自動(dòng)化焊接設(shè)備在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用探討

陳明凱

摘 要：自動(dòng)化焊接設(shè)備在機(jī)械工程制造中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，是提升機(jī)械生產(chǎn)制造能力的關(guān)鍵。文章首先對(duì)自動(dòng)化焊接設(shè)備進(jìn)行總體概述，分別介紹焊接專機(jī)與焊接機(jī)器人的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，探討自動(dòng)化焊接設(shè)備的工程應(yīng)用，包括控制系統(tǒng)、焊接電源、龍門架、軟件系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等的應(yīng)用，并分析其應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化焊接設(shè)備；工程機(jī)械制造；自動(dòng)化焊接專機(jī)；焊接機(jī)器人；應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TQ176.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）07-0153-02

Abstract： Automatic welding equipment has been widely used in mechanical engineering manufacturing， which is the key to improve the manufacturing capability of machinery production. Firstly， this paper gives a general overview of the automatic welding equipment， and introduces the characteristics of special welding machine and welding robot respectively. On this basis， the engineering application of automatic welding equipment is discussed， including the application of control system， welding power source， gantry frame， software system and sensing system.

Keywords： automatic welding equipment； construction machinery manufacturing； automatic welding machine； welding robot； application development trend

前言

自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械生產(chǎn)制造中的應(yīng)用極大的提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要源動(dòng)力。無論是從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)角度還是提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，都應(yīng)積極引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備，充分發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，減少生產(chǎn)過程中對(duì)人的依賴性，從而降低人工成本和工作勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，應(yīng)結(jié)合技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和工程實(shí)際應(yīng)用情況展開研究，對(duì)加速工程機(jī)械制造企業(yè)的發(fā)展都有重要的戰(zhàn)略意義。

1 自動(dòng)化焊接設(shè)備概述

在工程機(jī)械制造行業(yè)，自動(dòng)化焊接設(shè)備主要是指焊接專機(jī)和焊接機(jī)器人，自動(dòng)化焊接設(shè)備能夠穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均勻一致性；提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率；改善工人勞動(dòng)條件；減少了煙塵、弧光及飛濺對(duì)人員健康的危害；降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求；減少了其他相應(yīng)設(shè)備的投資；綜合成本更低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化焊接設(shè)備在功能和性能也獲得了不斷地提高和突破，不僅能夠高效率的完成傳統(tǒng)人工操作過程，而且能夠?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量提供保障。比如由藍(lán)天焊接科技有線公司研制的自動(dòng)化汽車起重機(jī)吊臂焊接線，如圖1所示。

該設(shè)備屬于自動(dòng)化焊接專機(jī)設(shè)備，此外還有車架箱體焊接機(jī)器人工作站、臂架外焊縫焊接ABB機(jī)器人工作站等，都在實(shí)際工程生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前較為先進(jìn)的泵車臂架焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線，綜合運(yùn)用了柔性化組合鉚焊工裝技術(shù)、AGV智能傳輸控制技術(shù)和CLOOS機(jī)器人工作站等，可以實(shí)現(xiàn)小批量、多品種的產(chǎn)品流水線生產(chǎn)[1]。

2 焊接專機(jī)與焊接機(jī)器人的特點(diǎn)

2.1 焊接專機(jī)

焊接專機(jī)的特點(diǎn)是成本價(jià)格低，性價(jià)比高，適用于長直焊縫、圓環(huán)焊縫等形式的焊接生產(chǎn)，能夠滿足大批量的生產(chǎn)工藝要求。目前使用較多的有自動(dòng)化管件切割機(jī)、耳鉸與弦桿自動(dòng)焊專機(jī)等。由于焊接專機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)在機(jī)械工程中得到廣泛應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是柔性較差，因此在柔性化組合鉚焊工藝中，通常需要與自動(dòng)化焊接機(jī)器人工作站配合使用[2]。

2.2 焊接機(jī)器人

相比于焊接專機(jī)，自動(dòng)化焊接機(jī)器人的控制精度更高，自動(dòng)化程度和智能化程度也相對(duì)較高。通過模塊化編程技術(shù)的應(yīng)用，使機(jī)器人工作站能夠適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)要求。焊接機(jī)器人廣泛適用于各種機(jī)械生產(chǎn)工況，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，但成本價(jià)格較高，且對(duì)操作技能有較高要求，目前一般在大型工程中應(yīng)用較多。具有代表性的有ABB、CLOOS、REIS等機(jī)器人工作站[3]。

