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自动化碰焊机的当代发展水平


  近年来,我国碰焊机制造行业有了长足的进步。碰焊机的成套性,自动化程度,制造精度和整体质量明显提高,其应用范围正逐步扩大,尤其是我国制定了拉动内需的政策以后,焊接装备制造业加快了发展。尽管在我国,焊接装备的年总产值不足5亿元,但对我国焊接结构行业的技术进步却起着举足轻重的作用。可以预计,今后10年内,随着世界制造业中心逐步向中国转移,我国的传统制造业必将按照现代化的标准加快技术改造。大量采用高度自动化的加工设备和焊接装备是工业现代化的必然趋势,并将促进我国焊接装备制造业发生根本性的变革。

进入新世纪以来,我国焊接结构制造业引人注目的发展动向是规模化、大型化、高参数化和精密化,其中包括1000MW以上的火力,水力和核能发电设备,年产60万吨以上的化工炼油装置,年产1000万吨以上的煤液化装置,10万吨级以上的远洋货轮和油轮,各类冶金和重型机械、航空航天工程、大型及高层建筑结构、大跨度桥梁,跨省跨国输油输气管线,海洋建筑,大型客车和高速铁路车辆等。2004年我国焊接结构的钢耗量将突破1亿吨,居世界首位。为实现上述发展目标:对焊接装备的技术特性和质量提出了愈来愈高的要求,迫切需要各种高性能、高精度、高度自动化和集成化的先进焊接装备。例如我国某大型企业从瑞典ESAB公司引进了12.5×10m的超大型立柱横梁式焊接操作机及其配套设备。另一家企业亦从ESAB公司引进了机头Z向自动跟 踪最大行程为2m的特种大型焊接操作机,用于椭圆形壳体的埋弧自动焊,此外还有不少企业从国外引进类似的大型自动化焊接装备,2003年从国外进口自动化焊接装备的总合同额近1.0亿美元。

我国的焊接装备制造业与通用焊接设备相比起步较晚。上世纪50~60年代,我国重点工业企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进。部分由使用厂自行设计制造,到了90年代,我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂,如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂,“六五期间”,原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力,制造专用焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入80年代以来,随着我国焊接装备需求量的急速增长,各地相继成立了多家中小型焊接装备生产厂。迄今,我国已有10多家持续稳定生产焊接装备的企业,某些企业已具有较大的规模,如无锡阳通机械设备有限公司,成都焊研威达自动焊接设备有限公司,唐山开元自动焊接系统有限公司和无锡华联焊割设备厂,上列企业年销售额均已超过1.0亿人民币。2004年我国焊接装备制造业的总产值预计将超过10亿人民币。

在发展初期,我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等。成套性较差,自动化程度低,焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制,使用单位必须自行改造。80年代以后,由于国外先进成套焊接装备的大量引进,促使国产的焊接装备,无论在成套性,自动化程度,还是设备精度和制造方面都有不同程度的提高。目前已能生产8m×8m大型立柱横梁焊接操作机,龙门式操作机,并可配备技术含量较高的窄间隙埋弧焊机头。重型滚轮架的负载能力达400T,自动防窜滚轮架已研制成功,最高防窜精度可达±1.0mm。大型焊接变位机的垂直载荷能力已达100T。H型钢和箱形梁焊接生产线已能批量生产,已基本满足我国建材行业的需求,目前已造就优秀的设计人才,可按客户的不同需求,设计定制各种类型的专用成套自动焊接装备,并大量采用了交流电机变频调速技术,PLC程序控制和伺服电机驱动及数字控制系统等,大大提高了焊接装备的自动化程度。某些自动焊接装备还配备了焊缝自动跟踪系统和/或工业电视监控系统,确保了连续自动焊过程中的焊接质量,但从整体的技术水平来看,我国的焊接制造业与先进国家同行业相比,尚有较大的差距。产品的技术特性和质量还未达到质量先进的水平。

二、世界焊接装备的当代发展水平

近10年来,在世界工业发达国家,焊接装备的发展速度十分惊人。在英、美、法、意和日本等国家均有相当规模,开发能力很强的焊接装备生产企业。在2001年,第15届世界焊接与切割博览会上参展的焊接装备厂商近百家。近期生产的自动化焊接装备的设备精度和制造质量已接近于现代金属切削机床,最值得注意的是:大多数焊接装备采用了最先进的自动控制技术,如数字控制系统,基于PC机的控制系统,智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊接机器人作为操作单元组成焊接中心,焊接生产线,柔性制造系统和集成制造系统。

