作為焊接重型機(jī)械制造過程中的關(guān)鍵連接技術(shù)，焊接設(shè)備與機(jī)器人設(shè)備的聯(lián)合使用，推動(dòng)了焊接機(jī)器人智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，更好地服務(wù)于我國企業(yè)的生產(chǎn)。通過介紹焊接機(jī)器人在重型機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢，闡述了焊接機(jī)器人因產(chǎn)品需求不同而發(fā)展了不同的焊接機(jī)器人工作站，促進(jìn)了焊接機(jī)器人的智能化、自動(dòng)化發(fā)展，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了現(xiàn)場操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了焊接工作環(huán)境。闡述了焊接機(jī)器人在智能制造領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。

一

前言

重型機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是一個(gè)國家綜合國力的重要體現(xiàn)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有特殊地位。重型機(jī)械工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為我國礦業(yè)、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，智能裝備等技術(shù)將廣泛應(yīng)用于重型機(jī)械行業(yè)，推動(dòng)企業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)升級(jí)，使企業(yè)適應(yīng)現(xiàn)代化的步伐，向工業(yè)4.0的目標(biāo)邁進(jìn)。

焊接作為重型機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直發(fā)揮著重要的作用，決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和安全性。我國重型機(jī)械企業(yè)的發(fā)展模式一直是勞動(dòng)密集型，呈現(xiàn)出勞動(dòng)力成本低、工作環(huán)境差、技術(shù)對人的依賴性較大的特點(diǎn)。然而，隨著社會(huì)的進(jìn)步和新技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)發(fā)展的模式逐漸從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)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，重機(jī)行業(yè)的產(chǎn)品急需進(jìn)行生產(chǎn)工藝的升級(jí)改造。隨著焊接設(shè)備自動(dòng)化和智能化新技術(shù)的快速發(fā)展，有必要大力推廣使用智能焊接技術(shù)，逐步取代現(xiàn)有的落后技術(shù)，改善現(xiàn)場工作環(huán)境，提高工作效率[1]。

2

重型機(jī)械焊機(jī)的發(fā)展趨勢

面對新的競爭市場環(huán)境，重型機(jī)械行業(yè)正逐步向?qū)I(yè)化、裝備化、智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，以滿足產(chǎn)品升級(jí)的需求。焊機(jī)技術(shù)在重型機(jī)械行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了智能制造技術(shù)的升級(jí)，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。一般來說，專用焊機(jī)包括焊接操作設(shè)備、位移設(shè)備、控制設(shè)備和外圍安全設(shè)備等。，并可根據(jù)客戶的產(chǎn)品要求定制。它具有很強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性，應(yīng)用范圍廣。隨著新型傳感器、信息技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，特種焊機(jī)的發(fā)展正逐步走向智能化，以更好地滿足產(chǎn)品需求[2]。

由于定制需求，焊機(jī)技術(shù)應(yīng)用范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的自動(dòng)焊接。介紹了以下特種焊機(jī)在重型機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用。對于中厚度V型坡口管道的對接焊，我公司設(shè)計(jì)了一種帶有專用焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)軌道，并在軌道上進(jìn)行管道氬弧焊，如圖1a所示。

根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，我公司設(shè)計(jì)了一種XZ直線軌道，可以雙向運(yùn)動(dòng)。電弧焊炬安裝在行走軸的末端。堆焊產(chǎn)品時(shí)，焊縫的高度會(huì)逐漸增加，Z軸會(huì)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(chǎn)品的焊接軌跡為圓弧、坡口角焊和多層多道焊。根據(jù)產(chǎn)品的焊接特點(diǎn)，我公司開發(fā)的厚板專用弧焊機(jī)如圖1c所示。該專機(jī)包括行走軸、焊接設(shè)備、攝像照相、線激光和上位機(jī)控制系統(tǒng)。集成攝像拍照傳感器，可根據(jù)攝像拍照識(shí)別工件，生成電弧軌跡，并通過線激光傳感器修正焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，保證焊縫和焊接質(zhì)量的一致性。大厚度管道的埋弧焊如圖1d所示。該專用焊機(jī)集埋弧焊設(shè)備、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、X行走軸、機(jī)器人和弧焊設(shè)備等為一體。工作順序是外部設(shè)備控制變位機(jī)旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人弧焊設(shè)備對工件進(jìn)行打底焊接，然后用埋弧焊焊接填充蓋。

