液壓支架焊接工藝裝備現狀與自動化焊接技術解決方案

摘 要：分析了我國液壓支架在生產加工中焊接工藝裝備的現狀， 結合焊接機器人技術的發展狀況， 提出了采用主從離場控制技術實現液壓支架焊接自動化的技術方案。

關鍵詞：液壓支架；焊接機器人；自動控制

1、國內液壓支架的生產現狀

液壓支架是煤礦綜合機械化開采的主要設備，除液壓元件以外， 其主體部件基本上都是形狀復雜的箱形焊接結構件。因此， 焊接是液壓支架產品制造中主要的加工工藝。按目前國內液壓支架產品的年產量計算， 每年用于液壓支架生產的焊接母材用量約為 40 多萬 t， 而焊縫充填量占工件總重量的3% ～ 4% ， 焊絲的有效消耗量達 2 萬 t， 焊接作業勞動強度很大。尤其是近年來， 隨著材料技術的發展，為減輕支架的重量， 設計上越來越多地使用高強度焊接材料。為保證高強度焊接材料的焊接質量， 工藝上需要對工件進行焊前預熱處理， 即使在炎熱的酷暑也是如此， 作業環境非常惡劣。在我國所有的液壓支架制造企業， 手工焊接至今仍然是唯一的焊接作業方式。人工施焊時， 焊接工人經常會受到心理、生理條件變化以及周圍環境的干擾。在高負荷的勞動強度和惡劣作業條件下， 操作工人容易疲勞，難以較長時間保持焊接工作穩定性和一致性， 最終會造成焊接質量的不穩定。國外先進的液壓支架生產商， 如 DBT 公司和JOY 公司已廣泛地使用焊接機器人或機器手代替或部分代替人工焊接。焊接機器人的應用， 不但改善了勞動環境、減輕勞動強度、提高生產效率， 更主要原因是焊接機器人工作的穩定性和焊接產品質量的一致性， 這對于保證批量生產的產品焊接質量至關重要。

多年來國內液壓支架產品的出口一直受到焊接工藝質量的困擾， 很難參與國際商務競爭。相反， 近年來， 國內市場已越來越多地受到國外企業高端液壓支架產品的挑戰。全球經濟復蘇而導致的國際能源緊張的局面為煤機制造企業創造了良好的發展機遇， 如何抓住機遇迎接挑戰是目前國內煤機制造企業所要面對和思考的問題。提高制造技術水平， 加強裝備現代化是必由之路。對液壓支架制造企業來說， 只能引用高新技術開發高端產品， 應用機器人焊接技術提高焊接質量和生產效率， 增加產品和企業的競爭力。

2、 機器人焊接技術的應用與研究現狀

從 20 世紀 70 年代初焊接機器人出現到現在，焊接機器人在國外已廣泛應用于汽車、摩托車、工程機械制造業。國內從引進焊接機器人到我國自行研制第1 臺弧焊機器人并開展機器人焊接技術領域的研究的近20 年來， 我國機器人焊接技術已有長足的進步。應用領域與國外先進國家相似， 主要分布于各大中城市的汽車、摩托車、工程機械等制造業， 其

中 55%左右為弧焊機器人， 45% 左右為點焊機器人。國內已有點焊、弧焊機器人設計制造能力的廠家近10 家， 表明我國機器人焊接技術已具有相當規模。

與國內外焊接技術和焊接裝備的發展極不協調的是， 在我國以焊接為主要制造工藝的煤機制造企業尤其是液壓支架制造企業， 焊接機器人的應用以及相關技術的研究幾乎處于空白狀態。導致這種情形的主要原因有 3 個方面：

（ 1） 進入市場經濟以后， 企業失去了國家在設備技術改造方面的投資。前些年持續多年煤炭行業的不景氣狀況導致煤機制造企業舉步維艱， 缺乏資金投入設備的技術改造和更新換代；

