 生产效率低 生产质量不稳定等问题 针对焊 接机器人作业进行研究 以温室桁架为研究对象 对焊接机器人的焊接方法与效率进行分析 设计一套 以机器人搭载焊接系统为中心 多设备协同工作的温室桁架自动焊接系统 通过应用研究表明 该自动 焊接系统能够改善生产环境 降低劳动强度 提高温室桁架焊接质量 比人工焊接工作效率提高60 关键词 焊接 机器人 温室桁架 中图分类号 TP242 2 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2020 04 0059 05 收稿日期 2020 05 27 基金项目 广东省乡村振兴战略专项项目 粤财农 2019 73号 作者简介 侯露 1991 女 硕士 主要从事设施农业装备技术的研究 E mail 576882751 0 引 言 温室是我国设施农业的主要形式 在提高经济 效益 促进农民增收等方面承担重大作用 1 随着 设施农业技术的发展和管理水平的提高 以及各地 政府的大力扶持推广 温室建设规模不断扩大 1 3 温室结构中 桁架起着重要的支撑和传力作用 是 多种类型温室的关键构件 4 6 在桁架生产过程中 焊接是重要的加工手段 温室桁架焊接工艺复杂 对工人的焊接水平要求高 劳动强度大 是大跨度 温室生产中的重要环节 同时也是加工瓶颈 人工焊接存在工作环境差 劳动强度大 效率 低 潜在危险较多等问题 实现焊接生产的自动化 已是大势所趋 温室桁架长度较长 焊缝较多 焊 接工艺复杂 所需焊接空间相对较大 人工焊接空 间受限且存在安全隐患 此外 温室桁架较重 每 条桁架约 80 kg 工人需多次完成抬 翻 放等动作 耗费体力 在焊接过程中需要 2 人协同作业 据实 际生产情况统计 2 名工人每天可焊接 13 20 条 随着中国科技的不断发展 越来越多的机器人 应用于焊接行业中 特别是批量性焊接的需求更为 迫切 7 机器人焊接技术大大提高了我国焊接制造 行业的整体生产效率 改善了焊接工人的工作条件 在各领域焊接生产中得到广泛应用 8 工业机器人 应用于自动化生产线技术应用已初步成熟 9 利用 焊接机器人技术建设温室桁架自动焊接系统 用机 器替代人 将有助于解决温室桁架生产的焊接问题 促进设施农业生产高质 高效发展 1 温室桁架的结构 桁架是温室的关键构件 尤其在大跨度温室中 不同规格温室所需桁架尺寸不同 以跨度为 9 6 m 的玻璃温室为例 其桁架结构如图 1 所示 桁架长 9 480 mm 由桁架上弦 桁架下弦 桁架腹杆 辅 助柱 立柱连接板 加强筋等组成 工件材料均为 普通碳钢 需焊接焊缝共 112 条 其中 80 条焊缝 需双面焊接 焊缝采用对接或角接接头 2 温室桁架自动焊接系统的设计 2 1 温室桁架自动焊接系统 温室桁架自动焊接系统由机器人 装夹翻转台 清枪器 防护系统 焊接电源 PLC 控制系统等组 60 现代农业装备 2020年 成 如图 2 所示 当工人将各组成部件放置指定位 置固定后 启动程序 机器人与各设备联动运行 按照示教的动作 实现焊件的夹持 翻转 焊接等 仿人工操作 1 桁架上弦 2 桁架下弦 3 桁架腹杆 4 辅助柱 5 立柱连接板 6 加强筋 1 桁架 2 机器人 3 清枪器 4 防护系统 5 装夹翻转台 6 系统底座 图1 桁架结构图 图2 温室桁架自动焊接系统 图3 温室桁架焊接系统设备布置图 图4 安川工业机器人本体 温室桁架自动焊接系统采用示教再现的原理 即通过导引机器人按实际焊接任务完整操作一次 机器人在用户示教导引过程中记忆每个动作的位置 及各项参数 然后生成可连续执行的程序 系统采 用双工位 S1 S2 的焊接形式 4 台机器人位于 S1 和 S2 工位中间均匀分布 每台机器人均可 360 旋 转 有效覆盖整个焊接区域 如图 3 所示 2 2 温室桁架自动焊接系统硬件配置 2 2 1 机器人 选用安川电机工业机器人 MA1440 由机器人 本体 图 4 DX200 控制柜 DX200 示教编程器 组成 机器人为 6 轴长臂型多功能机器人 搭载高 电流焊枪 机臂最大可伸长 2 010 mm 实现同级别 最大伸长范围及高速动作 在厚板焊接中提高易用 性 控制柜记忆容量大 编码器顺序控制机器人行 走位置 2 2 2 焊接装置 选用全功能逆变式脉冲气体保护焊机 型号 