本文章所介绍的一种拖拉机安全架焊接以实现自动化的工艺方案，提高了焊接质量和焊接生产效率，减少了用工人数和在制品的数量，缩短了产品的生产周期，降低了操作人员的劳动强度，同时也减少生产过程中零件的磕碰伤。

背景资料

目前，我国拖拉机安全架总成比较普遍采取人工焊接方式，人工焊接对质量影响不可控的因素太多，比如操作工的技能、现场工作环境、人的自身情绪等等，都会导致焊接质量稳定性差。随着用户对品质要求的不断提高以及用工成本的上升和高技能焊工的紧缺，焊接自动化应用显得尤为重要。焊接自动化生产的实施可减少安全架总成生产用工人数、缩短产品加工周期、降低操作人员劳动强度、提升职业环境健康。同时还可以减少零件转工序间的磕碰伤，降低在制品数量，提高零件焊接及外观质量。

焊接零件分析

安全架总成分为上框架合件、左立柱合件、右立柱合件（图1），这三种合件再由弯管零件、板件成形件、机加工支撑件、标准焊接螺母组成。件与件之间有不同的焊接组合，有管件对管件、管件对板件、板件对板件，部分搭接焊缝位置复杂，人工焊接不容易保证焊缝质量。上框架合件由上框架、U型连接板，共计两种零件组成，搭接部位有12段焊缝，焊缝总长度mm。左、右立柱合件分别由立柱、U型连接板、连接板、支撑块等12个零件组成，焊缝24段，焊缝总长度mm，安全架总成的分层级零件焊缝分布情况如表1所示。

图1安全架总成零件分层

表1安全架总成分层级零件的焊缝分布表

实施方案

焊接节拍的确定

上框架合件根据产品图要求，上框架合件预计需要5步完成零件生产，装夹及操作时间为40秒，卸件20秒，焊接飞溅清理及装框60秒，合计线下总共需要秒，机器人焊接时间约秒（表2），寻位用时28秒，共计秒。即在机器人完成一个工位的焊接，一个人可以完成线下的操作；人员符合80%，约2.5分钟出一件，每小时可生产24件。

左右立柱合件根据产品图要求，预计需要6步完成零件生产，后壁板连接支架两件需焊螺母，约30秒/件，共计60秒，中横梁连接加强板1件点定，约30秒，装夹及操作时间秒，卸件20秒，焊接飞溅清理及装框约90秒，合计线下总共需秒。机器人完成一个工位焊接需秒（表2），即在机器人完成一个工位的焊接，一个人可以完成线下的操作。人员符合90%，约6分钟出一件，每小时可生产10件。

工艺布局

由于零件自身较重，为改善操作人员工作环境，减少在制品数量，保证现场生产面积的高效利用，采用单机弧焊机器人工作站的模式（图2），同时配备除尘设施。根据安全架总成分层零件包括上框架合件、左立柱合件、右立柱合件，分别建立三个单机弧焊机器人工作站模式，同时采用双工位旋转交换模式（图3）进行工位切换。机器人焊接时，在外面的工位，人员进行卸件、上料、清理飞溅、装框等工作，完成线下动作，操作人员不动。

图2单机工作站模式

表2安全架总成分层级零件的焊接时间

图3双工位模式

⑴当工位1在外面时，操作人员进行上料（上框架合件零件、左右立柱合件零件），上料结束；

⑵操作人员启动工位1按钮，已装夹零件由工位1转入焊接工作站内，进行焊接；

⑶操作人员再对工位2进行上料，等待工位1焊接完成；

⑷操作人员启动工位2按钮，已装夹零件由工位2转入焊接工作站内，进行焊接；

⑸工位1旋转出来后，操作人员卸下焊成的零件，该过程完成后，对工位1重新装夹零件。零件装夹完成后，再清理焊渣并装框，等待工位2焊接完成；

⑹工位2旋转出来后，操作人员进行卸件，重新装夹零件，再清理焊成合件焊缝周边的焊渣，完成后装框；

⑺当工位1焊接完成后，启动工位2焊接程序，循环操作。

同时两个工位可更换不同的工装，工位安装有快速定位装置，可随时切换不同品种的安全架零件生产。

安全防护措施

安全生产是企业经营活动的重中之重，任何项目的实施，安全监督部门具有一票否决权。所以确定工艺布局后就要分析设备运行状态下的危险源以及危险因素。对于建立单机焊接工作站，新出现的危险源主要来源两部分，一是焊接过程人员误进入焊接工作站，造成机器人撞人或弧光伤害眼睛；二是工位1与工位2交换工作台的旋转过程对人员会造成伤害。

