重型機械智能焊接應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

黃建鵬

上海振華重工股份有限公司 上海 200215

1 序言

重型機械行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，是一個國家綜合國力的重要體現(xiàn)，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著特殊位置。重型機械行業(yè)的發(fā)展成為我國礦山開采、能源開發(fā)、原材料生產(chǎn)等基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展的重要保障。隨著中國制造的快速發(fā)展，智能化裝備等技術(shù)在重型機械行業(yè)將會得到廣泛應(yīng)用，促進企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)升級，使企業(yè)更能適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展腳步，向工業(yè)4.0目標邁進。

作為重型機械行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，焊接一直都起著舉足輕重的作用，決定著產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性、安全性。我國重型機械企業(yè)的發(fā)展模式一直是勞動密集型，呈現(xiàn)出人力成本低、工作環(huán)境差，以及對人的技術(shù)依賴性較大等特點。然而，隨著社會的進步和新型技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)發(fā)展的模式逐漸由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，更加強調(diào)了以人為本的發(fā)展方向。因此，為了更好地體現(xiàn)以人為本的發(fā)展模式，重型機械行業(yè)產(chǎn)品亟需進行生產(chǎn)技術(shù)升級和改造，在焊接裝備自動化、智能化新型技術(shù)的快速發(fā)展下，需大力推廣使用智能焊接技術(shù)，逐步替代現(xiàn)有的落后技術(shù)，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境并提高效率[1]。

2 重型機械焊接專機發(fā)展趨勢

面對新型的競爭激烈的市場環(huán)境，重型機械行業(yè)逐步向?qū)I(yè)化、裝備化、智能化和自動化發(fā)展，來應(yīng)對產(chǎn)品升級的需求。焊接專機技術(shù)在重型機械行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，促進了企業(yè)智能制造技術(shù)的升級換代，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益。焊接專機一般包括焊接操作設(shè)備、變位設(shè)備、控制設(shè)備及外圍安全設(shè)備等，并且可以按照客戶的產(chǎn)品需求進行定制化設(shè)計，具有很強的靈活性和實用性，適用范圍比較寬廣。隨著新型傳感器、信息技術(shù)和機器人技術(shù)的發(fā)展，焊接專機的發(fā)展也在逐步邁向智能化，以更好地適應(yīng)產(chǎn)品需求[2]。

焊接專機技術(shù)由于定制化需求，因此應(yīng)用范圍非常廣，可以實現(xiàn)很多種類的產(chǎn)品自動化焊接。以下介紹幾種焊接專機在重型機械行業(yè)的應(yīng)用。

對于中厚度V形坡口管道對接焊接，我公司設(shè)計了一個回轉(zhuǎn)軌道，帶有焊接專機并在軌道上運行，進行管道氬弧焊焊接，如圖1a所示。

針對產(chǎn)品的特性，我公司設(shè)計了一個XZ直線軌道，可以實現(xiàn)兩個方向的運動，在行走軸端部安裝弧焊焊槍。在對產(chǎn)品進行堆焊焊接時，焊縫的高度逐漸升高，Z軸會隨著焊縫的升高而抬高，確保焊縫外觀成形美觀，如圖1b所示。

重磅板產(chǎn)品的焊縫軌跡為圓弧，坡口角焊縫且為多層多道焊接。根據(jù)產(chǎn)品的焊接特性，我公司開發(fā)的重磅板圓弧焊接專機如圖1c所示。此專機包括行走軸、焊接設(shè)備、相機拍照和線激光以及上位機控制系統(tǒng)，集成了相機拍照傳感器，可以根據(jù)相機拍照識別工件，生成圓弧軌跡，并且通過線激光傳感器來糾正焊槍運動軌跡，保證焊接焊縫的一致性，確保了焊接質(zhì)量。

大厚度管道埋弧焊焊接如圖1d所示。此焊接專機集成了埋弧焊接設(shè)備、旋轉(zhuǎn)變位機、X行走軸、機器人和弧焊焊接設(shè)備等。工作順序為外部設(shè)備控制變位機旋轉(zhuǎn)，機器人弧焊焊接設(shè)備對工件進行打底焊接，而后采用埋弧焊進行填充蓋面焊接。

