智能制造與機器人焊接技術的集成應用研究

張書生

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽 110167）

1 智能化機器人焊接技術的特點和優(yōu)勢

1.1 智能化機器人焊接技術的特點

智能化焊接機器人，結合了生物工程、人工智能、控制算法、焊接技術與信息多傳感等前沿技術，發(fā)展成為一名具有自感知、自決策、自執(zhí)行的合格的智能焊接工程師。具有視覺、力覺、觸覺等的感知能力，放寬對作業(yè)對象一致性的要求。同時融合了專家知識，對生產工藝積累，從而實現最優(yōu)機器人作業(yè)參數的決策。具有作業(yè)對象數學描述能力，能夠實現免示教作業(yè)和自主規(guī)劃功能。

1.2 智能機器人焊接的優(yōu)勢

（1）焊接機器人的基礎優(yōu)點是代替人工在危險、勞動強度高、作業(yè)范圍小等環(huán)境下工作。焊接弧光、煙塵和高溫等對人體傷害極大，尤其是近年來隨著高強鋼的比例增加，需要預熱的情況越來越多，焊工難以長期穩(wěn)定的在此工況下生產工作，焊接機器人的出現，大幅降低了工人的勞動強度。

（2）智能焊接機器人相對人工，焊接質量更穩(wěn)定。焊接參數如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術的要求，因此焊接質量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質量的均一性。

（3）提高生產效率。機器人沒有疲勞，可24 h 連續(xù)生產，另外隨著高速高效焊接技術的應用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。

2 焊接機器人的發(fā)展方向

2.1 焊接機器人的本體結構

現階段，伴隨科技水平的增強，焊接機器人也越來越完善。在工作過程中機器人需要確保整個工作過程的靈活性，有非常特殊的定位精度要求。隨著機器人應用越來越廣泛，一個非常重要的十字路口已經應用機器人。相關工作表明，智能和便利在未來發(fā)展過程中是機器人最重要的發(fā)展方向。

2.2 智能傳感技術

焊接工作容易受到外界環(huán)境因素的影響，如下料精度、組對精度以及焊接溫度等，焊接過程中也會產生焊接變形?！懊と耸健睓C器人焊接是第一代教育編程焊接。在未來的發(fā)展過程中，為避免上述問題，焊接機器人將向智能傳感技術轉變。除了視覺傳感設備外，觸覺、聲音、觸覺等板塊還需要設置更多，通過將這些傳感整合到機器人系統中，在整個焊接過程中機器人可以自動穩(wěn)定準確地控制和定位，從而保證最終的焊接質量，提高產品合格率。

2.3 網絡通信技術

由于技術發(fā)展初期不發(fā)達，造成不同技術的共享傳輸比較困難，機器人焊接同樣如此。隨著進入信息化和企業(yè)自動化的浪潮，機器人團隊系統需要在未來的發(fā)展過程中，不斷進行技術完善和優(yōu)化，共識系統根據實際發(fā)展情況建立，形成高效的信息共享和溝通。

2.4 虛擬現實技術

在監(jiān)控任務中加入仿真鉆孔等前沿技術，可以有效實現遠程實時監(jiān)控。機器人依靠虛擬現實技術和傳感器，可以更高效地完成此類任務。一種能夠有效實現人機交互的技術是虛擬現實技術，操作者依靠多傳感器遠程控制機器人，在應用過程中加入演練、模擬、開發(fā)，實現人機交互過程，完成機器人虛擬操作，在整個工作過程中保證機器人的效率。

3 常見的機器人焊接系統分析

3.1 機器人與焊接

以機器人為獨立個體以實現自動化焊接，是指焊接與機器人由利益相關者通過示教器操作來完成遠程控制，基本上，完成相關工作的不是機器人，而是幕后操作人員?？刂乒裣喈斢谌说闹袠猩窠浵到y，是整個系統中控制機器人的最重要部分，是操作者與機器人之間的重要紐帶。要想保證工作的穩(wěn)定性，當機器人進行相關工作時，設備需要固定牢靠。由于焊機電源的工藝特性曲線不同，焊出的焊縫質量也不同。整個焊接過程中機器人負責軌跡平穩(wěn)準確執(zhí)行，焊機負責輸出穩(wěn)定焊接工藝。

