关于大型机械工程焊接自动化柔性生产技术的研究
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刘奎良 葛丽 赵晟
【摘 要】在我公司开发大马力推上机之前，国内市场上320马力及以上的大马力推土机基本上被卡特彼勒、小松等国际知名品牌所主导。大马力推土机整机及配件主要依赖，不仅维修困难，而且价格昂贵，每年都要花费我国大量外汇。根据市场调查，用户对性能稳定，质量可靠的国产大马力推土机的期望越来越高。山推股份作为国内推土机制造行业的领军企业，一直在不断提高和完善核屯、制造技术，制造出了SD32、SD42-3、SD52-5以及SD90-5等大型的履带式推土机产品，实现了大型推土机国产化。SD42S上大马力推土机功率的增加对大型结构件制造技术提出了很大的挑战。推土机大型结构件主机架、台车架等体积庞大、自身重量大、长直对称焊缝多、焊缝复杂，烤接变形大并且难以控制。而一些关键结构件的焊接质量对整机的性能及可靠性影响很大。如何提高大型结构件的焊接质量和生产效率是必须攻克的难题。根据企业长期发展规划和现实发展需要，选择了直接影响焊接加工的质量和效率的大型结构件关键问题进行了重点研究：中厚板超低飞娥焊接工艺研究及应用，后桥箱机器人焊接工装夹具设计研究，大型结构件柔性化生产技术研究等。
【关键词】焊接；机械工程；自动化；柔性
当前的推土机市场，竞争激烈，各生产厂家比的就是质量、价格和服务，归根到底，最根本的还是质量之争。目前国内大多数企业都存在一个共性问题，就是制造成本过高、浪费严重、生产效率低下。应用工业工程的技术和方法挖掘潜力是绝大多数企业走出困境的必由之路。生产作业的瓶颈分析和能力平衡改善是制造企业生产管理过程中的一项十分重要的工作，涉及到生产效率的提高和生产成本的降低。如何缩短差距，提升管理水平，提高产品质量和生产效率，以较低的成本创造更高的价值，进一步提升企业的核心竞争力，摆脱目前存在的产品同质化严重的现象，成为摆在国内工程械行业面前的重要而紧迫的课题。大马力推土机功率的增加对大型结构件制造技术提出了很大的挑战。推土机大型结构件主机架、台车架等体积庞大、自身重量大、长直对称焊缝多、焊缝复杂，焊接变形大并且难以控制。而这些关键结构件的焊接质量对整机的性能及可靠性影响很大。如何提高大型结构件的焊接质量和生产效率是必须攻克的课题。
一、大型结构件生产技术现状及存在问题
（一）大型结构件生产技术现状
通过对国内工程机械生产厂家进行调研发现，推土机、挖掘机结构件基本均采用机器人进行掉接，自动化程度较高，焊接过程稳定。普遍采用的是单丝机器人焊接，存在热输入量不均匀，焊接变形较大问题，双丝机器人焊接应用较少。在焊接方法上，CO2气体保护焊由于具有焊接烙深大、生产效率高的优点，在大型结构件焊接时得到普遍采用，但同时也存在着飞满量大，焊丝利用率较低，焊接生产成本高的缺点。同时焊接过程中由于飞瓣大，容易堵塞焊枪影响保护效果，进而产生气孔、烙合不良等焊缝缺陷。通过调研发现，富氨混合气体保护焊目前主要应用在压力容器、不诱钢及其合金、机电产品中，在工程机械大型结构件中的应用还很不普遍。是否能够通过工芝试验，然后通过对试验数据进行分析，摸索一套适合于工程机械大型结构件的富氨焊接工艺参数成为我们着手研究的巧容。
（二）存在主要问题
