重型機械製造工藝中焊接連接技術與機（jī）器人（rén）應用（yòng）

作為焊接重型機械（xiè）製（zhì）造過程（chéng）中的（de）關鍵連接技術，焊接設備與機器人（rén）設備的聯合使用（yòng），推動了焊接機（jī）器人智能製造技術的不斷發展，更（gèng）好地服務於我國企業的（de）生產。通（tōng）過介紹焊接機器人（rén）在（zài）重型機械行業的應用及發展趨勢，闡述了焊接機器人因（yīn）產品需求不同而發展了（le）不同的焊接機器人工（gōng）作站，促進了焊接機器人的智能化、自動（dòng）化發展，提高了企業的生產效率（lǜ），降低了現場操作人員的勞動強（qiáng）度，改善了焊接工作環境。闡述了（le）焊接機器人在智能製造領域的（de）未（wèi）來發展方向。

一（yī）

前言

重型機械工業是國民經濟發展的基礎，是一個國家綜合國力的重要體現，在國民（mín）經濟（jì）發展中占有特殊地位。重型機械工業的發展已經成為我國礦業（yè）、能源開發（fā）、原材料生產等基（jī）礎工業發展的重要保障。隨著中國製（zhì）造的快速發展，智能裝備等技術將廣泛應用於重型機械行業，推動企業的產品和技術升級（jí），使企（qǐ）業適應現代化的（de）步伐，向工業4.0的目標邁（mài）進。

焊接作為重（chóng）型機（jī）械行業生產過程中的關鍵技術之一，一直發（fā）揮（huī）著重要的作用，決定著產品的（de）質量、可靠性和安全性。我國重型機械企業的發展模式一（yī）直是勞動（dòng）密（mì）集型，呈現出勞動力成本低、工作環境差、技術對人的依賴（lài）性較大的特（tè）點。然而，隨著社會的進步和（hé）新技術的發展（zhǎn），企業（yè）發展的模式（shì）逐漸從勞（láo）動密集型向技術密集型轉變，強調（diào）以人為本（běn）的發展方（fāng）向。因此，為了更好地體現以人為本的發展模（mó）式，重機行業（yè）的產品急需進行生產工（gōng）藝的升級改造。隨著焊接設（shè）備自動化和智能化新技術的快速發展，有必要大力推廣使（shǐ）用智能焊接技術，逐（zhú）步取代現有的落後技術，改（gǎi）善現場工（gōng）作環境，提高工作效率[1]。

2

重型機械焊機的發展趨（qū）勢

麵對新的競（jìng）爭市場環境，重型（xíng）機械行業正逐步（bù）向（xiàng）專業化、裝備化、智能化和自動化（huà）方向發展，以（yǐ）滿足產品升級的需求。焊機技術（shù）在重型機械行業得到了廣（guǎng）泛應用，促進了智能製造技術的升級，增加了企業的經濟效益。一般來說，專用焊機包括焊接操作設（shè）備、位移設備、控製設備和外圍安全（quán）設備等。，並可根據客戶的產品要求定（dìng）製（zhì）。它具有很強的靈活（huó）性和實用性，應用範圍廣。隨著新型傳感器、信息技術和機器人技術的發展，特（tè）種（zhǒng）焊機的發展正逐（zhú）步（bù）走向智能化，以（yǐ）更好地滿足產品需（xū）求[2]。

由於定製需求，焊機技術應用（yòng）範（fàn）圍廣，可（kě）以實現多種產品的自動（dòng）焊接。介紹了以下特種焊機（jī）在重型（xíng）機（jī）械行業的應（yīng）用。對於中厚（hòu）度V型坡（pō）口管道的對接焊，我公（gōng）司設計了一種帶有專用焊（hàn）機的旋轉軌（guǐ）道，並在軌道上進行管道氬弧焊，如圖1a所示。

根（gēn）據產（chǎn）品的特點，我公（gōng）司設（shè）計了一種XZ直線軌道，可以雙向（xiàng）運動。電（diàn）弧焊炬（jù）安裝（zhuāng）在（zài）行走軸的末端。堆焊產品時，焊縫的高度會逐漸增加（jiā），Z軸會隨著焊縫的增加而上升，以保證焊縫的外觀美觀，如圖1b所示。

