張書生

（沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽 110167）

1 智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

1.1 智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的特點(diǎn)

智能化焊接機(jī)器人，結(jié)合了生物工程、人工智能、控制算法、焊接技術(shù)與信息多傳感等前沿技術(shù)，發(fā)展成為一名具有自感知、自決策、自執(zhí)行的合格的智能焊接工程師。具有視覺、力覺、觸覺等的感知能力，放寬對作業(yè)對象一致性的要求。同時(shí)融合了專家知識，對生產(chǎn)工藝積累，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)機(jī)器人作業(yè)參數(shù)的決策。具有作業(yè)對象數(shù)學(xué)描述能力，能夠?qū)崿F(xiàn)免示教作業(yè)和自主規(guī)劃功能。

1.2 智能機(jī)器人焊接的優(yōu)勢

（1）焊接機(jī)器人的基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)是代替人工在危險(xiǎn)、勞動強(qiáng)度高、作業(yè)范圍小等環(huán)境下工作。焊接弧光、煙塵和高溫等對人體傷害極大，尤其是近年來隨著高強(qiáng)鋼的比例增加，需要預(yù)熱的情況越來越多，焊工難以長期穩(wěn)定的在此工況下生產(chǎn)工作，焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，大幅降低了工人的勞動強(qiáng)度。

（2）智能焊接機(jī)器人相對人工，焊接質(zhì)量更穩(wěn)定。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機(jī)器人焊接時(shí)對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。

（3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)器人沒有疲勞，可24 h 連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。

2 焊接機(jī)器人的發(fā)展方向

2.1 焊接機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，伴隨科技水平的增強(qiáng)，焊接機(jī)器人也越來越完善。在工作過程中機(jī)器人需要確保整個(gè)工作過程的靈活性，有非常特殊的定位精度要求。隨著機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛，一個(gè)非常重要的十字路口已經(jīng)應(yīng)用機(jī)器人。相關(guān)工作表明，智能和便利在未來發(fā)展過程中是機(jī)器人最重要的發(fā)展方向。

2.2 智能傳感技術(shù)

焊接工作容易受到外界環(huán)境因素的影響，如下料精度、組對精度以及焊接溫度等，焊接過程中也會產(chǎn)生焊接變形?！懊と耸健睓C(jī)器人焊接是第一代教育編程焊接。在未來的發(fā)展過程中，為避免上述問題，焊接機(jī)器人將向智能傳感技術(shù)轉(zhuǎn)變。除了視覺傳感設(shè)備外，觸覺、聲音、觸覺等板塊還需要設(shè)置更多，通過將這些傳感整合到機(jī)器人系統(tǒng)中，在整個(gè)焊接過程中機(jī)器人可以自動穩(wěn)定準(zhǔn)確地控制和定位，從而保證最終的焊接質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

由于技術(shù)發(fā)展初期不發(fā)達(dá)，造成不同技術(shù)的共享傳輸比較困難，機(jī)器人焊接同樣如此。隨著進(jìn)入信息化和企業(yè)自動化的浪潮，機(jī)器人團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)需要在未來的發(fā)展過程中，不斷進(jìn)行技術(shù)完善和優(yōu)化，共識系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際發(fā)展情況建立，形成高效的信息共享和溝通。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

在監(jiān)控任務(wù)中加入仿真鉆孔等前沿技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。機(jī)器人依靠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳感器，可以更高效地完成此類任務(wù)。一種能夠有效實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，操作者依靠多傳感器遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，在應(yīng)用過程中加入演練、模擬、開發(fā)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程，完成機(jī)器人虛擬操作，在整個(gè)工作過程中保證機(jī)器人的效率。

3 常見的機(jī)器人焊接系統(tǒng)分析

3.1 機(jī)器人與焊接

以機(jī)器人為獨(dú)立個(gè)體以實(shí)現(xiàn)自動化焊接，是指焊接與機(jī)器人由利益相關(guān)者通過示教器操作來完成遠(yuǎn)程控制，基本上，完成相關(guān)工作的不是機(jī)器人，而是幕后操作人員?？刂乒裣喈?dāng)于人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)中控制機(jī)器人的最重要部分，是操作者與機(jī)器人之間的重要紐帶。要想保證工作的穩(wěn)定性，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)工作時(shí)，設(shè)備需要固定牢靠。由于焊機(jī)電源的工藝特性曲線不同，焊出的焊縫質(zhì)量也不同。整個(gè)焊接過程中機(jī)器人負(fù)責(zé)軌跡平穩(wěn)準(zhǔn)確執(zhí)行，焊機(jī)負(fù)責(zé)輸出穩(wěn)定焊接工藝。

3.2 機(jī)器人與焊接工作場所

在了解焊接工作場所和機(jī)器人的過程中，可以將其視為焊接工作結(jié)構(gòu)是一個(gè)單獨(dú)的。獨(dú)立完整地完成工件的焊接是機(jī)器人焊接工作站的挑戰(zhàn)，這不僅需要一種保證機(jī)器人焊接的方法，還需要機(jī)器人焊接，還有焊接過程以及許多其他設(shè)備。其中最重要的是外部設(shè)備、工作設(shè)備、觸摸屏、控制系統(tǒng)。在焊接工件的過程中，控制必要的位移和夾具機(jī)構(gòu)，以及真空裝置、圍欄等人身健康安全保護(hù)裝置。

