自動化焊接設(shè)備在工程機械制造中的應用研究

田鵬　廖秋琴

摘要：近年來，工程機械焊接自動化已經(jīng)不是一個新鮮的詞匯，中國的工程機械制造行業(yè)迎來了歷史的轉(zhuǎn)型期，自動化焊接設(shè)備的接入決定了企業(yè)的生產(chǎn)能力及核心競爭力。文章針對自動化焊接設(shè)備在工程機械制造中的應用進行了研究。

關(guān)鍵詞：自動化焊接設(shè)備；工程機械制造；自動化焊接專機；焊接機器人；焊接電源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG43 文章編號：1009-2374（2016）14-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.023

工程機械制造業(yè)是推動經(jīng)濟社會發(fā)展的重要一環(huán)，無論是從國家戰(zhàn)略角度，還是市場經(jīng)濟角度，加速工程機械制造企業(yè)的發(fā)展都是重要的戰(zhàn)略目標。在這種環(huán)境下，要想成為行業(yè)的領(lǐng)軍人物和領(lǐng)跑者，如何應對自動化焊接設(shè)備這項機遇和挑戰(zhàn)成為企業(yè)成敗的關(guān)鍵。本文將就自動化焊接專機和焊接機器人作為切入點，進行結(jié)構(gòu)及特點上的比較分析，并對自動化焊接設(shè)備的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行簡單討論。

1 自動化焊接設(shè)備

1.1 自動化焊接設(shè)備概述

焊接自動化是指將自動化、智能化的控制系統(tǒng)和焊接工具有機結(jié)合，如焊接胎夾具、裝夾定位和運動系統(tǒng)等，實現(xiàn)效率、質(zhì)量的大浮動提升和人工等成本的降低，主要應用于大規(guī)模的批量生產(chǎn)。自動化焊接設(shè)備主要常用設(shè)備包括自動化焊接專機和焊接機器人等。自動化焊接專機和機器人的使用大大提高了生產(chǎn)效率，提升了制造質(zhì)量，同時也減輕了工人的工作量和工作強度，最為重要的是自動化設(shè)備的應用實現(xiàn)了二十四小時的連續(xù)穩(wěn)定工作，極大程度地代替了人工勞動。在工程機械、礦山機械和船舶制造等需要廣泛應用焊接技術(shù)的行業(yè)，自動化焊接設(shè)備的應用是一項重大的科技改革，起到了提高企業(yè)生產(chǎn)能力的決定作用。

1.2 自動化焊接設(shè)備的主要特點

自動化焊接設(shè)備主要具備以下四個特點：

1.2.1 大型化、組合化。目前已研制成功多種大型的自動化焊接設(shè)備，用于大型或中型的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，如中重型厚壁容器焊接中心、箱型梁焊接生產(chǎn)線、集裝箱外殼整體組裝焊接中心等。有些大型的焊接中心占地面積可達整個車間。

1.2.2 數(shù)字化、智能化。焊接過程中的數(shù)字化、智能化的實現(xiàn)要復雜得多。數(shù)字化、智能化控制不僅需要考慮到焊件接縫裝配間隙的誤差，還要考慮到焊件的形狀和焊接過程發(fā)生的熱變形等，因此對傳感技術(shù)的要求特別高，同時還需要先進的自適應控制系統(tǒng)作為技術(shù)支持。針對復雜程度較高的焊接工作，甚至還需要計算機軟件的輔助。

1.2.3 高精度、高質(zhì)量。一般來說，焊接機器人和焊接操作機行走機構(gòu)的定位精度在0.1毫米之內(nèi)，與焊接機器人配套的焊接變位機的定位精度在0.05毫米以內(nèi)，因此自動化焊接設(shè)備一直受到大型工程機械制造企業(yè)的青睞。

1.2.4 管控一體化。利用多種計算機軟件，通過局域網(wǎng)將生產(chǎn)、制造的管理系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，實現(xiàn)脫機工作和遠程監(jiān)控等，在出現(xiàn)故障時，也可以通過自動化的管控實現(xiàn)診斷和維修。

2 自動化焊接專機與焊接機器人的比較分析

2.1 自動化焊接專機的結(jié)構(gòu)及應用

2.1.1 自動化焊接專機結(jié)構(gòu)。自動化焊接專機主要由焊接系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。需要人工或機械手來上下工件，通過焊接夾具完成工件的固定和定位，并自動啟動電源的電弧，自動送絲、自動移動、自動退回，人工或機械手再取下工件。焊接系統(tǒng)包括焊接電源和焊槍，機械系統(tǒng)主要由床身機構(gòu)、工裝夾具、工件輔助支撐機構(gòu)、焊槍微調(diào)機構(gòu)、焊接工件和焊槍移動機構(gòu)組成。電氣系統(tǒng)主要控制夾具的裝夾和定位，焊機的啟動和停止，焊槍或工件的運動，輸送裝置等。

