王 強

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

隨著國家城市建設(shè)的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化的加速以及國民對城市住宅需求的增加，房地產(chǎn)行業(yè)逐步成為國民經(jīng)濟的重要組成部分，隨著國家對環(huán)保以及綠色建筑的要求不斷提高，建筑鋁合金模板也逐步替代木模板、鋼模板成為建筑行業(yè)的主流材料。由于鋁模板有施工周期短、可多次重復使用、施工方便、穩(wěn)定性好、承載能力高、外形美觀以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因此其在實際施工中的應(yīng)用越來越廣泛。對目前鋁模板的焊接過程來說，大多數(shù)企業(yè)采用人工MIG焊接的方式，需要耗費大量的人工及費用，且焊后整形矯正、人工檢驗、打碼和碼垛等都需要大量的人力、物力，從而提高了鋁模板的生產(chǎn)成本。同時，為了滿足不同規(guī)格模板的需求，1臺較為復雜的多軸焊接變位機的成本甚至會超過標準機器人本身的成本。該文通過重新設(shè)計鋁模板焊接生產(chǎn)線來實現(xiàn)焊接工裝快速變換的目標，通過調(diào)整不同的焊接程序來實現(xiàn)對不同規(guī)格鋁模板標準板進行焊接的目標。

1 智能生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 鋁模板焊接分析

鋁模板材質(zhì)一般為6系鋁合金，常見材質(zhì)為GGMB-T6、6061-T6，均為6系鋁合金，可焊性較好，并采用MIG焊接電源進行焊接。

雖然鋁模板焊接具有鋁模板規(guī)格型號多的難點，但是焊接位置和焊接長度是有規(guī)律可循的，長度和寬度也有限制，寬度的最大值為600 mm，長度的最大值為2 400 mm，例如墻板（圖1），墻板的加筋位置以及其他可焊接位置都有固定規(guī)律，為工裝設(shè)計提供了有利條件。且為了最大程度地滿足快速切換的需求，在設(shè)計焊接夾具時，盡可能保證各機構(gòu)切換過程的流暢以及定位的準確性，而模板加筋位置的規(guī)律性給夾具和定位點的設(shè)計提供了有利條件。

圖1 標準墻板加工圖

在工序、工藝方面，工件以散件裝入夾具，機器人完成弧焊焊接。工件形位公差為0.0 mm~0.5 mm。焊接變形分析如下：模板橫筋焊接位置較多，焊接量較大，會導致焊接變形較大，模板的平整度無法得到保障，但是通過調(diào)整焊接順序可以有效減少鋁模板的變形量，因此在工裝設(shè)計時要根據(jù)變形規(guī)律來考慮焊接順序，增加夾緊固定裝置，盡量減少焊接變形現(xiàn)象和后續(xù)調(diào)平的工作量。

鋁模板焊接完成后還需要經(jīng)過質(zhì)檢、調(diào)平以及打碼等過程才能生產(chǎn)1片鋁模板。而且鋁合金導熱性好、焊接變形量大以及鋁模板本身結(jié)構(gòu)加筋等因素會導致焊后調(diào)平矯正的過程需要耗費大量工時，為了解決這一系列的焊后問題，提高生產(chǎn)效率，該文將這一焊后處理過程引入生產(chǎn)線中，一次性解決鋁模板標準板的焊后問題。

目前市場上采用手工焊接的居多，鋁模板行業(yè)主要在2017—2022年才迎來大規(guī)模爆發(fā)式增長，生產(chǎn)模式滯后，偶爾出現(xiàn)的鋁模板生產(chǎn)新技術(shù)也以單純焊接機器人加簡易工裝為主，同時市場上大多數(shù)企業(yè)受資金、規(guī)模的限制，還沒有發(fā)展到大規(guī)模進行自動焊接生產(chǎn)線建設(shè)的階段。

1.2 焊接工作站設(shè)計

該文根據(jù)鋁模板產(chǎn)品的特點以及對尺寸精度、焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求設(shè)計了如下智能焊接工作站：該工裝機構(gòu)采用左、右對稱布置，最大限度地提高了焊接機器人的使用效率，以滿足對大批量生產(chǎn)的需求，工作站如圖2所示。

