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      弧焊機器人在農機安全架上的焊接應用

      發布日期:2019-01-29

      本文章所介紹的一種拖拉機安全架焊接以實現自動化的工藝方案,提高了焊接質量和焊接生產效率,減少了用工人數和在制品的數量,縮短了產品的生產周期,降低了操作人員的勞動強度,同時也減少生產過程中零件的磕碰傷。

      背景資料

      目前,我國拖拉機安全架總成比較普遍采取人工焊接方式,人工焊接對質量影響不可控的因素太多,比如操作工的技能、現場工作環境、人的自身情緒等等,都會導致焊接質量穩定性差。隨著用戶對品質要求的不斷提高以及用工成本的上升和高技能焊工的緊缺,焊接自動化應用顯得尤為重要。焊接自動化生產的實施可減少安全架總成生產用工人數、縮短產品加工周期、降低操作人員勞動強度、提升職業環境健康。同時還可以減少零件轉工序間的磕碰傷,降低在制品數量,提高零件焊接及外觀質量。

      焊接零件分析

      安全架總成分為上框架合件、左立柱合件、右立柱合件(圖1),這三種合件再由彎管零件、板件成形件、機加工支撐件、標準焊接螺母組成。件與件之間有不同的焊接組合,有管件對管件、管件對板件、板件對板件,部分搭接焊縫位置復雜,人工焊接不容易保證焊縫質量。上框架合件由上框架、U型連接板,共計兩種零件組成,搭接部位有12段焊縫,焊縫總長度780mm。左、右立柱合件分別由立柱、U型連接板、連接板、支撐塊等12個零件組成,焊縫24段,焊縫總長度2482mm,安全架總成的分層級零件焊縫分布情況如表1所示。

      圖1 安全架總成零件分層

      表1 安全架總成分層級零件的焊縫分布表

      實施方案

      焊接節拍的確定

      上框架合件根據產品圖要求,上框架合件預計需要5步完成零件生產,裝夾及操作時間為40秒,卸件20秒,焊接飛濺清理及裝框60秒,合計線下總共需要120秒,機器人焊接時間約122秒(表2),尋位用時28秒,共計150秒。即在機器人完成一個工位的焊接,一個人可以完成線下的操作;人員符合80%,約2.5分鐘出一件,每小時可生產24件。

      左右立柱合件根據產品圖要求,預計需要6步完成零件生產,后壁板連接支架兩件需焊螺母,約30秒/件,共計60秒,中橫梁連接加強板1件點定,約30秒,裝夾及操作時間100秒,卸件20秒,焊接飛濺清理及裝框約90秒,合計線下總共需300秒。機器人完成一個工位焊接需326秒(表2),即在機器人完成一個工位的焊接,一個人可以完成線下的操作。人員符合90%,約6分鐘出一件,每小時可生產10件。

      工藝布局

      由于零件自身較重,為改善操作人員工作環境,減少在制品數量,保證現場生產面積的高效利用,采用單機弧焊機器人工作站的模式(圖2),同時配備除塵設施。根據安全架總成分層零件包括上框架合件、左立柱合件、右立柱合件,分別建立三個單機弧焊機器人工作站模式,同時采用雙工位旋轉交換模式(圖3)進行工位切換。機器人焊接時,在外面的工位,人員進行卸件、上料、清理飛濺、裝框等工作,完成線下動作,操作人員不動。

      圖2 單機工作站模式

      表2 安全架總成分層級零件的焊接時間

      圖3 雙工位模式

      ⑴當工位1在外面時,操作人員進行上料(上框架合件零件、左右立柱合件零件),上料結束;

      ⑵操作人員啟動工位1按鈕,已裝夾零件由工位1轉入焊接工作站內,進行焊接;

      ⑶操作人員再對工位2進行上料,等待工位1焊接完成;

      ⑷操作人員啟動工位2按鈕,已裝夾零件由工位2轉入焊接工作站內,進行焊接;

      ⑸工位1旋轉出來后,操作人員卸下焊成的零件,該過程完成后,對工位1重新裝夾零件。零件裝夾完成后,再清理焊渣并裝框,等待工位2焊接完成;

      ⑹工位2旋轉出來后,操作人員進行卸件,重新裝夾零件,再清理焊成合件焊縫周邊的焊渣,完成后裝框;