圖1 焊接專機

3 重型機械機器人焊接發(fā)展趨勢

隨著傳感和信息技術(shù)的快速進步，伴隨而來的焊接機器人相關(guān)技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展，促使焊接機器人在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，尤其是智能制造得到國家政策支持，使焊接機器人在重型機械行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。由于焊接機器人廣泛的使用，故在一定程度上提高產(chǎn)品焊接生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，也有效地改善了現(xiàn)場操作工的工作環(huán)境[3]。焊接機器人技術(shù)經(jīng)歷了研究、發(fā)展到成熟過程，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到具備像人類感知外部，且能夠做出判斷和行動，可以適應(yīng)各種環(huán)境的變化。根據(jù)客戶的不同需求，焊接機器人的應(yīng)用種類從單機器人焊接工作站，單站工作站和外部導軌集成，發(fā)展到焊接機器人成為一個自動化生產(chǎn)線的組成部分[3]。

圖2所示為簡單的焊接機器人工作站，主要由機器人、焊槍和焊機等設(shè)備組成，焊接的產(chǎn)品為重磅板，通過編程可實現(xiàn)圓弧自動焊接。重型機械行業(yè)產(chǎn)品存在的加工誤差，可以通過機器人尋位和電弧跟蹤等傳感器來進行糾偏，使機器人焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 焊接機器人工作站

圖3所示為大梁焊接機器人工作站，主要由機器人、焊槍和焊機、旋轉(zhuǎn)立柱、導軌和點激光等設(shè)備組成，焊接的產(chǎn)品為大梁，通過參數(shù)化編程實現(xiàn)大梁自動焊接。此工作站主要是采用上位機建立模型，將三維模型的參數(shù)輸入經(jīng)過通信傳輸給機器人，實現(xiàn)機器人的自動化焊接。

圖3 大梁焊接機器人工作站

圖4所示為粉體箱體焊接機器人工作站，主要由機器人、變位機和行走導軌、焊槍、焊機和激光等設(shè)備組成，焊接的產(chǎn)品為粉體箱體，通過編程實現(xiàn)3個工位產(chǎn)品自動焊接。此焊接機器人工作站采用了外部激光傳感器，用來位置尋位和跟蹤，保證了產(chǎn)品焊縫焊接的一致性，實現(xiàn)產(chǎn)品焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

圖4 粉體箱體焊接機器人工作站

4 重型機械智能焊接機器人發(fā)展趨勢

4.1 重型機械機器人焊接技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)的機器人在各個行業(yè)應(yīng)用上，尤其是重型機械行業(yè)，還無法與國外“四大家族”機器人相抗衡，要達到大面積推廣應(yīng)用還需要一段很長的路要走。隨著科學技術(shù)向前發(fā)展，我國機器人將會在相關(guān)的傳感和控制技術(shù)以及關(guān)鍵的零部件等方面逐步得到提高，在一定程度上，其性能和功能上可以達到先進水平。重型機械行業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品都是由許多結(jié)構(gòu)件拼裝焊接而成的，在整個產(chǎn)品中起著承載作用，對這些結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能要求高。由于這些結(jié)構(gòu)件焊接量多，因此采用機器人焊接，具有很重要的現(xiàn)實意義。然而，對于新產(chǎn)品的生產(chǎn)，由于現(xiàn)場調(diào)試時間會很長，因此如何減少企業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)品的示教過程，縮短產(chǎn)品現(xiàn)場調(diào)試時間，降低生產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)品的制造效率，增加企業(yè)效益，是很多企業(yè)亟需解決的問題。