3.2 機器人與焊接工作場所

在了解焊接工作場所和機器人的過程中，可以將其視為焊接工作結構是一個單獨的。獨立完整地完成工件的焊接是機器人焊接工作站的挑戰(zhàn)，這不僅需要一種保證機器人焊接的方法，還需要機器人焊接，還有焊接過程以及許多其他設備。其中最重要的是外部設備、工作設備、觸摸屏、控制系統。在焊接工件的過程中，控制必要的位移和夾具機構，以及真空裝置、圍欄等人身健康安全保護裝置。

3.3 機器人與焊接生產線

機器人+焊接生產線涉及機器人焊接生產過程的自動化。一方面，擴展機器人工作站，在焊接機器人工作站的基礎上，由多個焊接工作站組成的生產線。另一方面，從自動化焊接制造過程的角度來看，相關的質量檢驗和材料零件工作，包括供應、組裝、檢驗、分揀、備料、焊接、卸載等一系列過程，都必須準確。為保證生產線的調整，自動化焊接產品生產全過程，需要保證每一個工作細節(jié)的質量，避免生產線出現一些故障。這樣一來，變得更加復雜的整個工作環(huán)境，對各個工作單元的生產線上的要求，以及統一性和效率的整個協作都提高了。如果在生產加工過程中出現意外情況，則需要轉移到另一條路線并集中管理。這不僅可以確保流水線正常運行，還可以幫助快速發(fā)現問題，避免產品質量受到影響。為實現整條生產線的生產效率，一體化控制和高效對接只有多個自動化工作站形成，才能改善作業(yè)環(huán)境，保證生產質量。這包括自動化與信息化和智能數字化生產計劃之間的集成協作的簡單組合?？赏ㄟ^生產控制信息和網絡實現機器人焊接質量信息、生產線工藝的數字化集成管理。

4 智能焊接技術的集成應用分析

4.1 智能焊接站系統的組成

智能焊接站系統分為以下幾個部分：①焊接機器人，根據工作對象范圍及焊槍負載，選擇臂展合適、負載能力足夠的機器人本體。②智能弧焊軟件包，根據工作對象及使用工況選擇合適的弧焊軟件功能。軟件包包括弧焊基本功能和智能焊接功能。智能焊接功能包括接觸式傳感、非接觸式傳感、電弧跟蹤、激光跟蹤、多層多道焊、焊接生產實時監(jiān)控、離線編程、焊接數據庫等，為中厚板及其他領域的客戶解決工件精度差、焊接質量一致性、生產集中管理等難題。③焊機焊槍系統，焊機電源輸出工藝的穩(wěn)定性，直接影響最終的焊縫質量，根據使用工況，選擇合適的焊機焊槍品牌及暫載率。④防碰撞傳感器系統和自動清槍系統，防碰撞傳感器可以避免焊槍、機器人本體等發(fā)生嚴重的損壞，對設備進行有效的安全保護。自動清槍系統可以保持自動焊接的連續(xù)性，避免產生由于飛濺堵住噴嘴產生氣孔等焊接缺陷。⑤桁架、滑臺及變位機系統，需要根據工作對象，選擇合適的外圍設備，桁架/滑臺系統可與機器人進行協調運動，大幅提高了機器人的工作范圍，確保了機器人焊接工件時焊槍的可達性，保證焊槍始終在最佳姿態(tài)焊接。變位機系統與機器人協調運動，保證焊縫始終處于最佳焊接位置。變位機負載根據實際需要確定，其結構件采用優(yōu)質鋼材焊接而成，焊后進行特殊處理以保證其結構的穩(wěn)定性。⑥夾具系統，需要針對客戶不同產品類型，自主設計制作符合焊接需求的工裝夾具，其主要特點有：夾具剛性良好，具有足夠的夾緊力；夾具定位夾緊部位考慮了工件焊接時的散熱、變形及夾緊的穩(wěn)定可靠，以保證良好的焊接質量。夾具設計考慮焊槍的可達空間，符合生產工藝要求，確保機器人焊槍的可達性，保證焊槍最佳焊接姿態(tài)。⑦電氣控制系統，根據客戶的不同需求，從實用性、易用性等角度出發(fā)，設計出符合項目要求的電氣控制系統。⑧安全防護系統，在企業(yè)生產中，安全是重中之重，因此，機器人工作區(qū)域必須設置安全防護系統，在機器人工作過程中，一旦有人進入，機器人立即停止工作。