（ 2） 國內液壓支架制造行業尚未真正受到外國公司強有力的市場沖擊， 國內企業之間缺乏以更先進的制造技術取得市場競爭優勢的意識；

（ 3） 液壓支架產品由于其主體部件結構的復雜性和品種的多樣性， 使現在汽車、摩托車和工程機械等制造業中使用的已相當成熟的示教型和離線編程控制方式的焊接機器人在液壓支架產品的焊接加工中難以發揮作用， 而具有視覺功能的智能型焊接機器人尚在發展之中。

（ 3） 方面應該是問題的關鍵所在， 這就要求煤機制造企業主動與焊接機器人研究和制造單位接觸并進行合作， 如此才能使液壓支架以及整個煤機制造業趕上和保持與整個制造業快速發展的步伐。

3、液壓支架制造中實現自動化焊接的技術途徑

液壓支架產品的結構特點和生產特征主要表現為： 焊接結構部件都是幾何形狀比較復雜的多箱形結構， 焊縫多為三維直線和少量的弧線， 且數量多，路徑不規則； 焊縫的形狀和尺寸多變； 產品的批次變化快。

至今， 工業現場應用的弧焊機器人主要是示教再現型， 就液壓支架產品的結構特點和生產特征來說，存在許多不適應之處：弧焊機器人缺乏對環境、工件對象變化的自主適應能力；示教過程中機器人必須停止生產，這占用了生產時間，編程效率低， 尤其是對形狀復雜的空間曲線焊縫；焊槍的運行受結構空間的限制。用于液壓支架產品加工的焊接機器人應是基于視覺傳感器的具有自主適應能力的智能化焊接機器人。視覺系統是機器人智能化的最重要的內容，它可以識別三維空間焊縫位置及其附近表面形狀信息。基于三維空間圖像位置識別的空間視覺系統是目前機器人視覺系統研究的前沿課題，并已開始在焊接機器人上應用， 但遠未達到工業化應用的程度。在我國研制出可用于復雜箱型結構件焊接的全智能化焊接機器人尚需一定的時間，因此，在全智能化焊接機器人和示教型焊接機器人之間開發過渡性產品， 如所謂的主從遙控焊接系統，是一條有效的技術途徑。

這種半智能化的焊接設備可由機器手、視覺傳感器、顯示器和操縱控制器等組成，人可以離場作業， 用攝像機代替人眼， 用機器手代替人手， 而在遠離工件的操縱臺上有顯示器和模擬操縱桿， 作業人員在操縱臺上通過顯示器判斷焊縫和焊槍的位置， 通過模擬操縱桿控制焊槍的姿態和運動， 即所謂的主從遙控焊接系統。

由于主從遙控焊接系統不需要示教， 特別適合于結構復雜、批量小的特殊或人無法親臨的場合。人工參與操縱， 有效地解決了路徑規劃、焊槍姿態控制、起弧和收弧問題。視覺傳感器和智能控制器相結合可根據視覺傳感器得到的焊點處的具體情況對操縱人員的指令進行實時修正， 提高焊接質量。作業人員離場作業改善了勞動強度和作業環境以及由此而引發的焊接質量的不穩定問題。

參考文獻：

[ 1] 樊濱溫等。 遙操作空間機器人系統研究[ J ] 哈爾濱工業大學學報， 1999（1） ： 110- 113。

[ 2] 劉大勝。焊接機器人的現狀與發展[ J] 機器人， 2005（ 5） ： 42- 43。

[ 3] 毛鵬軍等。 焊接機器人技術發展的回顧與展望 [ J] 焊接， 2001（ 8） ： 6- 9。

[ 4] 呂偉新等。 面向空間應用的主從與自主式遙操作系統研究[ J ] 1997（ 1） ： 27- 30。

[ 5] 陳善本、吳林。 我國機器人焊接技術研究與應用概況 [ J] 1997（ 11） ： 2- 5。