3 自動(dòng)化焊接設(shè)備在工程機(jī)械制造中的具體應(yīng)用

3.1 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著自動(dòng)化焊接技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際工程中機(jī)器人工作站的使用越來越多。在一個(gè)焊接機(jī)器人工作站中，控制器和機(jī)器人本體是其核心組成部分，本體一般采用6軸關(guān)節(jié)形式，具有較高的結(jié)構(gòu)剛性和負(fù)載能力，所使用的材料不具有放射性和腐蝕性，使用年限一般在15年以上。關(guān)節(jié)軸一般采用交流伺服電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，具備先進(jìn)的數(shù)字化路徑測(cè)量系統(tǒng)，能夠提供絕對(duì)位置信息，使其具有較高的焊接精度，重復(fù)定位精度誤差可以控制在0.1mm以內(nèi)。此外，系統(tǒng)中還包含斷電剎車裝置，能夠?yàn)槭褂冒踩峁┍Ｕ稀?/p>

整個(gè)系統(tǒng)以全數(shù)字化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，由數(shù)字總線連接各個(gè)部分，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制，可以有效抵抗配電系統(tǒng)電磁場(chǎng)干擾，確保焊接的絕對(duì)在再現(xiàn)。其中央處理單元采用多處理器設(shè)計(jì)方案，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有可擴(kuò)展功能，能夠保證高速運(yùn)行狀態(tài)下的軌跡精度。系統(tǒng)中包含有示教器，具有友好的操作界面，能夠方便操作者學(xué)習(xí)使用。在操作界面中顯示焊接工藝的關(guān)鍵參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化控制。此外，電控柜和操作系統(tǒng)等均有防塵處理措施，或設(shè)置有專門的控制室，能夠保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。endprint

3.2 焊接電源的應(yīng)用

焊接電源的應(yīng)用要優(yōu)先選用國際先進(jìn)品牌，比如福尼斯牌全數(shù)字逆變脈沖焊接電源，一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型企業(yè)也可以使用本公司自主研發(fā)的焊接電源，提高工藝的配套性。在選擇焊接電源時(shí)，要注意與控制系統(tǒng)接口的匹配性。一般較為先進(jìn)的產(chǎn)品帶有焊接專家參數(shù)系統(tǒng)，能夠?qū)附訁?shù)進(jìn)行數(shù)字化顯示。主要數(shù)據(jù)通過示教器輸入，在焊接生產(chǎn)過程中，可以隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行在線修正。先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品收弧成功率較高，可以確保焊接回收脈沖收弧能夠填滿弧坑，而且沒有凸起。焊接中斷點(diǎn)的覆蓋與重熔、外觀焊縫、焊滴脫離的準(zhǔn)確度都較高。利用其平行擺動(dòng)功能能夠快速、有效的識(shí)別出焊縫并進(jìn)行填充。使用的焊槍無漏電、漏油等現(xiàn)象。一般使用盤裝或桶裝焊絲，其送絲速度可以達(dá)到0～24m/min。由于焊接機(jī)器人的焊絲規(guī)格較大，在選擇電源規(guī)格時(shí)，應(yīng)確保其暫載率能夠達(dá)到100%。

3.3 龍門架的應(yīng)用

龍門架即自動(dòng)化焊接機(jī)器人的外部軸行走部分，該部分結(jié)構(gòu)是擴(kuò)大機(jī)器人工作范圍的關(guān)鍵，目前在工程中應(yīng)用的機(jī)器人工作站均為機(jī)器人本體配備的外部行走框架。該部分控制功能由控制系統(tǒng)統(tǒng)一負(fù)責(zé)，采取一體化控制方式，能夠確保外部軸運(yùn)動(dòng)與本體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致。在系統(tǒng)中，機(jī)器人本體通常倒掛在龍門架上，使焊槍具有較高的可達(dá)性。為了確保在外部軸行走狀態(tài)下的焊接精度，應(yīng)采用國際先進(jìn)品牌的導(dǎo)軌、軸承和齒輪等構(gòu)件，并配備性能優(yōu)越的服務(wù)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)，同時(shí)做好導(dǎo)軌的潤滑、防塵和防飛濺保護(hù)措施。在外部軸運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)器人本體要保持平穩(wěn)，避免發(fā)生較大幅度的搖晃和抖動(dòng)，平均重復(fù)精度誤差應(yīng)控制在0.2mm以內(nèi)。