三

重型機(jī)械機(jī)器人焊接的發(fā)展趨勢

隨著傳感器和信息技術(shù)的快速進(jìn)步，焊接機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)也相應(yīng)發(fā)展起來，促進(jìn)了焊接機(jī)器人在許多行業(yè)的廣泛應(yīng)用。尤其是智能制造受到國家政策的支持，使得焊接機(jī)器人在重機(jī)行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛。由于焊接機(jī)器人的廣泛使用，在一定程度上提高了產(chǎn)品焊接生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，也有效改善了現(xiàn)場操作人員的工作環(huán)境[3]。焊接機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了研究、發(fā)展和成熟的過程，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到像人類一樣具有外部感知，能夠做出判斷和動(dòng)作，能夠適應(yīng)各種環(huán)境變化。根據(jù)客戶的不同需求，焊接機(jī)器人的應(yīng)用類型已經(jīng)從單機(jī)器人焊接工作站、單工位工作站和外部導(dǎo)軌集成發(fā)展到焊接機(jī)器人成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的組成部分。

圖2是一個(gè)簡單的焊接機(jī)器人工作站，主要由機(jī)器人、焊槍、焊機(jī)等設(shè)備組成。焊接產(chǎn)品為厚板，可通過編程實(shí)現(xiàn)電弧自動(dòng)焊接。重型機(jī)械行業(yè)產(chǎn)品的加工誤差可以通過機(jī)器人定位、電弧跟蹤等傳感器進(jìn)行修正，使機(jī)器人焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖3為主梁焊接機(jī)器人工作站，主要由機(jī)器人、焊槍和焊工、旋轉(zhuǎn)立柱、導(dǎo)軌和點(diǎn)激光器組成。焊接產(chǎn)品為大梁，通過參數(shù)化編程實(shí)現(xiàn)大梁的自動(dòng)焊接。該工作站主要利用上位機(jī)建立模型，通過通信將三維模型的參數(shù)傳輸給機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)焊接。

介紹了粉盒焊接機(jī)器人工作站，主要由機(jī)器人、定位器、行走導(dǎo)軌、焊槍、焊機(jī)和激光器等組成。待焊產(chǎn)品為粉盒，通過編程實(shí)現(xiàn)三工位產(chǎn)品的自動(dòng)焊接。該焊接機(jī)器人工作站采用外置激光傳感器進(jìn)行定位跟蹤，保證了產(chǎn)品焊接的一致性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。

四

重型機(jī)械智能焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢

4.1重型機(jī)械機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前國產(chǎn)機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)尤其是重型機(jī)械行業(yè)還無法與國外機(jī)器人“四大家族”抗衡，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及應(yīng)用還有很長的路要走。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國機(jī)器人在相關(guān)傳感和控制技術(shù)以及關(guān)鍵部件方面將逐步完善，在一定程度上，其性能和功能可以達(dá)到先進(jìn)水平。重機(jī)工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品是由許多結(jié)構(gòu)件組裝焊接而成的，在整個(gè)產(chǎn)品中起著承載作用，對這些結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能要求很高。由于這些結(jié)構(gòu)件的焊接量很大，采用機(jī)器人焊接具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是對于新產(chǎn)品的生產(chǎn)，現(xiàn)場調(diào)試的時(shí)間會(huì)很長，所以如何減少現(xiàn)場產(chǎn)品的示教過程，縮短產(chǎn)品的現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，降低生產(chǎn)節(jié)奏，提高產(chǎn)品的制造效率，增加企業(yè)的效益，是很多企業(yè)迫切需要解決的問題。