厚板產品的焊接軌跡（jì）為圓弧、坡口角焊和多（duō）層多道焊。根據產品的焊接特點，我公司開發的厚（hòu）板專用弧焊機如圖1c所示。該專機包括行走軸、焊接設備、攝像照相、線激光和上位機（jī）控製係統。集成（chéng）攝像（xiàng）拍照傳（chuán）感器，可根據攝像拍照識別工件，生（shēng）成電（diàn）弧軌跡，並通過線激光傳感器修正焊槍運動軌跡，保證焊縫和焊接（jiē）質（zhì）量的（de）一致性。大厚度（dù）管道的埋弧焊如圖1d所示。該專用焊機集埋弧焊設備、旋轉變位機、X行走軸、機器（qì）人和弧焊設備等（děng）為一體。工作順（shùn）序是外（wài）部設備控製變位機旋轉，機器（qì）人弧焊設備對工件進行打底焊接，然後用埋弧焊焊（hàn）接填（tián）充蓋。

三

重型機械機器人（rén）焊接的發展趨勢

隨著傳感器和信息技術的快速進步，焊接機器人的相關技術也相應發展起（qǐ）來，促進了焊接機器人在（zài）許（xǔ）多行業的（de）廣泛應用。尤其（qí）是智能製造受到國家政策的支持，使得（dé）焊接機器人在重機行業的應用最為廣泛。由於焊接機器人的廣泛使用，在一定程度（dù）上（shàng）提高了（le）產品焊接生產的效率和質量，也有效改善了現場（chǎng）操作人（rén）員的工作環境（jìng）[3]。焊接機器人技術經（jīng）曆了研究、發展和成熟（shú）的（de）過程，現在已經發展（zhǎn）到像人類一樣具有外部感知，能夠做出判斷和動作，能夠適應各種環境變化。根據客（kè）戶的（de）不同需求，焊接機器人（rén）的應用類型已經從單（dān）機器人焊接工作站、單工位工作站和外部導軌集成發展到焊接機器人成為自動化（huà）生產線的組成部分。

圖2是一個簡單的焊接機器人工作站，主要由機器人、焊槍（qiāng）、焊機等設備組（zǔ）成。焊接產品為厚板，可通（tōng）過編程實現電（diàn）弧自動焊接。重型（xíng）機械行業產品的加工誤差可以通過機器人定位、電弧（hú）跟（gēn）蹤等傳感器進行修正，使機器人焊接產品（pǐn）質量穩定。

圖3為主梁焊接機器人工作站（zhàn），主要由機器（qì）人、焊槍和焊工、旋轉立柱、導軌和點激光器組成。焊接產品為大梁，通過參數化編程實現大梁的自動焊接。該工作站主要利用（yòng）上位機建立模（mó）型，通過通信將三維（wéi）模型的參數傳輸給機器人，從而（ér）實現機器人的自動焊接。

介紹（shào）了粉盒（hé）焊接機器人工作站，主（zhǔ）要由機器人、定位器、行走導軌、焊槍、焊機和激光器等組成。待焊產品為粉盒，通（tōng）過編程實現三工位（wèi）產品的自動焊接。該焊接機器人工作站采用外（wài）置激光傳感器進（jìn）行定位跟蹤，保證了產品焊接的一致性，實現了產品焊接質量的穩定。

四

重型機械智能焊接機器人的（de）發展趨勢

4.1重型機械機（jī）器人焊接（jiē）技術的發展（zhǎn）趨勢

目前（qián）國產機器人在各個行業尤其是重型機械行業還無法（fǎ）與國外機（jī）器人“四大家族”抗衡，實現大規模普及應用還有很長的路要走。隨著科（kē）學技術的發（fā）展，我國機器人在相關傳感（gǎn）和（hé）控製技術以及關鍵部件方麵將逐步完（wán）善，在一定程度上（shàng），其性能和功能可以達到先進水平。重機工（gōng）業生產的產品是由許（xǔ）多結構件組裝焊接而成的，在整個產品中（zhōng）起著承載作（zuò）用，對這些結構（gòu）件的結（jié）構性能（néng）要求很高。由於這些結構件的焊接量很（hěn）大，采用機器人焊接具有重要的現實意義。但是對於新產品的生產，現（xiàn）場調試（shì）的時間會很長，所以如何減（jiǎn）少現場產品的示教過程，縮短產品的現場調（diào）試時間，降低生產節奏，提高產品的製造效率，增加企業的效益，是很多企業迫（pò）切需要解決的問題。