目前结构件采用CO2化气体保护焊，焊接时烙敷金属烧损厉害，焊接飞繊量大、焊接飞繊大约为13-15%，焊丝利用率低：焊后需要耗费大量的工时和人工来修磨焊渣焊豆，导致结构件焊接质量差同时造成很大的成本浪费。同时容易堵塞喷嘴，起不到保护作用，导致焊缝成型差，外观质量差。尤其是推土机驾驶室、上罩、侧护罩等对外观质量要求较高的部件来说，其外观质量的高低有时直接决定了客户的购买意愿。目前公司推土机后桥箱、机架等焊接工段普遍存在由于对人员、设备、原材料投入等各环节把握分析不够，各工序生产能力不平衡，导致成本浪费严重，生产效率化下，难以实现量化管理。当生产计划变更频繁，紧急巧单较多时，生产计划的执行难度更大，经常陷入生产奈乱，品质跟着失控的局面，造成经常性的返工、返修，导致交货期延误，同时浪费大量的人力与财力。如何提高大型结构件的焊接质量及实现柔性化生产，进而达到提升后桥箱等关键结构件的质量及生产效率，有效降低成本，实现低成本、高质量、准交期的目标。
二、推土机后桥桥箱机器人焊接工装夹具设计
（一）焊接工装夹具的分类与组成
1、焊接工装夹具分类
在机械加工、产品检验、装配和组对焊接等工艺过程中，通常都要使用大量的工艺装备，我们将他们简称为工装，用来安装定位加工对象，使之处于正确的位置，用来保证产品质量。焊接工装夹具是将焊接结构件的每个零件实现准确定位并带有夹紧，化保证每个零件的相对位置要求，用于组对和焊接的工艺装备在焊接结构件制造过程中，组对和焊接通常是两道重要的生产工序，大多数情况下是采取先組对后焊接以，也就是先在工装上进行点固，然后吊装出来进行焊接。按应用范围分为通用焊接工装（多种机型可以使用）、专用焊接工装（只限定于某一个机型）、柔性焊接工装；按动力源分为七大类。
2、焊接工装夹具组成
第一，定位器。为了保证工件组对精度，定位器大多数情况下是做成固定式的，即不能转动或者移动的，特殊情况下为了便于焊接结构件装卸（方便吊出工裝胎具），也可做成可伸缩式或旋转式的，并采用气动、手动、液压等单种或多种驱动方式同时使用。定位器主要是用来保证焊接结构件在组对时每个零件在夹具中处于正确位置、满足图纸尺寸要求，也称为定位元件和定位机构。根据每个工件结构特点定位器可做成可拆卸式的、进退式的和翻转式的。
第二，夹紧机构。夹紧机构作为焊接王装夹具的主要组成部分，其结构形式根据工件结构特点也是多种多样，有时候甚至比较复杂，最简单的就是我们通常使用的快速夹，驱动方式也有很多种。在先进工业国家里，为了实现夹具的通用、减少浪费，对通常使用的一些夹紧机构己经进行了标准化、系列化，在设计时直接进行选用即可，由此可节省大量的设计时间。
第三，夹具体。焊接夹具体主要用来在夹具上安装固定定位机构和夹紧机构以及承受工件重量的部分，其强度与刚性首先要满足使用要求，主要起支撑和连接作用。我们通常采用的各种组对平台就是最常见的夹具体，通过在其各面上开有安装槽、孔，可用来安装和固定各种定位机构和夹紧机构满足不同机型的通用生产，在组织生产不同机型产品时，只需把相应的定位器和夹紧机构安装在对应的孔上即可，可较大幅度提高车间生产组织管理水平。
3、焊接工装夹具特点及设计要求
焊接工装夹具的特点，主要是根据焊接工艺（组对顺序、组对方式、采用的焊接方法等）、焊接结构特点及自动化程度决定的，跟机床夹具相比具有如下特点：
（1）焊接夹具的特点
1）由于结构件通常由多个零件组对焊接而成，如推土机台车架就是由40多个板材、铸钢件组对焊接而成。而对这些零件姐对和焊接时，是按照工艺要求的设计的组对顺序进行的，对每个零件都要有定位与夹紧进行约束，可保证焊接后图纸尺寸要求。而机床夹具通常情况下，只需要对加工工件实现一次定位和夹紧即可，一般不需要焊接夹具那么复杂。