5 1 1 2 3 4 5 6 2 3 4 6 61 第4期 图5 清枪器 为 MOTOWELD RD350 额定输入电压三相 380 415 V AC 适用母材 普通碳钢 不锈钢 送 丝机构为双驱印刷电机 初始设定C09 5 送丝 速度为1 5 18 0 m min 溶接法 C02短路焊接 MAG MIG短路焊接 脉冲焊接 2 2 3 装夹翻转台 根据桁架结构设计定制 由系统底座 焊接夹 具 焊接夹具支撑平台 外部轴 变位机支撑等构成 变位主动支撑与变位机从动支撑分别与外部轴的主 动部分及从动部分连接 并与系统底座有效连接 系统底座由钢结构模块组成 有效覆盖整个机器人 及焊接区域 焊接夹具为固定式定位装置 最大可 夹持尺寸为 500 mm 9 600 mm 的焊接工件 满足 温室大棚关键构件大桁架的焊接要求 焊接夹具支 撑平台承载固定焊接夹具 使焊接工件转动后定位 不产生变形 不影响重新定位精度 2 2 4 清枪器 选用德利尔牌 HQ32D J 焊枪自动清理机 清 枪器可剪除焊丝端部碳化物 优化起弧效果 清理 机器人焊枪套内的飞溅物 确保气体长期畅通 有 效阻隔空气进入焊接区 保护焊接熔池 提高焊缝 质量 给保护套喷洒防堵剂 降低焊渣对枪套 枪 嘴的黏连 增加耐用度 2 3 温室桁架自动焊接系统的工作流程 2 3 1 工件装夹 由 2 位工人上料装夹 依次装夹两端立柱连接 板 桁架上弦 桁架下弦 桁架腹杆 调整连接裂 缝 3 mm 2 3 2 启动准备 启动前 把 PLC 控制面板调整到自动方式和运 行准备状态 以S1工位先焊接为例 所有气动元件 夹紧状态工位装夹完成后 启动S1工位两端开关盒 S1工位上4盏指示灯为黄色时 启动按键准备焊接 2 3 3 焊接工件 4 台机器人分别按程序指定流程同时焊接 先 焊接上下弦与腹杆 立柱连接板 辅助柱的正面 然后翻转焊接背面 焊接完成后再翻转回正 机器 人暂停工作 由工人安装4个加强筋 再次按启动键 此时两端的 2 台机器人再次启动 焊接加强筋与上 下弦 立柱连接板的裂缝 在 S1 工位焊接工程中 工人可同时进行 S2 工位的上料装夹 2 3 4 拆卸下料 在该系统焊接 S2 工位的桁架时 工人在 S1 工 位快速打开所有腹杆快速夹 松开三角加强筋弹簧 销 打开推起气缸 把桁架顶起 即可卸载 由于 工件较大 工件装卸采用天车搬运方式 3 系统性能优势 3 1 多台焊接机器人协作 该系统由 4 台焊接机器人协作 每台焊接机器 人负责设定区域内桁架焊缝的焊接 各自独立完成 焊接任务 共同完成单个桁架的焊接 提高焊接效 率 3 2 双工位连续焊接 当 S1 工位焊接时 工人在 S2 工位拆卸已焊接 完成的桁架 并将下一套桁架材料装夹至设定位置 完成 S1 工位焊接后 机器人旋转至 S2 工位继续焊 接 由双工位焊接平台连续焊接 有效利用机器人 作业期间的闲置时间 提高生产效率 3 3 桁架自动双面焊接 桁架需双面进行焊接 装夹翻转台可将工件进 行 180 翻转 因此 在每个桁架焊接完成一面后 每个工位均可快速自动翻转 无需工人拆卸翻转安 装 3 4 自动清枪 在双工位中间位置设有清枪站 每台机器人配 置 1 台清枪器 机器人带动焊机工作一段时间后 侯 露 等 温室桁架自动焊接系统的研究与应用 62 现代农业装备 2020年 由清枪器自动清除焊机喷嘴处粘附的焊渣 并向喷 嘴内部喷射硅油 避免焊接时飞溅的焊渣粘附 3 5 自动升降遮光保护 每个工位配套自动升降遮光帘 当一边工位的 桁架焊接完成后 工位的遮光帘自动降下 同时另 一边工位的遮光帘自动升起 在焊接过程中有效改 善工作环境 避免弧光 灼伤等职业伤害的发生 3 6 焊接异常自动警报 焊接过程中 正常运作时指示灯为绿色 发生 异常状态 如粘丝 碰撞 断弧 引弧失败等情况时 4 台机器人同时停止焊接 发生异常的机器人对应 的指示灯亮红色 工作人员可及时检查 处理异常 异常处理完毕 按异常复位键 再按运行准备 指 示灯变黄色后 再按开关盒的启动按键 4 台机器 人继续进行焊接 4 温室桁架自动焊接系统应用效果 4 1 提高生产效率 该系统通过4台焊接机器人与外围多设备协作 完成桁架的生产焊接 根据目前工厂实际焊接情况 每生产一条桁架需 13 min 该系统为双工位 在一 侧工位焊接过程中 