3.4 其他機(jī)具應(yīng)用

其他機(jī)具的應(yīng)用選擇主要包括焊接變位機(jī)、夾具等。為了確保機(jī)器人在焊接作業(yè)時(shí)，焊縫能夠處于船型焊位或平焊位置，應(yīng)為機(jī)器人工作站配備焊接變位機(jī)，將其回轉(zhuǎn)軸作為系統(tǒng)外部軸，與機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在設(shè)置變位機(jī)高度時(shí)，應(yīng)充分考慮裝卸工件的需要，盡量提高施工的方便性。在機(jī)器人焊接站中使用的夾具必須滿足剛性要求，要能夠在需要時(shí)快速加緊，且防止夾持工件出現(xiàn)變形。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮這方面的需求，盡可能縮短裝卸過程中工件在夾具上的時(shí)間。其他機(jī)具的選擇也應(yīng)該盡可能使用較為先進(jìn)的技術(shù)品牌，采用性能優(yōu)越的伺服電動(dòng)機(jī)和精密性較好的減速機(jī)，此外，應(yīng)為變位機(jī)和夾具的焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力退火處理。

3.5 軟件和傳感系統(tǒng)應(yīng)用

在軟件和傳感系統(tǒng)應(yīng)用方面，自動(dòng)化焊接機(jī)器人工作站使用的操作軟件及弧焊軟件包功能較為復(fù)雜，具體包括以下幾個(gè)方面：（1）示教編程功能；（2）離線編程功能；（3）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)功能；（4）數(shù)據(jù)處理和調(diào)用功能；（5）自診斷功能；（6）斷點(diǎn)續(xù)焊功能；（7）多層多道焊接功能；（8）參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整功能；（9）縱向與橫向擺動(dòng)功能；（10）機(jī)器人與外部軸的聯(lián)動(dòng)控制功能；（11）傳感和跟蹤功能。為使系統(tǒng)具有較高的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)中應(yīng)包含多種功能接口，包括焊機(jī)串行控制接口、模擬接口、數(shù)字接口、打印機(jī)接口、局域網(wǎng)接口和域總線系統(tǒng)接口等。

其中，傳感系統(tǒng)的功能主要包括電弧跟蹤、焊絲接觸尋位和激光跟蹤等。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電弧跟蹤功能通過對(duì)焊接電壓和電流變化情況的檢測(cè)，自動(dòng)修正焊縫編程位置與實(shí)際位置的偏差。焊絲接觸尋位功能可以找出焊縫起始點(diǎn)。激光跟蹤功能同時(shí)具備上述兩項(xiàng)功能，而且具有較高的抗干擾能力，但激光跟蹤器的成本較高，可以根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

3.6 自動(dòng)化焊接設(shè)備的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

總體來看，在工程機(jī)械制造過程中，自動(dòng)化焊接設(shè)備的應(yīng)用主要受機(jī)器人本體、控制器、傳感系統(tǒng)、焊接電源和外部機(jī)具的影響。由于工程機(jī)械制造對(duì)工件制作精度有嚴(yán)格要求，在應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備的過程中，應(yīng)確保設(shè)備與工藝的匹配性，根據(jù)工程實(shí)際情況合理設(shè)置焊接參數(shù)，并充分利用其自診斷功能進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和修復(fù)。目前自動(dòng)化焊接設(shè)備還有較大的提升空間，在未來的應(yīng)用發(fā)展過程中，要集中解決焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、尋位效率低、焊縫間隙大時(shí)需要人工打底、經(jīng)過自動(dòng)化焊接后還要進(jìn)行補(bǔ)焊等問題，從而進(jìn)一步提升設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度。

4 結(jié)束語

綜上所述，自動(dòng)化焊接設(shè)備目前已經(jīng)在工程機(jī)械制造中得到了廣泛應(yīng)用，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。利用先進(jìn)的自動(dòng)化焊接機(jī)器人工作站，代替以往的人工焊接方式，可以明顯提升焊接工作效率和焊接質(zhì)量。通過合理選擇焊接設(shè)備，設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成方式，并對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行解釋調(diào)整，可以確保自動(dòng)化焊接設(shè)備的可靠運(yùn)行。

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