（1）離線仿真技術(shù)的發(fā)展 “四大家族”品牌機器人都具有離線仿真軟件，此軟件可以在虛擬工作平臺編寫機器人程序和邏輯指令，不需要在現(xiàn)場進行示教編程，減少了現(xiàn)場示教時間，提高了生產(chǎn)效率。可以搭載一個與實際工作站模擬平臺，編寫程序，將生成的生產(chǎn)運行程序，通過外部移動設(shè)備將此程序?qū)氍F(xiàn)場機器人的控制器，進行生產(chǎn)運行。各大機器人廠商的仿真軟件各有特點。ABB機器人仿真軟件為Robotstudio，在此軟件上編寫產(chǎn)品的焊接程序，可以編寫擺動、電弧跟蹤和激光跟蹤，也可以編寫循環(huán)指令for和選擇語句if else。

圖5所示為某結(jié)構(gòu)件底架，采用離線仿真軟件，對工件可達范圍進行仿真。利用此軟件，需要導入機器人模型、焊槍和整個工作站模型，來搭載實際現(xiàn)場的實際圖形。然后，編寫運動程序，對工件的焊接位置進行焊接程序和焊槍清槍程序以及邏輯程序編寫。

圖5 離線仿真技術(shù)可達范圍計算

（2）基于視覺的實時在線無需編程技術(shù) 目前，國內(nèi)的幾大機器人廠商，如埃夫特、錢江等，控制系統(tǒng)都具備開源特點，均可面向國內(nèi)外集成商進行開發(fā)。集成商可以根據(jù)客戶需求來進行二次開發(fā)，讓機器人能夠適應(yīng)新的環(huán)境。集成商將多種傳感器與機器人進行組合，形成新的智能機器人技術(shù)，更加智能化。

圖6所示為智能視覺焊接機器人工作站，主要由視覺傳感器、線激光、點激光、機器人、焊機、外部軌道和上位機開發(fā)軟件等設(shè)備組成。此工作站不需要進行現(xiàn)場編輯程序，通過在計算機上操作軟件，可以生成機器人運動軌跡。此工作站可以改善現(xiàn)場操作人員的工作環(huán)境，可以不在現(xiàn)場進行編程，也無需在現(xiàn)場進行任何位置修正，可直接進行焊接。

圖6 智能視覺焊接機器人工作站

4.2 重型機械智能焊接發(fā)展趨勢

重型機械行業(yè)的焊接由于先前依賴人工焊接，焊接質(zhì)量全部依賴于焊工的實操技術(shù)水平高低和焊工自身素質(zhì)，對于焊接質(zhì)量的好壞很難把控，因此焊接質(zhì)量的控制技術(shù)應(yīng)運而出。焊接質(zhì)量的控制技術(shù)，利用視覺傳感方法監(jiān)控、檢測焊縫熔池的變化以及焊縫背面的成形，并根據(jù)成形的變化來實時調(diào)整機器人位置，從而獲得更好的焊縫成形。

焊接質(zhì)量控制技術(shù)主要包括：焊接熔池的變化和焊接過程的建模與控制器設(shè)計[4]。焊接熔池的變化監(jiān)控是焊縫成形質(zhì)量把控的一個重要步驟?；谝曈X傳感器的在線實時監(jiān)控，能夠直接反應(yīng)焊接過程中的焊接成形行為，因此此方法在焊接過程控制中經(jīng)常使用。另外，把握焊接參數(shù)與焊縫成形之間的規(guī)律，建立一個焊接成形的模型，這也是控制器的設(shè)計基礎(chǔ)。由于技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集合與粗糙集合等智能建模方法的提出與應(yīng)用，使得焊接成形的質(zhì)量控制技術(shù)得到了發(fā)展[4]。隨著對焊接過程的深入了解，建立的焊接過程模型更加準確，焊接成形質(zhì)量控制技術(shù)將會得到進一步發(fā)展。

5 結(jié)束語

隨著中國制造不斷向更高水平發(fā)展，新時期信息技術(shù)革命引領(lǐng)的智能化、數(shù)字化應(yīng)用在重型機械行業(yè)，將會推動焊接機器人與智能化、自動化控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，研發(fā)出新型的智能焊接技術(shù)。智能焊接技術(shù)的廣泛使用，能夠在一定程度上取代機械行業(yè)部分的勞動力，在提高生產(chǎn)效率的同時，也能夠生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，這將大力推動我國重型機械行業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，向智能化方向發(fā)展。