2.1.2 自動化焊接專機的應用。自動化焊接專機主要采用雙絲焊接，如在推土機的生產(chǎn)中，可以應用于主臂焊接、車架的主焊縫等。焊接專機的使用大大提高了生產(chǎn)效率，一般為人工單絲焊接的2倍，此外同人工焊接相比，焊接專機焊接的焊縫沒有斷弧，且雙絲焊接的熔深比較深，因此提高了焊縫的力學性能。自動化焊接專機自適應控制類專機，是一種自動化程度較高的焊接設(shè)備，通過配備的傳感器和電子檢測線路，對焊縫的軌跡自動跟蹤導向，有的甚至可以完成對參數(shù)的設(shè)置和調(diào)試。此外還有智能化的焊接專機，能夠利用高等級的傳感器，如視覺傳感器、觸角傳感器和光敏傳感器，配合計算機系統(tǒng)、軟件、數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能化的參數(shù)調(diào)試，人工操作簡便，但是由于很多條件限制，實際生產(chǎn)工作中還很少被應用。與焊接機器人相比，自動化焊接專機具有更高的性價比。焊接自動化專機對焊件的直線和曲線焊縫的焊接具有一定優(yōu)勢，適合大批量的生產(chǎn)。不但焊接效率高，焊接過程中焊件變形小，焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，同時操作簡便、成本低廉、工作安全可靠，因此在實際工程機械制造中得到廣泛的應用。

2.2 焊接機器人的結(jié)構(gòu)及應用

2.2.1 焊接機器人的結(jié)構(gòu)。焊接機器人結(jié)構(gòu)主要有機器人本體和控制器、焊接電源、機器人外部軸行走機構(gòu)、焊接變位機和夾具、操作軟件和弧焊軟件包、傳感系統(tǒng)、工作站輔助及除塵系統(tǒng)等。機器人本體和控制器是焊接機器人工作站的重中之重，一般為六軸關(guān)節(jié)型，具有較強的負載能力和堅固的剛性結(jié)構(gòu)，使用壽命較長，一般可使用十五年以上。機器人系統(tǒng)采用數(shù)字化控制技術(shù)，通過數(shù)字總線連接系統(tǒng)的各個部分，保證其不受周圍的磁場干擾。機器人控制系統(tǒng)采用多處理器的中央處理系統(tǒng)，具有充分的擴展空間和穩(wěn)定性，保證焊接的高精度和高質(zhì)量。在焊接電源的選擇方面，由于焊接機器人需要較大規(guī)格的焊絲和電流，因此應保證在該電流下暫載率達到100%。建議選擇國際一流品牌的全數(shù)字的逆變脈沖焊接電源或機器人公司自有品牌，以保證良好的接口。機器人的外部軸行走機構(gòu)是為了應對大型焊件，用來擴大機器人的工作范圍使用。機器人外部軸行走機構(gòu)由機器人控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，外部軸與本體軸運動協(xié)調(diào)一致進行運動。在選擇方面，同樣建議選擇國際一流品牌以確保高精度焊接，具有良好的穩(wěn)定性和靈活性，避免發(fā)生較大搖晃和抖動情況發(fā)生。

焊接變位機和夾具是為了保證焊接時焊縫的位置，一般將變位機的回轉(zhuǎn)軸作為機器人外部軸，在焊接時與機器人相互協(xié)調(diào)。優(yōu)質(zhì)的夾具有足夠的剛性，能夠夾緊焊件而不變形。操作軟件和弧焊軟件包應具備基本的常用功能，如外部軸與機器人控制功能、傳感跟蹤功能、協(xié)調(diào)參數(shù)功能、自我診斷功能、數(shù)據(jù)庫及編程功能等。此外還需要足夠的功能接口，如打印機、傳感器和局域網(wǎng)連接接口等。一般來說，傳感系統(tǒng)要包括焊絲接觸尋位、電弧跟蹤和激光跟蹤等。焊絲的接觸尋位主要用于尋找焊縫的起始點。電弧跟蹤主要起到修正焊縫偏差的功能，焊槍在擺動中，通過檢測電壓和電流，進行位置的調(diào)整。激光跟蹤功能具有較強的抗干擾能力，兼具尋位和電弧跟蹤動能，一般在打開激光跟蹤時會自動關(guān)閉電弧跟蹤和接觸尋位，精度較高，并且速度快，因此價格也很高。最后一部分即工作站輔助裝置和除塵系統(tǒng)，如保障工作人員安全和保養(yǎng)設(shè)備、增加使用壽命的作用。在有人進入機器人工作的封閉環(huán)境時，系統(tǒng)會自動啟動安全模式，停止工作。

