Published： 25 July 2024
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With the intensification of global market competition, the tower crane manufacturing sector is facing challenges such as low cost, short cycle, and high quality. Herein, an automated welding production line for tower crane piece standard sections is introduced. This production line integrates robotic technology, welding technology, automation technology, simulation technology, and fixture design technology, effectively enhancing the quality and stability of welding, reducing labor requirements, improving production efficiency, and reducing costs. The composition, layout, process division, and rhythm calculation of the production line are detailed, along with key technologies such as simulation technology, robot body technical parameters, starting point detection, and seam tracking functions. Practical production verification has shown that the production line meets the needs of efficient production and demonstrates the applicability of robots in the automated production of heavy workpieces. Finally, the direction for optimizing this automated welding production line is pointed out, including reducing investment costs, improving production flexibility, and enhancing the overall equipment effectiveness (OEE) of the production line, which can provide guidance and reference for the automated production of tower crane standard sections.
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伴随着建筑业的发展，塔式起重机作为关键的施工设备，其需求量与日俱增。塔机的稳定性和安全性在很大程度上取决于其标准节的焊接质量。因此，塔机标准节的制造过程，特别是焊接环节，已成为研究和工业界关注的焦点。传统的塔机标准节生产方式依赖于手工焊接，存在工件转运效率低下、质量不稳定、工作环境恶劣等问题，塔机标准节生产亟待自动化升级改造［
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随着自动化技术的发展，机器人自动焊接技术逐渐成为提高生产效率和产品质量的有效手段。近年来，研究学者在自动化焊接生产线的设计与应用方面进行了大量研究和实践［
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片式标准节是塔吊的主要组成部分之一（见
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图1 工件图
Fig.1 Workpiece drawing
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Low-res image（1）生产线包含：踏步鱼尾板点固工位2套、踏步机器人焊接工位1套、鱼尾板机器人焊接工位4套、单片点固工位1套、单片机器人焊接工位3套（双机2套、单机1套）、2套安全栏、2套PLC控制系统。
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（2）机器人包括AR1440（2台）、AR2010（9台）、GP600（1台）、MPL800（1台）；焊接电源：RD500S（11台）；变位机：单轴垂直回转变位机（8台）、点固补焊变位机（4台）；夹具12套，抓手2套。
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（3）操作人员：点固踏步和鱼尾板2个工位共2人，点固单片1个工位共2人，检查补焊1个工位共2人，上下料1人，共7名操作人员。
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生产线布局充分考虑了工序排布、物流转运及场地因素，占地面积为57 m×10 m，如
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图2 生产线布局
Fig.2 Production line layout
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Low-res image片式标准节工序划分如
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图3 工序划分
Fig.3 Process division
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Low-res image（1）机器人焊接踏步。由于焊缝左右对称，所以采用双机器人，发挥最大设备利用率。节拍=13.9+0.5=14.5 min（装件卸件共0.5 min）每个标准节中只有两片有踏步，所以采用1个双机站，满足9min每片的生产要求。
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（2）机器人焊接鱼尾板。焊缝左右不对称，不能采用双工位布局，采用单机单工位形式，节拍=32.9/4+0.5=8.8 min（装件卸件共0.5 min），采用4个单机站，满足9 min每片的要求。
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（3）机器人焊接单片。由于焊缝左右基本对称，所以优先采用双机器人，发挥最大设备利用率，但考虑到设备投资，最终采用2个双机站+1套单机站，节拍=［（18.8/2+1.5）（37.6+1.5）］/［（18.8/2+1.5）+（37.6+1.5）］=8.5 min（装件卸件共1.5 min），采用2个双机站和1个单机站，满足9 min每片的要求。
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（4）搬运机器人转运节拍，时序图如
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图4 搬运机器人时序图
Fig.4 Timing sequence diagram
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Low-res image综上，生产线能够满足9 min生产节拍，有效工作时间7.5 h，能够达到产量48片/班。