2）在实际焊接过程中，由于焊接热输入，零件不可避免的会因为焊接加热而产生变形甚至有时候变形还比较大至于影响其使用性能。为了有效控制焊接变形，保证焊接质量，在进行焊接工装夹具设计时，要求工装夹具能够具有给予方便。
3）对于机床夹具来说，在实际加工完工件之后，由于尺寸与重量均减少，卸活（吊装离开夹具）相对来说比较容易。而对于焊接工装夹具而言，再对结构件组对焊接完之后，由于增加大量填充金属，尺寸与重量均得到増加，同时由于焊接变形及产生的较大焊接应力，造成从夹具上卸下变得比较困难，有时候甚至需要鍾击。
4）焊接夹具在实际操作时主要承受结构件的自身重力、焊接变形产生的肉应力和夹紧力，这几种力由于相互作用，实际造成的结果一般比较大；电阻焊、摩擦煤均属于压力焊，在焊接过程中夹具还要承受顶锻力。而机床夹具在工件进行加工时主要承受的是工件的部分重力和切削力，一般情况下切削力为单方向受力，比焊接工装夹具所承受的各种力要小很多。
5）由于结构件中每个单件都要分别进行夹紧固定，焊接工装夹具一般比机床夹具大的多，其上面的夹紧点、定位点比机床夹具上的多得多。因此，对设计者来说难度比较大。如果设计的定位点、夹紧点的数量、布置不舍理，难对精度及焊接质量都难以保证。
6）焊接工装夹具的作用主要是保证结构件在进行组对点固时各个零件处于正确的位置可满足图纸尺寸要求，同时通过进行固定夹紧约束尽可能的减少其焊接变形，而机床夹具主要用来保证零件的加工精度。
7）通常情况下由于焊接件产品精度本身图纸要求就比较低，焊接工装夹具本身的制造精度要求也不是太高，对于机床夹具来说情况就不同了，由于加工件精度要求一般比较高，机床夹具的制造精度要求也相应比较高。
（2）焊接工夹具的设计要求
1）焊接工装夹具操作起来应动作迅速、方便灵活，同时能够保证产品组对精皮。
2）夹具在生产中投入使用时要承受多种力的作用（焊接应力引起挥接变形导致的较大反作用力很容易损坏工装，所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。
3）便于焊接件的装卸。在实际生产时应保证操作者具有足够的操作空间，可便王件位置不合适能够进行及时调整。
4）靠近焊接部位的夹具，应加护罩做好屏蔽，避免焊接过程冲产生的飞瓣对夹具造成损坏。
5）在同一个夹具上，为了方便制造，尽可能的减少制造成本，设计的时候定位器和夹紧机构的结构形式尽量统一，使用起来也方便。
6）设计的工装夹具工艺性不能太差，应方便制造与维修同时还要考虑其制造成本。
三、三维柔性组合焊接工装设计
目前，随着公司产品升级换代步伐的加快，传统使用的语接工装由乎设计、制造周期较长同时通用性不好，己经不能满足新产品开发速度要求，为此我们通过研巧设计出了三维柔性姐合焊接工装。该工装能够满足于产量少、精度高的结构件，不仅可以保障产品质量，缩短试制周期，同时还可减少节省设计、制造成本，降低开发费用。
（一）三维柔性组合焊接工装结构
三维柔性组合焊接工装主要包括三维平台、定位装置、夹紧装置等3部分。
1、三维平台