      ⑺當工位1焊接完成后,啟動工位2焊接程序,循環操作。

      同時兩個工位可更換不同的工裝,工位安裝有快速定位裝置,可隨時切換不同品種的安全架零件生產。

      安全防護措施

      安全生產是企業經營活動的重中之重,任何項目的實施,安全監督部門具有一票否決權。所以確定工藝布局后就要分析設備運行狀態下的危險源以及危險因素。對于建立單機焊接工作站,新出現的危險源主要來源兩部分,一是焊接過程人員誤進入焊接工作站,造成機器人撞人或弧光傷害眼睛;二是工位1與工位2交換工作臺的旋轉過程對人員會造成傷害。

      關于兩項危險源,第一種解決方式容易,增加門機聯鎖裝置,在工作站人員進入門上裝入機械感應器,將信號傳入機器人控制系統。當機器人處于焊接狀態時,如果有人員打開工作站門后,機器人停止運動和焊接。最難的是如何保證兩個工位交換旋轉過程時的人員防護,如果只是簡單的在工位兩側安裝光電保護裝置,保持光電保護一直處于工作狀態,人員就無法實現單機焊接工作站內部焊接、外部工位卸件,裝件無法進行。人員進入光電保護區域后,機器人停止工作,無法完成上述外部裝件與工作站內焊接。經過現場觀察與思考,最終通過旋轉工作臺的旋轉過程傳遞給光電保護裝置信號,再由光電保護系統傳輸信號到機器人控制系統,單機工作站安全防護裝置如圖4所示。這樣就解決了旋轉過程中可能對人員造成的傷害,工作臺不旋轉時,光電保護處于常閉信號,人員可以在外部工位進行裝件、卸件、單機工作站內進行焊接。

      圖4 單機工作站安全防護裝置

      產品推廣應用

      目前安全架的產量相對可觀,設計節拍主要根據高產月的產量。目前設計的主要產品是安全架,如果產量下降,設備產能就有富余。產品的更換主要與焊接機器人工裝有關,所以我們要求機器人廠家在設計工裝時要具有后續產品擴展的功能。在后續生產中,焊接自動化柔性生產線模式可以應用在焊接扶手、焊接小合件、井關安全架、立柱、隔板上。

      經濟可行性分析

      該項目安全架總成產品為集團內部使用,不存在市場風險,故可以采用單機焊接工作站模式。通過節省人員來分析經濟可行性,本項目投資約240萬,上框架總成一臺套,原生產需要操作工18人,投入單機焊接工作站后,兩班倒,只需6人,共計可節約操作人員12人,一年每人的人工成本按照6萬元計算,全年共可節約人工成本約72萬元,預計投資回收期為3.5年。項目投入從經濟上分析是可行的。

      從其他方面分析,減少了物流的周轉、半成品的數量,縮短了該產品的生產周期,減少了廠房的面積占用,提高了廠房面積利用率;引進弧焊接機器人設備,同時配有焊接機器人工作室,配置有全封閉除塵設施,降低了焊接煙塵的排放,提高了操作人員的工作環境,同時降低了員工的職業病發病率。

      創新點

      安全架總成由安全架上框合件、左、右立柱合件組成,每個焊合件的重量非常重,超過了人體手工搬運的負荷能力。每種合件的焊接為正反面焊接,雙面都有焊縫,人工焊接操作的勞動強度大。采用機器人焊接后,不需要翻轉,下料過程配有起吊裝置,大大降低了操作人員的勞動強度。本產品具有三個創新點:一是板件與管件搭接實現了自動化焊接,提高了焊縫質量;二是采用雙工位可實現線體焊接過程,完成零件上料、下料準備工作,同時配有快速更換工裝裝置,實現了產品快速切換;三是縮短了該零件的生產周期,減低了在制品數量。同時在低產月人員很少的情況下也可以順利完成生產任務。

      結束語

      分析該零件焊接工藝自動化方案的過程中,充分考慮了零件自身的特點。在滿足焊接工藝的情況下,充分分析每種方案的可行性,選用最佳方案。通過將零件集中起來進行焊接,選用單機弧焊機器人工作站模式,可以有效地減少在制品的數量,縮短零件生產周期,降低操作員工勞動強度,減少用工成本。該上框架總成零件的自動化焊接應用,為我公司推進焊接自動化奠定了基礎,同時也為農機中類似零件提供了典型焊接自動化方案。



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