圖2 焊接工作站示意圖

該工作站設(shè)計方案為雙機器人“H”形雙工位布局，布局中心配置松下最新一代智能弧焊TM1400機器人，兩側(cè)平行布置2個焊接工位。焊接系統(tǒng)由機器人、公共底座、焊接工作間、除塵設(shè)備、焊接夾具、焊接電源和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)計系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，技術(shù)成熟穩(wěn)定，維保便捷。具體單個焊接工裝站配置見表1。

表1 焊接工作站配置表

焊接工作站焊接平臺采用帶定位底座的工裝平臺配模塊化標準板夾具設(shè)計，在實現(xiàn)焊接的同時，還可以降低生產(chǎn)成本。模塊化工裝夾具實現(xiàn)焊接工裝夾具快速更換的功能，最快30 min即可實現(xiàn)更換，如圖3所示，焊接工裝和平臺采用多點定位方式進行安裝，以確?？焖贉蚀_安裝并保證安裝精度。當焊接機器人焊接時，也配合工裝定位統(tǒng)一點為相對零點，確保焊接順序，減少焊接錯誤的發(fā)生。

圖3 焊接工作站示意圖

焊接工作站運行過程如下：操作者將散件按照先后次序固定在A工位焊接夾具上。退出至安全區(qū)域并按下雙手操作盒的啟動按鈕，安全工作間卷簾門自動關(guān)閉，機器人開始焊接。在機器人焊接的同時，操作者將散件按照先后次序固定在B工位焊接夾具上。操作者退至安全區(qū)域并按下操作盒的啟動按鈕，安全工作間卷簾門自動關(guān)閉，機器人等待或開始焊接。例如機器人正在焊接過程中，另一工位按下啟動按鈕后，系統(tǒng)進入預(yù)約狀態(tài)，待當前工位焊接結(jié)束后，機器人自動跳轉(zhuǎn)到預(yù)約工位開始焊接。焊接完成后，操作人員把焊接完成后的工件推向下料物流線（自動傳動）。待工件到輸送線的指定位置后，各工位間沒有裝件順序要求，機器人按照預(yù)先設(shè)置的程序判斷滿足條件的工位，再進行焊接，如此循環(huán)往復工作。

1.3 焊后系統(tǒng)

該鋁模板焊后系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)流程分為鋁模板檢驗補焊部分、打碼矯正部分以及碼垛部分。

根據(jù)前一道工序的鋁模板焊接系統(tǒng)的輸送來料，模板檢驗補焊部分由4段輸送系統(tǒng)和補焊區(qū)組成，輸送系統(tǒng)一分為二，縱向輸送時，采用變頻電機用鏈輪和包膠動力軌道進行連接輸送。由2名焊接檢驗人員在該區(qū)域進行檢驗，并手動控制橫向輸送機構(gòu)，采用SMC氣缸帶動的頂升機構(gòu)+板鏈機構(gòu)將工件橫向送入補焊區(qū)域。

該部分設(shè)計重點為橫向輸送機構(gòu)和頂升機構(gòu)的設(shè)計與縱向包膠輸送線之間的配合控制。

具體工作流程如下：焊接系統(tǒng)來料→人工檢測（是否漏焊）→（漏焊）按下按鈕→補焊區(qū)自動托舉機構(gòu)上升（橫向輸送）→漏焊模板人工補焊→（未漏焊）模板輥道自動輸送到下一工序（縱向輸送）→生產(chǎn)線一主線分為二支線往后續(xù)延伸，如圖4所示。

圖4 檢驗補焊區(qū)域工作示意圖

在前一道工序的模板焊接檢驗完成后分為2條輸送支線，設(shè)置2道打碼矯正輸送支線。每條輸送支線由打碼機（1部）、調(diào)平機（2 個）以及激光檢驗機（1 個）組成。如圖5~圖7所示（生產(chǎn)線運行方向如箭頭所示）。