3.3 機(jī)器人與焊接生產(chǎn)線

機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線涉及機(jī)器人焊接生產(chǎn)過程的自動化。一方面，擴(kuò)展機(jī)器人工作站，在焊接機(jī)器人工作站的基礎(chǔ)上，由多個(gè)焊接工作站組成的生產(chǎn)線。另一方面，從自動化焊接制造過程的角度來看，相關(guān)的質(zhì)量檢驗(yàn)和材料零件工作，包括供應(yīng)、組裝、檢驗(yàn)、分揀、備料、焊接、卸載等一系列過程，都必須準(zhǔn)確。為保證生產(chǎn)線的調(diào)整，自動化焊接產(chǎn)品生產(chǎn)全過程，需要保證每一個(gè)工作細(xì)節(jié)的質(zhì)量，避免生產(chǎn)線出現(xiàn)一些故障。這樣一來，變得更加復(fù)雜的整個(gè)工作環(huán)境，對各個(gè)工作單元的生產(chǎn)線上的要求，以及統(tǒng)一性和效率的整個(gè)協(xié)作都提高了。如果在生產(chǎn)加工過程中出現(xiàn)意外情況，則需要轉(zhuǎn)移到另一條路線并集中管理。這不僅可以確保流水線正常運(yùn)行，還可以幫助快速發(fā)現(xiàn)問題，避免產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。為實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，一體化控制和高效對接只有多個(gè)自動化工作站形成，才能改善作業(yè)環(huán)境，保證生產(chǎn)質(zhì)量。這包括自動化與信息化和智能數(shù)字化生產(chǎn)計(jì)劃之間的集成協(xié)作的簡單組合。可通過生產(chǎn)控制信息和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接質(zhì)量信息、生產(chǎn)線工藝的數(shù)字化集成管理。

4 智能焊接技術(shù)的集成應(yīng)用分析

4.1 智能焊接站系統(tǒng)的組成

智能焊接站系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：①焊接機(jī)器人，根據(jù)工作對象范圍及焊槍負(fù)載，選擇臂展合適、負(fù)載能力足夠的機(jī)器人本體。②智能弧焊軟件包，根據(jù)工作對象及使用工況選擇合適的弧焊軟件功能。軟件包包括弧焊基本功能和智能焊接功能。智能焊接功能包括接觸式傳感、非接觸式傳感、電弧跟蹤、激光跟蹤、多層多道焊、焊接生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、離線編程、焊接數(shù)據(jù)庫等，為中厚板及其他領(lǐng)域的客戶解決工件精度差、焊接質(zhì)量一致性、生產(chǎn)集中管理等難題。③焊機(jī)焊槍系統(tǒng)，焊機(jī)電源輸出工藝的穩(wěn)定性，直接影響最終的焊縫質(zhì)量，根據(jù)使用工況，選擇合適的焊機(jī)焊槍品牌及暫載率。④防碰撞傳感器系統(tǒng)和自動清槍系統(tǒng)，防碰撞傳感器可以避免焊槍、機(jī)器人本體等發(fā)生嚴(yán)重的損壞，對設(shè)備進(jìn)行有效的安全保護(hù)。自動清槍系統(tǒng)可以保持自動焊接的連續(xù)性，避免產(chǎn)生由于飛濺堵住噴嘴產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷。⑤桁架、滑臺及變位機(jī)系統(tǒng)，需要根據(jù)工作對象，選擇合適的外圍設(shè)備，桁架/滑臺系統(tǒng)可與機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動，大幅提高了機(jī)器人的工作范圍，確保了機(jī)器人焊接工件時(shí)焊槍的可達(dá)性，保證焊槍始終在最佳姿態(tài)焊接。變位機(jī)系統(tǒng)與機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動，保證焊縫始終處于最佳焊接位置。變位機(jī)負(fù)載根據(jù)實(shí)際需要確定，其結(jié)構(gòu)件采用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成，焊后進(jìn)行特殊處理以保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。⑥夾具系統(tǒng)，需要針對客戶不同產(chǎn)品類型，自主設(shè)計(jì)制作符合焊接需求的工裝夾具，其主要特點(diǎn)有：夾具剛性良好，具有足夠的夾緊力；夾具定位夾緊部位考慮了工件焊接時(shí)的散熱、變形及夾緊的穩(wěn)定可靠，以保證良好的焊接質(zhì)量。夾具設(shè)計(jì)考慮焊槍的可達(dá)空間，符合生產(chǎn)工藝要求，確保機(jī)器人焊槍的可達(dá)性，保證焊槍最佳焊接姿態(tài)。⑦電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)客戶的不同需求，從實(shí)用性、易用性等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出符合項(xiàng)目要求的電氣控制系統(tǒng)。⑧安全防護(hù)系統(tǒng)，在企業(yè)生產(chǎn)中，安全是重中之重，因此，機(jī)器人工作區(qū)域必須設(shè)置安全防護(hù)系統(tǒng)，在機(jī)器人工作過程中，一旦有人進(jìn)入，機(jī)器人立即停止工作。