4.2 控制系統軟件單元的組成

控制系統的核心定義實際上是網絡通信，控制系統的操作方式主要是通過網絡將弧焊機器人系統、外部系統、PLC、人機界面等相關設備集成，然后集成多個設備，通常放置在控制系統中，以進行有效的控制和協調。PLC 功能是進行夾具移動定位、協調焊接機器人的相關工作，是整個系統的主控制器。觸摸屏可以在加工過程中有效監(jiān)控生產和整體操作，主要用于產品工藝選擇，向控制系統提供反饋。通過系統的建設不僅提升了公司的整體競爭力，而且實現智能化、自動化生產，也有助于保證生產的產品質量。

4.3 智能焊接功能

機器人自動化焊接生產要求工件尺寸的高精度和工件的精確定位裝配，但在車間現場的實際焊接生產過程中，由于各種原因常無法保證自動化焊接的條件及要求。為此，焊接智能軟件融合了人的感官信息、經驗知識、推理判斷以及焊接過程控制等各方面的專門技術，可在焊接過程中修正工件出現的精度及位置的偏差，滿足焊接生產的工藝要求，保證焊接質量，節(jié)省工作時間，返修率大幅降低。典型的智能焊接功能有接觸傳感、非接觸傳感、電弧跟蹤、激光跟蹤、多層多道等。

4.4 異性曲面定量堆焊處理技術

使用異性曲面定量堆焊處理技術在保證產品性能的基礎上降低焊接成本。由于特殊的使用條件，水電產品的某些部位，一般需要具有耐腐蝕、表面耐磨的特性，因此需要在表面堆焊一定厚度的高性能材料。目前，異形表面的定量表面處理技術廣泛應用于管狀機組的導葉內環(huán)和轉輪體生產中，機器人工作站需要結合焊接和加工要求，適應各種類型的曲面，以及快速成型技術、離線編程、不銹鋼表面技術等。流道體的表面光潔度主要是以耐磨性為目的，由法蘭和球面組成轉輪體，精加工表面時，整個表面的不銹鋼厚度為15 mm，5個球面開孔，采用異形面，表面處理量達50%以上。

4.5 平地機后車架的機器人智能焊接應用

（1）機器人位置點傳感功能。

平地機后架組對精度為±2 mm，再加上焊接過程中發(fā)生的焊接變形，造成焊縫位置發(fā)生變化，使得示教再現型焊接機器人無法適應高質量的焊接生產。因此，智能焊接機器人通過三方向傳感功能和位置點檢測，使焊接過程不受某些誤差的影響。

（2）電弧跟蹤功能。

焊接過程中由于應力變形等原因導致整個焊接軌跡的位置出現偏差，使普通的示教再現型焊接機器人無法滿足焊接需求。為實現錯位焊縫的正常焊接工作，可以利用智能焊接機器人的電弧跟蹤功能，焊縫的上下偏移和左右偏移都可以通過機器人區(qū)分并自動軌跡修正，提高生產效率，保證焊接質量穩(wěn)定。

（3）多層多道焊接功能。

14 mm、10 mm、8 mm 是焊接平地機后車架常見的焊腳要求，水平角焊縫焊腳8 mm 及以下可以單道焊接完成，但10 mm 和14 mm 等焊腳不能一道焊接完成，并且由于平地機后車架工件長，不能使其翻轉至船型焊接位置，因此需要應用多層多道焊接技術。平角焊10 mm 焊腳，需要焊接3道，焊縫長約1 000 mm，焊接強度大，很難確保質量一致。利用多層多道焊接技術，可以實現中厚板的高效、優(yōu)質焊接。只需示教根層的軌跡，然后設置偏置值，即可實現覆蓋道焊接，大幅提高了生產效率。

5 結束語

伴隨科技水平的不斷提高，智能焊接技術已成為主流。在新時代背景下，生產質量和生產效率可以應用先進技術有效提高，智能制造通過在企業(yè)發(fā)展過程中實現，使管理和產品質量檢測更加高效，不僅有助于優(yōu)化企業(yè)的發(fā)展模式，也提高了企業(yè)的整體競爭力。