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（1）工件的转运采用稳定可靠的标准搬运机器人，操作性、稳定性、耐久性更好。
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（2）方便后期扩能增产。将主肢缓存换成鱼尾板焊接工作站，将人工检查补焊换成单片焊接工作站，可使产线节拍从9 min提高到7 min，提升22%，能够实现通过局部变化大幅提升产能的目的。
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（3）生产线设置多个缓存，大大提高产线效率。主肢部分设置了点固缓存，保证操作人员的弹性，主肢焊接工位前缓存，减少搬运机器人行走造成的焊机机器人停机等待，每个焊接单片工位都单独配备缓存，以尽可能减少搬运机器人行走距离。具体如
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图5 缓存示意
Fig.5 Cache diagram
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Low-res image（1）机器人仿真软件。MotoSimEG-VRC软件是日本安川电机株式会社研发的机器人仿真软件，可验证机器人系统的可行性，主要功能有机器人选型，机器人可达性验证，干涉检查，节拍验证，输出离线程序等。软件操作界面如
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图6 仿真软件界面
Fig.6 Simulation software interface
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Low-res image（2）机器人及其他数据的导入。从软件的机器人库中添加相应型号的机器人，配置好机器人的外部轴。夹具和变位机数据通过CATIA转为.hsf格式添加到仿真环境中。根据项目规划把各设备布置到相应位置。
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（3）机器人的负载确认。通过安川首钢自研的机器人负载计算软件，确认机器人负载是否满足使用要求。负载计算软件界面如
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图7 负载计算软件界面
Fig.7 Load calculation software interface
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Low-res image（4）机器人可达性及焊接姿态确认。根据工艺要求，对焊接工序的焊缝进行检查，保证焊接机器人可达性及焊接姿态，对搬运工序的机器人姿态进行检查，保证机器人的姿态可达。对搬运机器人节拍及时序进行验证，机器人动作仿真如
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图8 机器人动作仿真
Fig.8 Robot Action Simulation Diagram
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Low-res image本生产线的焊接机器人选用了2台AR1440和9台AR2010。面对工件重量大，不容易转运，选用了1台GP600和1台MPL800机器人，在不同工位间自动运载工件。主要技术参数如
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图9 机器人参数
Fig.9 Robot parameters
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Low-res image由于工件一致性差，很难自动化找准焊缝，为实现准确焊接，机器人配备了始端检出功能，以弥补工件偏差。始端检出就是借助加在焊丝与工件之间的高电压，机器人自动地按照检出程序规定的移动轨迹移动，对工件的实际位置进行测定，并计算出工件的实际位置与示教位置的偏差，然后在机器人作业文件中将焊缝的轨迹按照偏差进行修正，机器人按照修正后的轨迹进行焊接，从而保证焊接质量。其原理如
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图10 始端检出原理
Fig.10 Schematic diagram of starting point position detection
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Low-res image由于工件焊接量比较大，焊接过程中焊接变形较大，因此机器人配备了焊缝跟踪功能，以弥补工件焊接过程中的偏差，避免焊缝焊偏。焊缝跟踪功能是属于电弧跟踪范畴，利用摆焊时焊丝干伸长的变化，来取得焊接电流的变化趋势，来判断出焊枪行走轨迹的纠正方向，从而机器人在规定的方向上平移，以实现跟踪的目的。一般来说，焊接电流与焊丝的干伸长度存在一定关系，干伸长度越长，电流越小，干伸长度越短，电流越大，如
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图11 电流与杆伸长关系
Fig.11 The relationship between current and rod elongation
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Low-res image（1）焊缝跟踪功能需要借助电流检出单元、XCP02和COMARC软件来实现，且必须应用在允许使用摆焊功能且是类角形焊接的场合，
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图12 焊缝形式
Fig.12 Weld seam form
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Low-res image（2）焊缝跟踪能实现的最大纠偏角为5°，可以结合始端检出功能一起使用，利用始端检出功能找出焊接起始点的位置，再借助焊缝跟踪功能实现焊接过程中轨迹的实时纠正，实现真正智能化的高质量焊接。
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（3）焊缝跟踪功能可以实现左右和高低两个方向的跟踪，在摆焊时，用于判断的焊接电流的取值位置是不同的，如
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图13 左右和高低跟踪示意
Fig.13 Schematic diagram of left， right， and high/low tracking
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Low-res image图14 轨迹修正
Fig.14 Schematic diagram of trajectory correction
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Low-res image塔机标准节属于典型的中厚板焊接，焊接量大且为连续焊接。因此，焊接电源的稳定性对生产线实施至关重要，经过比较，最终选定性能优良的安川X500焊接电源，能够保证熔深、焊接效率及焊接质量。参数如
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电源 型号 | 额定输入电压 | 额定输入功率 | 额定输出 电流/A | 额定输出 电压/V |
|---|---|---|---|---|
|
YWE- X500 | 三相380~400 VAC+10%，50/60 HZ | 31 kVA/26 kW | 30~500 | 12~45 |
| 额定使用率 | 焊接方式 | 焊丝直径/mm | 对象材质 |
|---|---|---|---|
|
500 A时：60% 380 A时：100% （周期10 min） |