早在80年代初,国外的焊接装备向大型化和精密化发展,目前国外生产的重型焊接滚轮架最大承载重量达1600T,自动防窜滚轮架的最大承载重量为800T,采用PLC和高精度位移传感器控制,防窜精度为0.5mm,变位机的最大承载重量为400T,转矩可达450000Nm,框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大载重量为160T。焊接回转平台的最大载重量为500T,立柱横梁操作机和门架式操作机的最大工作行程达24m。龙门式操作机最大规格达8m×8m。

纵观世界焊接装备制造业当今的发展趋势,可以概括为如下几个特点:

1.高精度、高质量、高可靠性 如焊接机器人配套的焊接变位机,最高的重复走位精度为0.5mm,机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为0.1mm,移动速度的控制程度为
0.1%。

2.数字化、集成化和智能化控制 焊接过程的数字化控制比传统的金属切削加工要复杂得多,必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差以及焊件在焊接过程中的热变形。采用各种高级别传感技术,开发先进的自适应控制系统,才能实现焊接过程的全自动化,某些形状复杂和质量要求高的焊件,必须采用智能化的计算机软件控制。

3. 大型化和组合化 如重型厚壁容器焊接中心,集装箱外壳整体组装焊接中心,汽轮机导流隔板柔性制造系统,箱形梁焊接生产线,机车车箱总装组焊中心等。某些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。焊接操作机,配套焊件变位机械、搬运机械和传输辊道组合联动形成制造系统或焊接生产线。

4. 多功能化 为发挥大型自动化焊接装备的效率,通常设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺,如单丝、多丝埋弧焊、单丝双丝窄间隙焊,MIG/MAG焊和带极堆焊等。

5. 管控一体化 即通过企业的局域网,利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM等计算机软件,将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制,实现脱机编程远程监控,诊断和检修。

现代大型自动化焊接装备从结构形式上大体可分成以下几种类型。

1.大型自动化焊接单机,通常采用门架式或龙门式结构,如大型造船厂应用的门架式钢板纵缝拼焊机,多半采用多丝高速埋弧焊工艺或最新开发的激光/MIG复合焊工艺,配真空吸盘平台或电磁平台,最大焊接有效行程为20m,一次行程可焊最大板厚相应为40mm和20mm。图1示出一种有效行程长20m的门架式拼板焊机外形,装有两台激光/MIG复合焊机头。

2. 大型组合焊机或焊接中心 由大型焊接操作机与工作变位机械或翻转机等组成,如立柱横梁,或龙门式重型容器焊接中心,工字梁或箱形梁自动组合焊接机群等。图2示出规格为8m×8m的龙门式重型容器焊接中心外形,其由龙门操作架,窄间隙埋弧焊机头和重型滚轮架等主要部件组成。

3. 大型焊接工作站 由二台以上焊接操作机或机器人与相应的工件变位机械配套组合而成,可交替或同时焊接同一个焊件的各条焊缝。例如由四台MIG/MAG焊接操作机组合的集装箱外壳总装焊缝焊接工作站,中型客车箱体组装焊接机器人工作站等。

图3示出一套集装箱组焊工作站,其由左右各一台立柱横梁焊接操作机组成,每台操作机的上下横梁分别装有可灵活调节的MIG焊机头。操作机平车可在钢轨上平稳移动,最大行程为12m。整套焊接工作站由CNC控制。

4. 焊接生产线 将板料切割落料,组装,焊接,校正或成形等多个工作站由输送辊道,翻转设备和变位机械等组合成连续的生产线。薄壁容器焊接生产线,大直径管道焊接生产线等。

图4示出螺旋管焊接生产线一角,其由开卷机,剪切机、成形机,内外环缝焊接机,自动探场仪和端面切割机等组成。

5. 柔性焊接生产系统,由具有自适应焊缝跟踪系统功能的单台或多台焊接操作机或机器人与工件装夹,变位机械组合而成的加工中心,适用于产品规格多变的小批量生产。如汽车后桥柔性焊接生产系统,装卸机部件的柔性生产系统和汽轮机导流隔板的柔性制造系统等。

6. 计算机集成制造系统,亦称全集成自动化制造系统,是将焊接机器人或焊接操作机,焊接电源,工件变位机械,输送辊道,半成品库,零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制,工作参数的设置,生产过程的监 控,数据处理,人机界面和通讯网络集成在一台商用或工业PC机上,通过现场总线profibus和ET-200分布式I/O模块等连接成完整的集成自动化系统,利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM计算机软件可以实现产品图纸设计,制造工艺编制,生产计划安排,生产过程监控,生产和物料管理等一体化,计算机集成制造系统可以是一条生产线,也可以是整个车间的生产设备,甚至是整个工厂的生产过程和物流的管理。