三维平台材通常情況下为球墨铸铁，进行整体热处理，消除内应力，具有5个工作平面，对平面度要求较高，要求加工后均应达到一定要求。平台经过粗加工、精加工、打磨抛光等工序，非加工面涂漆，表面粗精度为Ra3.2。平台采用框架式支撑，单张平台承载重量大于5吨，平台上工作面跑地面高度为550mm左右。为了巧证工件组对精度，提高结构件焊接质量，销孔的大小和间距均有严格的精度要求，保障定位块、定位轴和夹紧装置等工装的定位精度，销孔尺寸大小一样，在平台上均布分列，孔间距为100mm，孔间距精度达到±0.05/1000，孔尺寸精度为28D10，位置精度为±0.05/1000，平台上有100mm刻线，沿边有精度达到毫米级的刻度[1-2]。
2、定位装置
定位装置主要包括定位销、定位块、定位角铁、角度器、V形块等五部分。其中定位销是最基本的定位装置，结构形式为采用五钢球定位，保证定位精度，按结构和用途分为普通、加长、沉头等多种型号，平台上所有定位、夹紧装置均通过定位销进行连接固定。定位销上设有快速连接机构，内侧带有滚珠，旋紧后即可卡住要连接的部件，使用非常方便、快捷。定位块包括定位平尺、定位角尺及方箱等化部分，通过连接销安装在三维平台上，可对工件提供定位面进行定位。
3、夹紧装置
夹紧装置的夹紧方式通常包括螺旋夹紧、快速夹紧、气动夹紧等几部分，大多数情况下我们一般采用的是快速夹夹紧方式，因其操作方便、快捷，生产效率高。为组对某机型推土机后桥箱时正在对其进行夹紧，既有上下方向的夹紧力，也有左右方向或者带有一定角度方向的夹紧力，夹紧装置可实现不同方向的夹紧。通过采用快速夹对工件正在进行夹紧，夹紧装置操作简便快捷，夹紧可靠，手柄及各部件经久耐用[3-4]。
四、三维柔性组合焊接工装使用特点
（一）生产效率高
由于新产品结构开始短时间之内一般不定型，需要一段时间反复验证修改，使用该工装可适应工件形状、尺寸频繁变化的需要，如果制作專用焊接工装一方面设计制造周期较长，另一方面产品尺寸图纸变化很有可能导致工装不能使用，浪费严重。为采用三维柔性组合挥接工装正在用于对某机型推主机机架，如果制作机架专用掉接工装设计制造周期最短需要3个月，而采用三维柔性组合择接工装一两天就能组合而成[5-7]。
（二）产品精读高
目前，随着技术工业的发展，对结构件的焊接精度要求也越来越高，因此对焊接工装夹具的组对精度要求也就相应提高很多。三维组合焊接工装由于其通过特有的定位销进行连接，销孔尺寸精度为28D10，位置精度为±0.5/1000，同时通过采用五个钢球定位，保证定位精度，锁销尺寸精度为28h7，夹具的安装精度可达IT8上，完全可以保证结构件的组对精度，呆证其产品精度要求。
（三）经济价值高
开发的新产品结构件一般都是小批量、多品种的产品，并且结构差别也比较大。传统的焊接工装一般都是采用专用王装，由于不具备通用性，同时设计制造周期又比较长，场地占用和保管等隐性费用很高。而三维柔性组合焊接工装由于其柔性化程度高，通用性强，可以反复使用，由于产品图纸尺寸变化也不会存在报废的问题，同时还可以提高焊接效率和工件焊接质量，因此具有很高的经济价值。
五、结论
目前，公司推土机后桥箱、机架等焊接工段普遍存在由于对人员、设备、原材料投入等各环节把握分析不够，各工序生产能力不平衡，导致成本浪费严重，生产效率低下，难以实现量化管理。通过分析焊接夹具设计的基本方法和相关技术，特别是组合夹具、柔性夹具等相关技术；根据焊接夹具的使用和设计特点，对大型结构件的焊接夹具进行分析，结合柔性、通用性理念设计出了三维柔性组合焊接工装，并通过具体实例进行验证。三维柔性组合焊接工装尤其适合于新产品的开发，大幅度缩短了新产品开发周期，降低了新产品结构件的试制成本。
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