圖5 打碼矯正區(qū)域工作示意圖

圖7 再次校平輥道輸送線

打碼機構(gòu)為預(yù)先設(shè)計完成，根據(jù)生產(chǎn)標準板批次，提前將模板名稱程序輸入打碼機控制系統(tǒng)，根據(jù)模板經(jīng)過打碼機觸發(fā)傳感器自動控制打碼機工作，保證打碼位置均在模板的相同位置。而矯正校平工作采用相同原理，模板經(jīng)過2次矯正校平后，如果經(jīng)過激光檢測機構(gòu)不合格，就延遲觸發(fā)橫向輸送機構(gòu)，回傳到校平機繼續(xù)校平，直至校平合格后再向下傳輸。

具體工作流程如下：模板輥道自動輸送→氣動打標（自動設(shè)定）→一次調(diào)平→二次調(diào)平→激光自動檢測（模板是否合格，合格轉(zhuǎn)入下一道工序）→（不合格）系統(tǒng)自動計數(shù)→檢測區(qū)自動托舉機構(gòu)上升（橫向輸送）→不合格模板通過輥道往回輸送→回主線自動托舉機構(gòu)上升→模板通過自動校平機再次校平→激光自動檢測→（合格）模板通過輥道輸送到下一工序。

碼垛區(qū)采用ABB機器人進行碼垛，1個機器人負責2個輸送線的模板碼垛，機器手夾具采用氣動夾具，根據(jù)外形寬度定位、氣缸夾緊的方式進行裝卸。根據(jù)不同批次的模板采用不同型號的夾具，確保標準板生產(chǎn)能順利完成。具體布局如圖8所示。

圖8 碼垛區(qū)工作示意圖

1.4 同步輥道輸送系統(tǒng)

同步軌道輸送系統(tǒng)分為2個部分，一部分為焊接系統(tǒng)的輸送機構(gòu)，另一部分為焊后系統(tǒng)的檢驗輸送機構(gòu)，二者輸送行走動力輥道皆由包膠動力輥道和變頻減速電機組成，如圖9所示，包膠輥道寬度為515 mm，相鄰輥道間距為300 mm。輸送線每9 m~10 m設(shè)置1個同步減速電機，電機與輥道之間用鏈條和齒輪連接，包膠滾輪之間使用齒輪和鏈條連接成一個整體，確保輸送線有充足動力。

圖9 輸送機構(gòu)軌道結(jié)構(gòu)圖

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7系列PLC作為主控單元。與現(xiàn)場層的工業(yè)機器人、輸送電機、傳感器、檢測裝置和氣缸等各類元件進行控制與交互，以實現(xiàn)各作業(yè)單元的基本功能；區(qū)域控制器負責區(qū)域內(nèi)作業(yè)單元之間的調(diào)度及協(xié)同運作、物流輸送以及異常處理；線體控制器負責為操作層提供基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及反饋控制。

圖6 打碼矯正區(qū)輸送線布局圖

2 智能生產(chǎn)線評估分析

經(jīng)過對公司生產(chǎn)車間及規(guī)劃要求設(shè)計10聯(lián)焊接工裝站配備一套焊后處理系統(tǒng)，經(jīng)過對整個生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍進行分析，按每天2個班次進行生產(chǎn)，可實現(xiàn)日產(chǎn)2 800~3 000件標準板的目標，是人工生產(chǎn)的5~10倍，特別是對2 000 mm以上長度的平板類標準板來說，通過柔性化焊接機器人可實現(xiàn)多點分段焊接，顯著提高焊接效率和焊接質(zhì)量。

同時焊后處理過程采用輸送線實現(xiàn)自動輸送、自動打碼、自動調(diào)平以及機器人碼垛，大大減少了人力的輸入和人力成本，有效降低人為因素對生產(chǎn)的影響，在節(jié)約成本的同時，還可以保證生產(chǎn)質(zhì)量。如圖10所示。

圖10 輸送系統(tǒng)全域平面圖

3 結(jié)語

該文通過深入分析生產(chǎn)過程以及合適的設(shè)備選型，實現(xiàn)了對鋁模板標準板的規(guī)模化生產(chǎn)，顯著提高了生產(chǎn)效率，對今后其他類似產(chǎn)品的智能生產(chǎn)線設(shè)計提供了設(shè)計思路。同時，該文的思路符合國家大力推行智能制造的理念，由于人力成本的上升，今后焊接技術(shù)智能化生產(chǎn)是必然趨勢，因此合理使用機器人設(shè)備是推動工業(yè)化制造技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在動力。