(1)離線仿真技術(shù)的發(fā)展

“四大家族”品牌機(jī)器人都有離線仿真軟件。該軟件可以在虛擬工作平臺(tái)上編寫機(jī)器人程序和邏輯指令，無需現(xiàn)場示教編程，減少了現(xiàn)場示教時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率?？梢耘鋫淠M實(shí)際工作站的平臺(tái)，編寫程序，將生成的生產(chǎn)作業(yè)程序通過外部移動(dòng)設(shè)備導(dǎo)入田間機(jī)器人的控制器進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。各大機(jī)器人廠商的仿真軟件各有特色。ABB的機(jī)器人仿真軟件是Robotstudio。在該軟件上，可以編寫產(chǎn)品的焊接程序，包括擺動(dòng)、電弧跟蹤和激光跟蹤，還可以編寫循環(huán)指令和選擇語句。

圖5示出了結(jié)構(gòu)部件的底架，其使用離線模擬軟件來模擬工件的可達(dá)范圍。使用該軟件，需要導(dǎo)入機(jī)器人模型、焊槍和整個(gè)工作站模型，以承載實(shí)際場景的實(shí)際圖形。然后編寫運(yùn)動(dòng)程序，針對工件的焊接位置編寫焊接程序、焊槍清洗程序和邏輯程序。

(2)基于視覺的實(shí)時(shí)在線技術(shù)，無需編程。

目前國內(nèi)幾大機(jī)器人廠商如Eft、錢江等都有開源的控制系統(tǒng)，國內(nèi)外集成商都可以開發(fā)。集成商可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行二次開發(fā)，讓機(jī)器人適應(yīng)新的環(huán)境。集成商將各種傳感器與機(jī)器人結(jié)合起來，形成一種新的智能機(jī)器人技術(shù)，更加智能。

智能焊接機(jī)器人工作站主要由視覺傳感器、線激光器、點(diǎn)激光器、機(jī)器人、焊機(jī)、外部跟蹤、上位機(jī)軟件開發(fā)等設(shè)備組成。這個(gè)工作站不需要現(xiàn)場編輯程序。通過運(yùn)行計(jì)算機(jī)上的軟件，可以生成機(jī)器人軌跡。該工作站可改善現(xiàn)場操作人員的工作環(huán)境，無需編程或任何位置修正即可直接焊接。

4.2重型機(jī)械智能焊接的發(fā)展趨勢

由于以前重機(jī)行業(yè)的焊接都是依靠手工焊接，焊接質(zhì)量都取決于焊工的實(shí)際技術(shù)水平和焊工自身素質(zhì)，焊接質(zhì)量很難控制，焊接質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。焊接質(zhì)量控制技術(shù)，利用視覺傳感方法監(jiān)測和檢測焊接熔池的變化和焊縫背面的形成，并根據(jù)形成變化實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人位置，從而獲得更好的焊縫形成。

焊接質(zhì)量控制技術(shù)主要包括焊接熔池變化、焊接過程建模和控制器設(shè)計(jì)。監(jiān)控焊接熔池的變化是控制焊縫成形質(zhì)量的重要步驟?；谝曈X傳感器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測可以直觀地反映焊接過程中的焊接成形行為，因此這種方法常用于焊接過程控制。此外，掌握焊接參數(shù)與焊縫成形之間的規(guī)律，建立焊接成形模型也是控制器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集、粗糙集等智能建模方法的提出和應(yīng)用，使得焊接成形質(zhì)量控制技術(shù)得到了發(fā)展。隨著對焊接過程認(rèn)識(shí)的深入，所建立的焊接過程模型會(huì)更加準(zhǔn)確，焊接成形質(zhì)量控制技術(shù)也會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

五

結(jié)束語

隨著中國制造不斷向更高水平發(fā)展，新時(shí)代信息技術(shù)革命引領(lǐng)的智能化、數(shù)字化在重型機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用，將推動(dòng)焊接機(jī)器人與智能、自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合，發(fā)展新型智能焊接技術(shù)。智能焊接技術(shù)的廣泛使用可以在一定程度上替代機(jī)械行業(yè)的部分勞動(dòng)力。在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還能生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。這將有力推動(dòng)我國重型機(jī)械行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，向智能化發(fā)展。