脉冲MAG/MIG， 低飞溅CO2短路， MAG/MIG短路 | 0.8/0.9/1.0/1.2 | 铁、不锈钢、铝 |
焊枪采用宾采尔W600A水冷焊枪。包括：防碰撞传感器、焊枪、相关电缆及管线等。带防碰撞传感器的焊枪可有效防止操作者因误操作造成焊枪的碰撞或损坏。当焊枪受到碰撞时，传感器会得到信号停止机器人动作。
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单轴翻转变位机采用安川首钢标准产品，变位机的驱动轴为机器人外部轴电机伺服驱动，由机器人控制柜统一控制。可安装长度约为4 000 mm的夹具，采用机械快换接口，总承重1 500 kg，夹具为1 000 kg，工件500 kg以内，重复定位精度≤±0.1 mm（500 mm以内），变位机三维示意如
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图15 变位机
Fig.15 Position
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Low-res image本系统由于工件重量比较大，焊角大，变形大，踏步焊接需要15 mm的反变形。针对这些特点，研发了一系列自动液压工装，包含人工点固工装、机器人焊接踏步工装、机器人焊接鱼尾板工装、机器人焊接单片工装。
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（1）人工点固工装。鱼尾板踏步点固工装如
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图16 鱼尾板踏步点固工装
Fig.16 Fishboard step fixing fixture
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Low-res image图17 单片点固工装
Fig.17 Single piece point fixing fixture
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Low-res image（2）机器人焊接踏步工装。
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经过有限元分析，需要30吨的正压力，使得角钢产生15 mm的变形，同时反变形装置下部有死限位，通过调整其厚度，可对变形量进行调整，夹具三维示意和有限元分析如
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图18 鱼尾板踏步点固工装
Fig.18 Fishboard step fixing fixture
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Low-res image图19 有限元分析
Fig.19 Finite element analysis
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Low-res image（3）机器人焊接鱼尾板工装如
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图20 焊接鱼尾板工装
Fig.20 Welding fishtail plate tooling
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Low-res image图21 机器人焊接单片工装
Fig.21 Welding single piece tooling
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Low-res image清枪、剪丝和喷硅油装置选用BINZEL（宾采尔）产品，型号为BRS-CC。清枪和喷硅油装置用于清理焊枪喷咀内的飞溅和向喷咀内喷防飞溅硅油。剪丝装置用于剪除焊丝尖端小球并保证焊丝干伸长度一致，保证起弧成功率和焊接过程稳定，以及始端检出的精度。
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安全栏是自动化设备必备的安全防护 ，安全房采用整体式安全栏，能够有效安全防护和除尘，且充分利用空间。安全房分为两部分，主肢焊接区域和单片焊接区域，每个大区域内部用矮栏分割为多个独立区域，每个小区域都设有一个维护门保证设备的利用率，并配有安全锁。点固工位设有推拉门，并配有安全锁，门打开后，搬运机器人不会到此区域取放件。具体如
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图22 生产线分区
Fig.22 Production line zoning
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Low-res image在机器人焊接系统控制方面，通过推行“系统模块化”控制技术，提高了设计、调试效率，提高了设备的可靠性，同时为用户的设备使用及维护管理带来了极大的方便。
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启动盒面板上设有启动、停止、暂停、急停、拨码开关的操作按钮。工作站外围设有多个急停按钮，在工作站明显位置还设有三色显示灯。
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整条生产线共分两个PLC区域：主肢焊接PLC区域和单片焊接PLC区域，如
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图23 PLC分区
Fig.23 PLC zone
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Low-res image通过塔机片式标准节机器人焊接生产线的规划以及设计的反复探讨，最终生产线得以顺利投产，达到规划量产的焊接节拍，现场实物照片如
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图24 现场实物
Fig.24 On site physical photo
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Low-res image（1）成功规划并实现了一套塔机片式标准节的自动化焊接生产线，经过实际量产的验证，该生产线显著提升了焊接质量和稳定性，同时降低了人工和生产成本，克服了焊接量大、焊脚大、焊接变形大，焊接变形难控制、工件不容易转运、工件一致性不好、难精准焊接等难点。
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（2）通过集成机器人技术及工装夹具设计，实现了生产过程的自动化和智能化。生产线的设计考虑了工序排布、物流转运和场地因素，优化了生产节拍，实现了高效生产。
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（3）引入仿真模拟、始端检出功能及焊缝跟踪功能，均在实际生产中得到了有效验证，证明了其在提高生产效率和保证产品质量方面的重要性。
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（4）焊接机器人非常适合应用于塔机标准节的生产，同时对于大重量工件实现自动化转运的可能性也得到了验证。为今后塔机标准节自动生产打下了基础，从而实现塔机标准节较大规模和高效的生产。
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（5）尽管生产线已实现高效生产，但投资成本相对较高，未来研究需要探索更经济的解决方案以降低生产线投资；生产线在柔性化和适应性等方面仍需进一步提高，以适应多变的市场需求和产品规格的变化；整体设备效率（OEE）有待进一步提升，需要对生产线的维护和故障排除进行优化。
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