自動化焊接設備在工程機械制造中的應用

中聯重科環衛公司 （湖南長沙 410013） 宋大春

一、焊接專機和焊接機器人概述

筆者所在集團公司屬于工程機械行業，其使用的自動化焊接設備主要包括自動化焊接專機和焊接機器人。使用焊接專機和機器人能提高效率、提升質量、減輕工人勞動強度和和防止職業病危害；同時由于能夠24h連續的穩定工作，所以還可以代替多個人工。

例如，焊接專機比較典型的有：湖南藍天焊接科技有限公司生產的汽車起重機吊臂焊接線，如圖1所示；唐山開元自動焊接裝備有限公司生產的管件相貫線切割專機；成都思爾特機器人科技有限公司生產的耳鉸與弦桿定位焊及自動焊專機系統。

圖1

集團各分公司還有各種弧焊機器人數十套。早期主要有IGM、唐山開元（如汽車起重機車架箱體焊接機器人工作站）等，近兩年主要有CLOOS、ABB、REIS等。以臂架焊接的結構一車間為例：有臂架外焊縫焊接ABB機器人工作站5套，臂架焊接CLOOS機器人工作站一套，腹板焊接REIS機器人工作站兩套，如圖2所示；以及2013年初投入使用的全球首條泵車臂架焊接柔性生產線，運用模塊化、柔性化組合鉚焊工裝技術、包括AGV智能化輸送控制技術、使用CLOOS機器人工作站實現三維曲線焊縫自動化焊接等，實現了臂架多品種、小批量產品的全流水線化生產。以上工作站全部采用雙機器人形式。又如在常德攪拌車生產車間，使用兩套REIS機器人工作站分別焊接攪拌筒內螺旋葉片和外焊縫中的直焊縫（外環焊縫則使用一套焊接專機），外焊縫機器人工作站焊速高達900mm/min。

以上機器人工作站都使用正常，CLOOS、ABB、REIS等使用性能良好。

圖2

二、焊接專機和焊接機器人特點比較

焊接專機雖然柔性較差，但特別適用于大批量、焊縫比較簡單的長直焊縫和圓環焊縫的形式，此時選用焊接專機更合適，既能滿足要求，價格又比較便宜，性價比高。

焊接機器人工作站自動化程度、精度更高，通過改變程序和示教能很方便的適應不同工件，特別適合目前工程機械中多品種、小批量、產品更新迅速的特點，并能適應比較復雜的焊縫。但價格較貴，對操作者的技能要求較高，一般大型企業用得較多。

三、焊接機器人的結構及技術要求

特別近兩三年來，焊接機器人的使用出現井噴，一套典型的機器人工作站一般包括以下幾個部分。

1. 機器人本體和控制器

機器人本體和控制器是工作站的心臟部分，機器人本體一般為6軸關節型，要求具有堅固剛性結構和負載能力，不含放射性及腐蝕性材料，使用壽命超過15年。機器人關節軸采用交流伺服電動機驅動，路徑測量系統提供數字式絕對位置信息，具有優良動態特性保證焊接精度，并配有斷電剎車裝置（保證人身安全），重復定位精度≤±0.1mm。

機器人整個系統采用全數字化控制技術，系統各部分通過數字總線連接，由工業控制計算機實現數字化控制，不受周圍配電系統的電磁場干擾，保證焊接的絕對再現性。

機器人控制系統中央處理單元應采用多處理器系統設計，具有充分的擴展空間、高穩定性，在最短的插補周期保證機器人和外部軸高速運行時的高軌跡精度。輸入/輸出通過總線連接。

示教器要求易于學習和提供給用戶友好的“人-機”操作界面，且應為中/英文操作界面和顯示、可實時顯示焊接過程中的各種參數，示教器線纜外層具有耐磨保護套。

對于電控柜、操作系統等，為保持可靠、穩定，應做好防塵措施，必要時設置專門控制室。

2. 焊接電源

焊接電源建議優先選用國際一流品牌的全數字逆變脈沖焊接電源，如原裝進口的奧地利福尼斯焊接電源，或機器人本體公司的自有品牌焊接電源，所選焊接電源與機器人控制系統有良好接口。帶焊接專家參數，焊接參數數字顯示；焊接數據由示教器輸入，并在焊接過程中可在線修正；起弧成功率高，焊接回燒脈沖收弧填滿弧坑且無小球；焊接中斷點的重熔與覆蓋；焊滴準確脫離，形成低飛濺和高質量外觀焊縫；平行擺動能快速識別和均勻填充焊縫；焊槍無漏電、漏水、漏氣、漏油；使用盤裝及桶裝焊絲，送絲速度0～24 m/min等。

由于機器人焊接時常常采用比手工焊接大一個規格的焊絲和焊接電流，故選擇焊接電源規格時還應注意保證該電流下暫載率應能達到100%。

清槍剪絲噴硅油裝置應能夠穩定的清除飛濺和噴射硅油；剪絲可靠，保證干伸長一致。

3. 機器人外部軸行走機構（俗稱龍門架）

對于大型工件，為了擴大機器人的工作范圍，一般都配備有外部軸行走機構，由機器人控制系統一體控制、外部軸運動與機器人本體軸協調一致運動；機器人往往采用倒掛方式裝在龍門架上，以保證焊槍有更好的可達性；為保證精度，應采用國際一流品牌的伺服電動機、減速機、直線導軌、齒輪齒條及軸承、電器元件等；同時應具備導軌、齒輪齒條的集中潤滑系統，導軌還應加防塵和防飛濺護罩。