关于两项危险源，第一种解决方式容易，增加门机联锁装置，在工作站人员进入门上装入机械感应器，将信号传入机器人控制系统。当机器人处于焊接状态时，如果有人员打开工作站门后，机器人停止运动和焊接。最难的是如何保证两个工位交换旋转过程时的人员防护，如果只是简单的在工位两侧安装光电保护装置，保持光电保护一直处于工作状态，人员就无法实现单机焊接工作站内部焊接、外部工位卸件，装件无法进行。人员进入光电保护区域后，机器人停止工作，无法完成上述外部装件与工作站内焊接。经过现场观察与思考，最终通过旋转工作台的旋转过程传递给光电保护装置信号，再由光电保护系统传输信号到机器人控制系统，单机工作站安全防护装置如图4所示。这样就解决了旋转过程中可能对人员造成的伤害，工作台不旋转时，光电保护处于常闭信号，人员可以在外部工位进行装件、卸件、单机工作站内进行焊接。

图4单机工作站安全防护装置

产品推广应用

目前安全架的产量相对可观，设计节拍主要根据高产月的产量。目前设计的主要产品是安全架，如果产量下降，设备产能就有富余。产品的更换主要与焊接机器人工装有关，所以我们要求机器人厂家在设计工装时要具有后续产品扩展的功能。在后续生产中，焊接自动化柔性生产线模式可以应用在焊接扶手、焊接小合件、井关安全架、立柱、隔板上。

经济可行性分析

该项目安全架总成产品为集团内部使用，不存在市场风险，故可以采用单机焊接工作站模式。通过节省人员来分析经济可行性，本项目投资约万，上框架总成一台套，原生产需要操作工18人，投入单机焊接工作站后，两班倒，只需6人，共计可节约操作人员12人，一年每人的人工成本按照6万元计算，全年共可节约人工成本约72万元，预计投资回收期为3.5年。项目投入从经济上分析是可行的。

从其他方面分析，减少了物流的周转、半成品的数量，缩短了该产品的生产周期，减少了厂房的面积占用，提高了厂房面积利用率；引进弧焊接机器人设备，同时配有焊接机器人工作室，配置有全封闭除尘设施，降低了焊接烟尘的排放，提高了操作人员的工作环境，同时降低了员工的职业病发病率。

创新点

安全架总成由安全架上框合件、左、右立柱合件组成，每个焊合件的重量非常重，超过了人体手工搬运的负荷能力。每种合件的焊接为正反面焊接，双面都有焊缝，人工焊接操作的劳动强度大。采用机器人焊接后，不需要翻转，下料过程配有起吊装置，大大降低了操作人员的劳动强度。本产品具有三个创新点：一是板件与管件搭接实现了自动化焊接，提高了焊缝质量；二是采用双工位可实现线体焊接过程，完成零件上料、下料准备工作，同时配有快速更换工装装置，实现了产品快速切换；三是缩短了该零件的生产周期，减低了在制品数量。同时在低产月人员很少的情况下也可以顺利完成生产任务。

结束语

分析该零件焊接工艺自动化方案的过程中，充分考虑了零件自身的特点。在满足焊接工艺的情况下，充分分析每种方案的可行性，选用最佳方案。通过将零件集中起来进行焊接，选用单机弧焊机器人工作站模式，可以有效地减少在制品的数量，缩短零件生产周期，降低操作员工劳动强度，减少用工成本。该上框架总成零件的自动化焊接应用，为我公司推进焊接自动化奠定了基础，同时也为农机中类似零件提供了典型焊接自动化方案。

——节选自《钣金与制作》年第8期

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