自动控制和信息技术在制造业中的广泛应用正在彻底改变传统制造业的面貌,其中焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求,它不仅可大大提高焊接生产率、更重要的是可确保焊接质量,改善操作环境。随着整个制造业水平的提高,企业的经营理念发生了很大的变化,高产量已让位于高质量,劳动密集型已逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机,机器人工作站,生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势。

三、现代自动化焊接装备的技术要求

为实现中,大型焊件焊接生产过程的自动化,现代自动化焊接装备应基本满足如下技术要求。

1. 采用高效焊接方法,中大型焊件大多数为厚壁构件,焊接工作量大,连续焊接期长,因此必须采用高效焊接法,如高效埋弧焊,高效熔化极气体保护焊,窄间隙焊,激光焊,电子束焊和等离子弧焊及这些复合焊接法。

2. 自适应全数字控制 基于大、中型焊件接缝装配绝对误差较大,接头几何形状多变,且中、厚板接头多道焊接过程中不可避免产生热变形等特点,焊接机头必须具有自适应焊缝跟踪系统、同时为实现焊接过程的全自动化和远程监控,焊接操作机或焊接机器人,焊件变位机械,焊接电源和送丝机均应采用全数字控制技术,才能完成上述任务。

3. 智能化和焊接工艺参数的优化 为实现厚壁接头连续不间断稳定的焊接并确保接头的焊接质量,焊接机头的运动应通过计算机软件,实时检测,自动编程和数据处理进行智能化控制。例如瑞典ESAB公司重型容器焊接中心的ABW系统,可以根据实例的坡口宽度,确定每层焊缝的焊道数,每道焊缝的熔敷量及相应的焊接工艺参数,焊道之间的搭接量,盖面层位置等,可实现厚壁接头从坡口底部到盖面层的所有焊道均由焊机自动完成。这种控制系统必须配用数字控制的焊接电源,以使每道焊缝的焊接工艺参数始终处于优化状态,能够优质、高速、经济地完成整个接头。

图5示出一种ESAB公司开发的装有高精度测量传感器的ABW自适应焊接系统外形,坡口形状测量原理,焊接机头跟踪定位以及每层焊道数的计算确定以及焊道填充厚度的测量分别见图6 a) b) c) d)。

4. 管控一体化 当前信息技术的快速发展已将传统制造业推向电子制造(e-manufacturing)的时代化,各工业生产企业必将逐步实现生产管理和生产过程自动控制的集成一体化,即所谓的管控一体化。因此在设计制造大型自动化焊接装备时应当考虑采用直接数字控制系统(DNC),以便在焊接装备的数控系统与主控计算机之间建立数据通讯联络,完成数控程序的管理。数控程序的分配,生产数据的收集,加工过程的监控和远程 诊断等功能。

5. 柔性化 大型自动化焊接装备或生产线的一次投资额相对较高,在设计这种焊接装备时必须考虑柔性化,形成柔性制造系统。以充分发挥装备的效能,满足同类产品不同规格工件的生产需要。

四、大型自动化焊接装备中的关键技术

根据上述对现代大型自动化焊接装备的技术要求,在设计和制造中必须解决如下关键技术:

1) 焊头自适应自动跟踪系统与普通的焊缝自动跟踪机构有本质上的差别。所谓自适应控制系统即应具有自动识别、判断、高速反馈,数据处理,自动编程,即时纠偏和精确定位的功能并采用各种现代的传感技术,如高精度,高灵敏的视觉、触觉、热敏、图象传感器等。高级的自适应跟踪系统是一种基于PC机的自动控制系统,并由专门开发的计算机软件支持完成逻辑控制。自适应跟踪系统的执行机构应保证快速反应和精确定位,控制系统和直线滚珠轨道等高精度传动机构。

目前能满足上述要求的焊头自适应跟踪系统基本上分成二类:

第一类是全自适应跟踪系统,对接头的几何形状不必事先编程或示教、适用于大型焊件双曲面的焊接接头和长时间的连续焊接,但对焊头的行走轨迹突变的拐点不能作出快速反应和纠偏。

第二类是局部自适应跟踪系统,要求按接头的几何形
状,预先编程或示教,接头尺寸偏差可自动补偿,适用于中小型薄壁焊件和间断的焊缝,并容许接缝的轨迹局部存在突变的拐点。