(1)離線仿真（zhēn）技術（shù）的發展

“四大家族”品牌機器人都（dōu）有離線仿真軟件（jiàn）。該軟件可以在虛擬（nǐ）工作平台上編寫機器人程序和邏輯指令，無需現場示教編程（chéng），減少（shǎo）了現場（chǎng）示教時間，提高了生產（chǎn）效率。可以配備模擬實際工作站的平台，編寫程序（xù），將生成的生產作業程序通過外部移（yí）動設備導入田間機器（qì）人的控製器進行生產作業（yè）。各大機器人廠商的（de）仿真軟件各有特色（sè）。ABB的機（jī）器人仿真軟件是Robotstudio。在（zài）該軟件上，可以編寫產品的（de）焊接程序，包括擺動、電弧跟蹤和激光跟蹤，還可（kě）以編寫循環指令和選擇語句。

圖5示出了結構部件的底（dǐ）架，其使用離線模擬軟件來模擬工件的可達範圍（wéi）。使（shǐ）用該軟件，需要導入機器人模型、焊槍和整個工作站模型，以承載實際場景（jǐng）的實際圖形。然後編寫運動程序，針對工件的焊接位置編寫焊接程序、焊槍（qiāng）清洗程序和邏輯程序。

(2)基於視覺的實時在線（xiàn）技術，無需編程。

目前國內幾大機器人廠商如Eft、錢江等都有開源的控製係統，國內外集成商都可以開發。集成商可以根據客戶的需求進行二（èr）次開發，讓機器人適應新的環境。集成商（shāng）將各種傳感器與機器人結合（hé）起來，形成一種新的（de）智能機器人技術，更加智能。

智能焊接機器人工作站主要由（yóu）視覺傳感（gǎn）器、線激（jī）光器、點激光器、機器人、焊機、外部跟蹤、上位機軟件開發等設備組成。這個工作站不需要現場編輯（jí）程序。通過運行（háng）計算機上的軟件，可以生成機器人軌跡。該工（gōng）作站可改善現場操作人員的（de）工作環境，無需編程或任何位置修正（zhèng）即可直接焊接。

4.2重（chóng）型機械智能焊接的發展趨勢

由（yóu）於以前重機行業的焊接（jiē）都是依靠手工（gōng）焊接，焊接質量都取決於焊工的實際技術水平和焊（hàn）工自身素質，焊接質量很（hěn）難控製，焊接質量控製技術應運而生。焊接質量控製技術，利用視覺傳感方法監測和檢測焊接熔池的變化和焊縫（féng）背麵的形成，並根據形成變化實（shí）時（shí）調整機器（qì）人位置，從而獲得更好的（de）焊縫形成。

焊（hàn）接質量控製（zhì）技術主要包括（kuò）焊（hàn）接熔（róng）池（chí）變化、焊（hàn）接過程建模（mó）和控製器設計。監控焊接熔池的變化是控製（zhì）焊縫成（chéng）形質量的重要步驟。基於視覺傳感器的在線實時監測可以直觀地反映焊接（jiē）過程（chéng）中的焊接成形行（háng）為，因此這種方法（fǎ）常用於焊接過程控製。此外，掌握焊接（jiē）參數與焊縫成形之間的規律，建（jiàn）立焊接成形模型也是控製器的設計基礎（chǔ）。隨著技術的發展，現代（dài）神經網絡、模糊集、粗糙集等智能建模方法的（de）提出（chū）和應用，使得焊接成形質（zhì）量控製技術得（dé）到（dào）了發展。隨著（zhe）對焊接過程認識（shí）的（de）深入，所建立的焊接過（guò）程模型會更加準確，焊（hàn）接成形質（zhì）量控製技術也會得到進一步發展（zhǎn）。

五（wǔ）

結束語

隨著中國製造不（bú）斷向更高（gāo）水平發（fā）展，新（xīn）時代信息（xī）技術（shù）革命引領的智能化、數（shù）字化在重型機械行業的應用，將推動焊接機器人與智能、自動控製係統的（de）結合，發展新型智能焊接技術（shù）。智能焊接技術的廣泛使用（yòng）可以在一定程度上替代機械行業的部分勞動力。在提高生產效率的同時，還能生產出更好的產品，增加企業的經濟效益（yì）。這將有力推動我國重型機械行業的技術轉型升級，向智能化發展。