重型機械智能焊接應用現狀及其發展趨勢

黃建鵬

上海振華重工股份有限公司 上海 200215

1 序言

重型機械行業是國民經濟發展的基礎，是一個國家綜合國力的重要體現，在國民經濟發展中占據著特殊位置。重型機械行業的發展成為我國礦山開采、能源開發、原材料生產等基礎工業發展的重要保障。隨著中國制造的快速發展，智能化裝備等技術在重型機械行業將會得到廣泛應用，促進企業的產品技術升級，使企業更能適應現代化發展腳步，向工業4.0目標邁進。

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

2 重型機械焊接專機發展趨勢

面對新型的競爭激烈的市場環境，重型機械行業逐步向專業化、裝備化、智能化和自動化發展，來應對產品升級的需求。焊接專機技術在重型機械行業已經得到廣泛的應用，促進了企業智能制造技術的升級換代，增加了企業的經濟效益。焊接專機一般包括焊接操作設備、變位設備、控制設備及外圍安全設備等，并且可以按照客戶的產品需求進行定制化設計，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、信息技術和機器人技術的發展，焊接專機的發展也在逐步邁向智能化，以更好地適應產品需求[2]。

焊接專機技術由于定制化需求，因此應用范圍非常廣，可以實現很多種類的產品自動化焊接。以下介紹幾種焊接專機在重型機械行業的應用。

對于中厚度V形坡口管道對接焊接，我公司設計了一個回轉軌道，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。

針對產品的特性，我公司設計了一個XZ直線軌道，可以實現兩個方向的運動，在行走軸端部安裝弧焊焊槍。在對產品進行堆焊焊接時，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。

重磅板產品的焊縫軌跡為圓弧，坡口角焊縫且為多層多道焊接。根據產品的焊接特性，我公司開發的重磅板圓弧焊接專機如圖1c所示。此專機包括行走軸、焊接設備、相機拍照和線激光以及上位機控制系統，集成了相機拍照傳感器，可以根據相機拍照識別工件，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備、旋轉變位機、X行走軸、機器人和弧焊焊接設備等。工作順序為外部設備控制變位機旋轉，機器人弧焊焊接設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展趨勢

隨著傳感和信息技術的快速進步，伴隨而來的焊接機器人相關技術也得到相應的發展，促使焊接機器人在許多行業得到廣泛應用，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應用最為廣泛。由于焊接機器人廣泛的使用，故在一定程度上提高產品焊接生產的效率和質量，也有效地改善了現場操作工的工作環境[3]。焊接機器人技術經歷了研究、發展到成熟過程，現在已經發展到具備像人類感知外部，且能夠做出判斷和行動，可以適應各種環境的變化。根據客戶的不同需求，焊接機器人的應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，發展到焊接機器人成為一個自動化生產線的組成部分[3]。

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

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、旋轉立柱、導軌和點激光等設備組成，焊接的產品為大梁，通過參數化編程實現大梁自動焊接。此工作站主要是采用上位機建立模型，將三維模型的參數輸入經過通信傳輸給機器人，實現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、焊機和激光等設備組成，焊接的產品為粉體箱體，通過編程實現3個工位產品自動焊接。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，保證了產品焊縫焊接的一致性，實現產品焊接質量穩定。

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展趨勢

4.1 重型機械機器人焊接技術發展趨勢

目前，國內的機器人在各個行業應用上，尤其是重型機械行業，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用還需要一段很長的路要走。隨著科學技術向前發展，我國機器人將會在相關的傳感和控制技術以及關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。重型機械行業生產的產品都是由許多結構件拼裝焊接而成的，在整個產品中起著承載作用，對這些結構件的結構性能要求高。由于這些結構件焊接量多，因此采用機器人焊接，具有很重要的現實意義。然而，對于新產品的生產，由于現場調試時間會很長，因此如何減少企業現場產品的示教過程，縮短產品現場調試時間，降低生產節拍，提高產品的制造效率，增加企業效益，是很多企業亟需解決的問題。

（1）離線仿真技術的發展 “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，不需要在現場進行示教編程，減少了現場示教時間，提高了生產效率。可以搭載一個與實際工作站模擬平臺，編寫程序，將生成的生產運行程序，通過外部移動設備將此程序導入現場機器人的控制器，進行生產運行。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，也可以編寫循環指令for和選擇語句if else。

圖5所示為某結構件底架，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 離線仿真技術可達范圍計算

（2）基于視覺的實時在線無需編程技術 目前，國內的幾大機器人廠商，如埃夫特、錢江等，控制系統都具備開源特點，均可面向國內外集成商進行開發。集成商可以根據客戶需求來進行二次開發，讓機器人能夠適應新的環境。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，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軟件等設備組成。此工作站不需要進行現場編輯程序，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場操作人員的工作環境，可以不在現場進行編程，也無需在現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展趨勢

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

焊接質量控制技術主要包括：焊接熔池的變化和焊接過程的建模與控制器設計[4]。焊接熔池的變化監控是焊縫成形質量把控的一個重要步驟。基于視覺傳感器的在線實時監控，能夠直接反應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常使用。另外，把握焊接參數與焊縫成形之間的規律，建立一個焊接成形的模型，這也是控制器的設計基礎。由于技術的發展，現代神經網絡、模糊集合與粗糙集合等智能建模方法的提出與應用，使得焊接成形的質量控制技術得到了發展[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，焊接成形質量控制技術將會得到進一步發展。

5 結束語

隨著中國制造不斷向更高水平發展，新時期信息技術革命引領的智能化、數字化應用在重型機械行業，將會推動焊接機器人與智能化、自動化控制系統結合在一起，研發出新型的智能焊接技術。智能焊接技術的廣泛使用，能夠在一定程度上取代機械行業部分的勞動力，在提高生產效率的同時，也能夠生產出更好的產品，增加企業的經濟效益，這將大力推動我國重型機械行業技術轉型升級，向智能化方向發展。