2)计算机软件的开发

以PC机为基础的控制系统必须由相应的计算机软件支持、由于焊接工艺过程与其它加工工艺相比,相对比较复杂,因此必须开发适用于所选定的焊接方法,焊接工艺和质量要求的计算机软件。一套完整的计算机软件至少应当包括如下内容:

1.对焊接装备及其配套设备的驱动和控制系统适用范围,焊接方法,工艺参数项目及范围加以正确的定义;

2.建立有关的数据库,存储并汇编现有各种焊接生产过程的数据,通过安装于焊接装备的计算机终端与操作者或数控装备作交互通讯,逐步充实数据库而形成企业的中央数据库,供各焊接工作站共享。

3.按预置的焊件母材种类规格,焊接方法,焊接材料种类和规格等原始数据,编制优化焊接工艺参数的程序。

4. 按工件形状,尺寸和接缝预设的偏差界限,编制自动修正和补偿程序。

5.按焊接工艺参数实时的检测参数与标准预置参数之间的偏差,编制自动控制焊缝质量的程序,工艺参数失控的警报程序和参数显示及记录程序。

6.按焊接过程实时摄制的焊接区图象,按焊接电弧和焊道形状参数编制远程监控的程序。

7.对焊接装备和配套变位设备的驱动系统和控制系统,送丝机及焊接电源编制故障自动诊断报警和修复程序。

3)焊接装备和变位机械的结构设计

为满足焊接装备集成化,柔性化的要求,在结构设计中必须采用模块化成组技术,最大限度地采用标准件,标准的驱动系统和控制单元。在整体结构设计上应当考虑利用现代信息技术,对设备进行网络化控制的接口系统。适应CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM/ERP设计,制造和生产管理软件系统的实施。

五、现代大型自动化焊接装备典型实例

现代大型自动化焊接装备已在各工业部门得到广泛的应用,在提高生产效率,稳定焊接质量,降低生产成本和改善作业环境等方面取得了明显的成效。下面列举的具有代表性的典型应用实例在一定程度上反映了国内外焊接装备行业的当代先进水平。

1)计算机集成控制板材的切割中心

图7示出一种典型的计算机集成控制板材切割中心布置图。其由板料存放架,板料起吊输送设备、输送辊道、预钻孔设备、数控切割机、切割零件分选装箱系统,余料切割机、余料回送系统和中央控制台等组成。该切割中心采用OPS专用切割软件,按图8所示的系统结构图由计算机集成控制。该系统可通过通讯接口直接与计算机辅助设计系统相连接,可直接读取CAD数据,简化操作程序。使用这种板材切割中心可以最高的效率,均衡而合理地安排生产流程,取得最好的经济效益,具有较高的实用阶值。

2)型钢截面机器人切割工作站

型钢异形截面的切割是一种复杂的加工过程,且对剖口的质量提出了较高的要求。采用机器人为主机的切割工作站,可以优质地完成各种不同形状型钢截面的切割任务。图9示出一种典型的型钢截面机器人工作站的布置图。其由送料架,输送辊道,长度测量仪、打字机、六轴切割机器人,龙门操作架、切割工件存放架,液压系统、电气控制柜,中央控制器及终端等组成。

整个机器人工作站由多用户系统的小型计算机控制和管理。首先由生产管理人员向小型计算机输入切割工件形状数据,经过数据处理形成材料清单。 操作人员将材料清单输入工作站中央控制器或直接由计算机通过局域网和现场总线传送至中央控制后,所有的加工程序:工件输送,长度测量,打标记和数控切割,直至切割部件存放等按既定程序自动完成。

该机器人切割工作站具有下列优点:

1.可以切割所有形状的型钢截面, 包括焊接 坡口(参见图9)。

2.具有较高的切割精度,长度定位精度为±0.5mm,割炬定位精度为±0.1mm,并具有误差自动补偿功能。

3.工作人员可按图样离线编程,操作十分简便,整个工作站只需一名操作人员管理。

4.可采用直接数字控制,提升机器人工作站的功能。

5.主控计算机可与计算机辅助设计系统通过通讯接口直接连接,自动编程。

3) 汽轮机导流隔板柔性制造系统

汽轮机导流隔板是一种制造精度要求相当高的焊接部件,为确保焊接质量和部件的容限尺寸,必须采用先进的加工工艺和自动化焊接装备,图10示出一种汽轮机导流隔板柔性制造系统的流程图, 该系统由激光切割工作站,半环组装工作站,半环焊接工作站,修磨抛光工作站,导流隔板组装工作站和导流隔板焊接工作站。数控激光切割工作站用于隔板两侧叶片孔形的切割,切割后无需再作机械加工。 激光切割过程和切割后孔形的差由计算机监控。隔板环缝的焊接采用脉冲电弧MIG焊。焊炬的摆动参数利用计算机软件优化选定。焊接机头由自适应三维导向机构自动控制,整个柔性制造系统及各工作站的工作流程由计算机集成控制。