在機器人系統所有外部軸參與機器人本體聯動的情況下，要求運動平穩靈活，不發生大的抖動、搖晃、不出現機器人內部雜音，經往返100次，位置平均重復精度≥±0.2mm。

4. 焊接變位機和夾具

為保證焊接時焊縫均能處于平焊或船形焊位置，機器人工作站往往都帶有焊接變位機，變位機的各回轉軸作為機器人系統的外部軸，可在焊接時與機器人協調運動，同時變位機的高度應注意裝卸工件的方便性。夾具應有足夠剛性，并盡可能采用快速夾緊機構，夾具夾持工件時不得產生變形。工件在夾具上裝卸時間應盡可能短。

為保證精度，變位機中應采用國際一流品牌的伺服電動機、精密減速機。變位機和夾具上的焊接結構件應進行去應力退火。

5. 操作軟件和弧焊軟件包

操作軟件和弧焊軟件包應具有以下最常用的功能：外部軸與機器人聯動控制功能、焊接橫向和縱向擺動功能、傳感及跟蹤功能、實時調整焊接參數功能、多層多道焊功能、斷點續焊功能、自診斷與自保護功能、數據庫存儲/調用功能、示教編程、離線編程。能對焊接過程進行模擬。有足夠的功能接口：打印機連接、焊機的串行控制、焊機的模擬接口、焊機的數字接口、LAN(局域網)接口、傳感器系統耦合及域總線系統。

6. 傳感系統

傳感系統應包括焊絲接觸尋位、電弧跟蹤、激光跟蹤等。

焊絲接觸尋位：一般用于找出各條焊縫的起始點。該功能要求不受工件表面油漆的影響。

電弧跟蹤：在焊接過程中焊槍擺動，通過檢測焊接電壓、電流的變化，在線自動修正實際焊縫與編程位置的偏差。

激光跟蹤：兼具接觸尋位和電弧跟蹤的功能，激光跟蹤器有較強的抗干擾能力，如抗煙塵、抗飛濺、抗高頻電磁干擾、抗反光等。激光跟蹤精度較高，且速度快，但價格也很高；當打開激光跟蹤時電弧跟蹤和接觸尋位往往會被關閉；比較好的激光跟蹤器有加拿大SERVO和英國META。比如，本公司的REIS工作站就采用SERVO的POWER-CAM激光跟蹤器。

7. 工作站輔助裝置及除塵系統

機器人工作時是全封閉的，當有人進入安全圍欄內時，擋住光柵感應器接收光線，系統即全部自動停止工作，保證人身安全。如果車間裝有整體除塵系統，則無需除塵系統。

四、焊接機器人有待繼續提升的地方

一般來說，對焊接質量影響最大的是機器人本體（及控制器）、焊接電源、傳感系統、外部行走機構和變位機。對焊接效率影響最大的是機器人本體（及控制器）、焊接電源、傳感系統，其中尤以傳感系統最為關鍵。

在工程機械行業，由于零件制作精度和組裝精度不是很高，導致機器人焊接主要存在以下問題：

第一，焊縫無法跟蹤或尋位效率太低：例如對焊接時不擺動的焊縫、對接焊縫、焊腳高等于板厚的搭接焊縫都無法使用電弧跟蹤，此時只能靠每條焊縫多增加接觸尋位點（一般尋位一個點約10s），這就造成有時候效率反而比焊條電弧焊還低。另外，對縫隙很小的對接焊縫使用激光跟蹤也會有問題，同時由于激光跟蹤器是在焊槍前端，在直角轉彎處需進行處理。

第二，當焊縫間隙過大（大于3mm）時要先手工打底，因為再提高零件精度成本可能會過高，同時工裝也無法保證每條焊縫的位置精度。

第三，機器人焊接后往往還要有補焊工序，因為經常存在以下情況：較小尺寸的空間焊縫（如小銳角三角形區域）焊槍無法進入；焊縫無法跟蹤或跟蹤偏離；焊縫多、短、且位置復雜，尋位效率太低，此時不如使用手工補焊更合理。

第四，目前機器人智能明顯不如自然人，比如當一條焊縫分叉為兩條焊縫時，機器人無法自動處理。

上述情況都會導致焊達率不高，有的只有80%，反而還比人工多出打底、補焊工序。使焊接機器人的應用達不到預期效果。

鑒于上述問題，機器人焊接需要提升的地方：

第一，開發可靠性高，并完全適用于角焊縫、搭接焊縫、對接焊縫的實時跟蹤技術（目前僅僅只比較好地解決了角焊縫得跟蹤問題），盡可能減少后續補焊工作量。

第二，增加機器人的人工智能，使之能夠根據焊縫間隙自行判斷并進行打底焊，取消人工打底。