另一侧协同进行工件装夹 平 均焊接一条桁架需要约 9 min 在实际生产过程中 每生产 20 条桁架用时约 3 h 比人工焊接生产效率 提高了 60 4 2 改善生产环境 依托成熟的机器人技术和设备 该系统焊接空 间环境及操作相对简单 一旦发生异常 工人随时 可以抽身逃离 在整个焊接过程中 工人无需长时 间近距离观察焊接情况 减少有害因素的影响 焊 接空间环境设备位置摆放有序且固定 无其他电器 及工具放置 空间相对开阔 搬运过程相对安全 4 3 降低劳动强度 在焊接过程中 该系统可独立完成焊接 翻转 清枪等工作 只需 2 名工人按工作流程协同完成工 料的搬运 定位及装卸 大大降低工人劳动强度 4 4 提升桁架的加工质量和稳定性 如图 6 7 所示 可以明显看出使用该系统焊 接的焊缝相对均匀 焊缝质量较稳定 且焊渣较少 大大提高了桁架的焊接加工质量 图6 人工焊接焊缝 图7 系统焊接焊缝 4 5 实现标准化系列化生产 温室设计中 平均每40 m 2 需要1条桁架 1万m 2 的温室需要250条 生产耗时37 5 h 按每天 工作8 h计 该系统可实现5个标准工作日生产1万m 2 温室用桁架的加工能力 在生产量大或生产时间紧 急情况下 该系统可24 h连续生产 实现标准化系 列化生产 5 存在问题与分析 目前 自动化焊接已在市场上得到了一定范围 的应用 主要应用于汽车 轮船等制造业领域 通 常是不同类型的焊接机器人对不同部位进行焊接作 业 具有较高的重复性 通过多种焊接机器人组成 整套焊接生产线 9 在温室桁架生产中 自动化焊 接的应用研究较少 其主要原因为 温室桁架长度 较长 焊缝较多且分布集中 本文根据温室桁架的 结构 设计搭建了温室桁架焊接平台 通过 PLC 控 制系统发出信息交互指令 由 4 台机器人替代人工 同步有序进行焊接 实现不同区域共同完成桁架所 有焊合作业 通过研究表明 与人工焊接相比 自 63 第4期 动焊接系统可改善生产环境 降低劳动强度 提升 桁架的质量和稳定性 生产效率提高了 60 满足 温室桁架自动焊接的要求 在应用该系统焊接温室桁架时 约 5 的焊缝 存在焊偏 焊接不到位等问题 因此温室桁架在投 入使用前 需对各焊缝进行人工检查 并对存在问 题的焊缝进行人工修补 以保证桁架的承载能力 导致焊缝问题的原因主要是 人工生产各构件允 许误差相对较大 人工搬运过程中发生应力变 形 在定位过程中 焊缝过大或位置发生偏移 针对这些问题 可以减小各构件生产的允许误差 配套运输设备 提高定位精度 随着世界制造业的 迅速发展 焊接智能化技术水平越来越高 我国焊 接机器人的发展也正由示教再现型向智能化方向发 展 10 通过引入传感技术 自动跟踪温室桁架焊缝 精准识别焊缝位置 提升温室桁架焊缝的质量和合 格率 使温室桁架生产实现智能化 参考文献 1 张震 刘学瑜 我国设施农业发展现状与对策 J 农业经济问题 2015 5 64 70 111 2 钟钢 国内外温室发展历程 现状及趋势 J 农 业科技与装备 2013 9 68 69 3 李苇 李惠玲 刘霓红 等 华南区域温室自 然通风系列天窗装置 J 现代农业装备 2016 6 55 60 4 蒋先平 薄壁轻型钢结构的设计与工程实践 J 现代农业装备 2004 7 58 60 5 梁宗敏 连栋温室结构抗风可靠度设计理论研究 D 北京 中国农业大学 2004 6 曹晓波 大开间连栋温室结构的受力分析与优化 设计 D 晋中 山西农业大学 2016 7 张少林 景奉水 芦虎武 等 基于智能机器人 的数字化柔性汽车托架焊接工作站设计 J 机器 人技术与应用 2017 5 32 35 8 霍厚志 张号 杜启恒 等 我国焊接机器人 应用现状与技术发展趋势 J 焊管 2017 40 2 36 42 9 王海霞 李志宏 吴清锋 工业机器人在制造 业中的应用和发展 J 机电工程技术 2015 44 10 112 114 10 许燕玲 林涛 陈善本 焊接机器人应用现状 与研究发展趋势 J 金属加工 热加工 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 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 温室桁架自动焊接系统的研究与应用