4)集装箱焊接生产线

集装箱在我国和世界市场的需求量与日俱增。为提高集装箱的产量,最合理的生产方式是采用组装焊接生产线。图11示出一种集装箱组装焊接生产线布置图。其有较大的柔性,可以生产不同规格的集装箱。该生产线由以下5个工作站组成,第一工作站为箱底组装工作站,借助专用的装配台车和气动快速夹紧装置,可将箱底的组装压缩到几分钟内完成。装配完成后,台车自动移至第2工作站,由2台焊接机器人完成箱底纵杆和横档之间的焊缝;所有焊缝完成后将箱底传递至工作站三暂时存放,待在第4工作站准备工作就绪后,通过输送辊道传送至第4工作站,组装二块侧面箱板,前箱板和门框,手工点固后转运至第五工作站,此工作站为总装焊接工作站,装有2台3焊头门架式焊接操作机和2台双焊头立柱横梁操作机。可同时完成两侧板与箱底和顶盖之间的焊缝。

为加快箱底的组装速度,在第一工作站安装了双层输送辊道,以便循环使用二套移动式箱底气,动夹紧装置。而移至第2工作站的位置由光栅精确控制,以满足焊接机器人自动定位的严格要求。

2台6轴焊接机器人,以悬挂的方式安装在16m长门架横梁上。机器人和平移小平驱动机构由计算机进行数字控制。两台机器人与夹紧装置移动机构之间的交互通讯由中央控制系统负责。各种生产数据,如工作周期,故障信息,焊接工艺参数则通过通讯接口传递到中央控器和监控系统。

集装箱侧板,前箱板和门框的组装在专用的气动夹紧装置上,既保证了快速组装,又保证了精确组对。双焊头立柱横 梁焊接操作机用于侧板与箱底和顶盖之间的纵缝。门架式焊接操作机装有3个焊头可同时焊接顶盖的横焊缝和前箱板和门框与侧板之间的立缝。焊头的导向机构均采用感应传感器与电气联合跟踪系统,保证焊头在焊接过程中快速自动对中。操作机的行走机构均由各自的PLC模块控制。操作机的工作行程由限位开关和超声波传感器监控。在操作机的PLC系统中装有通讯接口,可不断向主控计算机传送生产数据,保证整个生产过程高速协调完成。

集装箱总装主生产线的生产周期与侧板,前箱板,门框和门板生产线的生产节板由车间主控计算机利用相应管理软件协调一致。

5.箱形梁焊接生产线

箱形梁是大型钢结构和建筑工程常用的结构元件。需求量逐年上升,这种构件目前尚无其它加工方法制造,只能采用板材切割,组装和焊接而成,图12示出已在实际生产中应用的箱形梁焊接生产线平面布置图。该生产线主要由隔板组装机、U组装机、箱形组装机、箱形梁龙门式双丝双弧高速埋弧焊接机,门架式电渣焊机等组成,组装机和焊接操作机之间配备相应的主被动输送辊道和链条式翻转机等。箱形梁焊接成型后端面加工配用端面铣和移动式摇臂钻。所有组装机和焊接主机均采用PLC程控器自动控制,生产线的工作流程可按客户要求采用PC机实行集成自动化控制。箱形梁焊接生产线已在国内多家钢结构生产厂投运,取得了良好的经济效果。

结论

1.我国焊接结构制造业向高参数、大型化、精密化的快速发展,迫切需要各种高效、自动化的焊接装备,同时也对其提出了愈来愈高的要求,不仅要求装备的制造精度高、成套性好,而且还要求全集成自动化控制和管控一体化。

2.我国焊接装备制造业正面临新时代的严峻挑战,并适应当代高新技术的发展形势。因此在大型自动化焊接装备的设计、制造中必须全面采用最先进的传感技术、系统工程技术、计算机控制和软件技术、信息技术、开发研制适合当前市场需求的各种自动化焊接工作站,柔性制造系统和焊接生产线,而广泛采用高精度的操作机、变位机械和机器人必将成为焊接装备的发展趋势。

3.我国碰焊机制造业正处于重大的转折时期;必须大力加强自身的技术改造,以先进的加工手段和技术装备武装自己,并应培养和造就一大批掌握现代高新技术,富有实践经验的科技开发人材和管理人材。

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