2.2.2 焊接機器人的應用。目前知名的焊接機器人仍占主導地位，焊接機器人具有柔性化和數(shù)字化程度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接精度高等特點，在改善焊接產(chǎn)品質(zhì)量、提高機械制造企業(yè)生產(chǎn)能力和競爭力方面起到了重要作用。焊接機器人能自動進行調(diào)試以適應不同的焊件，特別適合工程機械制造中品種多、批量小、更新速度快的特點。在復雜的焊件中，焊接機器人的表現(xiàn)也更好，能夠適應復雜的焊縫。但同樣，焊接機器人也具有成本高、操作難度較大的缺點，如弧焊機器人，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜且涉及到機器人運動的控制系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、變位系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的運作，對進口產(chǎn)品依賴較大，暫時還不具備生產(chǎn)水平，價格較高，因此主要應用于大型機械制造企業(yè)。除了成本高和操作難度大等問題，在零件的制作和組裝的精度上還需要進一步提高，尤其體現(xiàn)在工程機械制造行業(yè)：一方面經(jīng)常會出現(xiàn)焊縫無法跟蹤的情況，采用接觸尋位的效率也不盡如人意；另一方面，在焊縫間隙過大時，需要手工打底，要提高零件的精度不但成本過高，而且也無法保證位置精度。此外，在焊接機器人焊接完成后，往往還需要人工補焊，如焊槍無法進入的較小的縫隙和位置偏離。顯然，人工智能還遠遠不如人類智能，因此還需要不斷改進和研究。

3 自動化焊接設(shè)備的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 自動化焊接設(shè)備應用現(xiàn)狀

由于工程機械制造企業(yè)之間生產(chǎn)水平和綜合能力相差較大，在自動化焊接設(shè)備的使用上也存在較大差距。通過對工程機械制造企業(yè)的調(diào)查比較，如三一重工、山推、太原重工等國內(nèi)知名企業(yè)和部分中小型企業(yè)，比較發(fā)現(xiàn)，我國自動化裝備在工程機械制造行業(yè)應用率還比較低。隨著工業(yè)水平的進一步發(fā)展，自動化焊接設(shè)備所占比重也逐年增加，尤其是大型工程機械制造企業(yè)，是焊接機器人的主要使用群體，而中小型的機械制造企業(yè)還相對落后，急需提高自動化焊接設(shè)備的使用率。

3.2 自動化焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢

近十年來，自動化焊接設(shè)備的類型和種類都有很大的發(fā)展，自動化焊接技術(shù)也有了長足進步。從傳統(tǒng)的焊接操作機、座式變位機、滾輪架和翻轉(zhuǎn)機等，到如今系統(tǒng)化、智能化的焊接專機、焊機生產(chǎn)線和機器人設(shè)備。就焊接操作機而言，從傳統(tǒng)的立柱橫梁式操作機，到現(xiàn)在多種結(jié)構(gòu)形式的龍門式、門框式、臺式、側(cè)梁式等，可以發(fā)現(xiàn)，焊接操作機的種類越來越多，規(guī)格越來越大型化，如10m×10m的重型載人立柱橫梁式操作機，自動化焊接設(shè)備不斷滿足人們的生產(chǎn)需求，在探索、實踐中不斷完善和進步。自動化焊接設(shè)備不但具有高效率、低成本的優(yōu)勢，還能夠有效地減少傳統(tǒng)手工焊接作業(yè)對工人的身體健康造成的危害。傳統(tǒng)手動焊接作業(yè)很容易受到弧光和高溫的輻射，同時勞動強度較大，不適合于長時間連續(xù)操作。另外，自動化焊接設(shè)備能夠滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝對品質(zhì)的更高要求，對提升企業(yè)形象和核心競爭力具有關(guān)鍵作用?？梢灶A計，隨著世界制造產(chǎn)業(yè)重心的轉(zhuǎn)移和我國制造業(yè)的快速發(fā)展，高度自動化的焊接設(shè)備應用已成為必然的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

隨著工程機械行業(yè)的不斷發(fā)展，對質(zhì)量和產(chǎn)能的要求也越來越高，自動化水平較高的自動化焊接專機和焊接機器人由于其高質(zhì)量、高效率等優(yōu)勢，越來越受到眾多工程機械制造企業(yè)的青睞和推崇，因此，自動化焊接設(shè)備的推廣和普及是工業(yè)社會發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻

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作者簡介：田鵬（1994-），男（土家族），重慶人，長江師范學院機械與電氣工程學院學生。

（責任編輯：蔣建華）