4.2 控制系統(tǒng)軟件單元的組成

控制系統(tǒng)的核心定義實(shí)際上是網(wǎng)絡(luò)通信，控制系統(tǒng)的操作方式主要是通過網(wǎng)絡(luò)將弧焊機(jī)器人系統(tǒng)、外部系統(tǒng)、PLC、人機(jī)界面等相關(guān)設(shè)備集成，然后集成多個(gè)設(shè)備，通常放置在控制系統(tǒng)中，以進(jìn)行有效的控制和協(xié)調(diào)。PLC 功能是進(jìn)行夾具移動定位、協(xié)調(diào)焊接機(jī)器人的相關(guān)工作，是整個(gè)系統(tǒng)的主控制器。觸摸屏可以在加工過程中有效監(jiān)控生產(chǎn)和整體操作，主要用于產(chǎn)品工藝選擇，向控制系統(tǒng)提供反饋。通過系統(tǒng)的建設(shè)不僅提升了公司的整體競爭力，而且實(shí)現(xiàn)智能化、自動化生產(chǎn)，也有助于保證生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 智能焊接功能

機(jī)器人自動化焊接生產(chǎn)要求工件尺寸的高精度和工件的精確定位裝配，但在車間現(xiàn)場的實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，由于各種原因常無法保證自動化焊接的條件及要求。為此，焊接智能軟件融合了人的感官信息、經(jīng)驗(yàn)知識、推理判斷以及焊接過程控制等各方面的專門技術(shù)，可在焊接過程中修正工件出現(xiàn)的精度及位置的偏差，滿足焊接生產(chǎn)的工藝要求，保證焊接質(zhì)量，節(jié)省工作時(shí)間，返修率大幅降低。典型的智能焊接功能有接觸傳感、非接觸傳感、電弧跟蹤、激光跟蹤、多層多道等。

4.4 異性曲面定量堆焊處理技術(shù)

使用異性曲面定量堆焊處理技術(shù)在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上降低焊接成本。由于特殊的使用條件，水電產(chǎn)品的某些部位，一般需要具有耐腐蝕、表面耐磨的特性，因此需要在表面堆焊一定厚度的高性能材料。目前，異形表面的定量表面處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于管狀機(jī)組的導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)輪體生產(chǎn)中，機(jī)器人工作站需要結(jié)合焊接和加工要求，適應(yīng)各種類型的曲面，以及快速成型技術(shù)、離線編程、不銹鋼表面技術(shù)等。流道體的表面光潔度主要是以耐磨性為目的，由法蘭和球面組成轉(zhuǎn)輪體，精加工表面時(shí)，整個(gè)表面的不銹鋼厚度為15 mm，5個(gè)球面開孔，采用異形面，表面處理量達(dá)50%以上。

4.5 平地機(jī)后車架的機(jī)器人智能焊接應(yīng)用

（1）機(jī)器人位置點(diǎn)傳感功能。

平地機(jī)后架組對精度為±2 mm，再加上焊接過程中發(fā)生的焊接變形，造成焊縫位置發(fā)生變化，使得示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人無法適應(yīng)高質(zhì)量的焊接生產(chǎn)。因此，智能焊接機(jī)器人通過三方向傳感功能和位置點(diǎn)檢測，使焊接過程不受某些誤差的影響。

（2）電弧跟蹤功能。

焊接過程中由于應(yīng)力變形等原因?qū)е抡麄€(gè)焊接軌跡的位置出現(xiàn)偏差，使普通的示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人無法滿足焊接需求。為實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位焊縫的正常焊接工作，可以利用智能焊接機(jī)器人的電弧跟蹤功能，焊縫的上下偏移和左右偏移都可以通過機(jī)器人區(qū)分并自動軌跡修正，提高生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）多層多道焊接功能。

14 mm、10 mm、8 mm 是焊接平地機(jī)后車架常見的焊腳要求，水平角焊縫焊腳8 mm 及以下可以單道焊接完成，但10 mm 和14 mm 等焊腳不能一道焊接完成，并且由于平地機(jī)后車架工件長，不能使其翻轉(zhuǎn)至船型焊接位置，因此需要應(yīng)用多層多道焊接技術(shù)。平角焊10 mm 焊腳，需要焊接3道，焊縫長約1 000 mm，焊接強(qiáng)度大，很難確保質(zhì)量一致。利用多層多道焊接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)中厚板的高效、優(yōu)質(zhì)焊接。只需示教根層的軌跡，然后設(shè)置偏置值，即可實(shí)現(xiàn)覆蓋道焊接，大幅提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

伴隨科技水平的不斷提高，智能焊接技術(shù)已成為主流。在新時(shí)代背景下，生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率可以應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)有效提高，智能制造通過在企業(yè)發(fā)展過程中實(shí)現(xiàn)，使管理和產(chǎn)品質(zhì)量檢測更加高效，不僅有助于優(yōu)化企業(yè)的發(fā)展模式，也提高了企業(yè)的整體競爭力。