機(jī)器人焊接條件下熔化極自動(dòng)焊接技術(shù)解析

甘甜賓

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，廣東 珠海 519100）

0 引言

自動(dòng)焊接技術(shù)是對(duì)于焊接的工藝生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化管理的，在焊接時(shí)利用自動(dòng)化的現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)。與傳統(tǒng)的手工焊接方式有不同之處在于自動(dòng)的焊接技術(shù)通過自動(dòng)化、智能化的技術(shù)對(duì)于焊接和工藝生產(chǎn)的過程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效處理[1]。同時(shí)，有效避免人工操作在生產(chǎn)作業(yè)的過程中因操作不當(dāng)產(chǎn)生質(zhì)量隱患問題。自動(dòng)焊接技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員可以通過使用更先進(jìn)的裝配工藝的方式，將核心焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化，減少人工干預(yù)的程度，高效完成焊接工藝[2]。由于近幾年，自動(dòng)焊接技術(shù)在機(jī)械制造上的應(yīng)用，技術(shù)已經(jīng)逐漸優(yōu)化，其不僅能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，還可以實(shí)現(xiàn)人員精簡(jiǎn)，提高工作效率，降低制造成本。且能夠充分的滿足安全生產(chǎn)方面的要求[3]。

目前，自動(dòng)焊接技術(shù)還廣泛運(yùn)用了數(shù)字技術(shù)和人工智能技術(shù)，使自動(dòng)焊接技術(shù)延伸到更高的技術(shù)平臺(tái)。埋弧焊、等離子弧焊、激光焊、激光混合焊、MIG（melt inert-gas）/MAG（Metal Active Gas Arc Welding）焊、TIG（Tungsten Inert Gas Welding）焊、機(jī)器人焊等，都是自動(dòng)焊接的常用設(shè)備和方法。身為世界的制造工廠，我國(guó)制造業(yè)發(fā)展很快，對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量和性能的要求也是越來越高，自動(dòng)焊接在各行業(yè)的應(yīng)用，不僅保證了焊接工件的質(zhì)量，降低了焊接成本，還改善了焊接作業(yè)環(huán)境，減少了從業(yè)者的身體傷害。并且，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，創(chuàng)想智控也在不斷引進(jìn)和研發(fā)先進(jìn)的自動(dòng)焊接技術(shù)，力爭(zhēng)讓我國(guó)自動(dòng)化焊接技術(shù)邁向更高的水平。

1 自動(dòng)焊接技術(shù)的核心內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)的焊接技術(shù)實(shí)施過程中，對(duì)工作人員的專業(yè)素質(zhì)有極高的要求，需要焊接工作人員熟練掌握焊接技術(shù)和操作內(nèi)容。在此條件下，要實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)能高質(zhì)量地完成，與焊接實(shí)施工作人員須對(duì)焊接的核心內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)有足夠豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，能夠靈活應(yīng)對(duì)焊接過程中出現(xiàn)的各種問題。而自動(dòng)焊接技術(shù)規(guī)避了這一弊端，其大多都是通過傳感器設(shè)備進(jìn)行焊接技術(shù)措施的判斷，在檢測(cè)焊接作業(yè)情況時(shí)傳感器根據(jù)控制信息和反饋情況進(jìn)行重點(diǎn)的考察以及分析，同時(shí)也要按照焊接運(yùn)動(dòng)控制的信息結(jié)果對(duì)設(shè)備軌跡的運(yùn)行方式進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)[4]，避免焊接工作人員由于經(jīng)驗(yàn)不足而出現(xiàn)的焊接事故。智能焊接技術(shù)將人工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)內(nèi)化形成數(shù)字化語言賦予智能機(jī)器人，彌補(bǔ)傳統(tǒng)焊接技術(shù)因?yàn)楹附雍诵募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)不同出現(xiàn)焊接結(jié)果差異的弊端。

1.1 機(jī)械技術(shù)

1.2 傳感技術(shù)

傳感技術(shù)主要是以實(shí)時(shí)感測(cè)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為核心，反饋設(shè)備運(yùn)行是否處于正常狀態(tài)[6]。一旦設(shè)備在非正常的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中，傳感器會(huì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，提醒有關(guān)管理人員采取緊急措施進(jìn)行處理，恢復(fù)設(shè)備為正常狀態(tài)。根據(jù)目前的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看，自動(dòng)焊接的傳感技術(shù)無論是在怎樣復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，都能夠使檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到精確的要求，便于后期技術(shù)處理操作。

1.3 自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)需要工作人員比較合理的使用自動(dòng)化的焊接技術(shù)的有關(guān)理論對(duì)系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化的運(yùn)行進(jìn)行全面的監(jiān)控管理。同時(shí)，需要對(duì)自動(dòng)控制系屬的使用問題進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和分析，使生產(chǎn)線以及生產(chǎn)質(zhì)量與效率都可以滿足相關(guān)的規(guī)范要求。

2 自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)越來越多的機(jī)械加工生產(chǎn)技術(shù)逐漸向自動(dòng)焊接的方向獲得發(fā)展，并且隨著其應(yīng)用越來越廣泛，自動(dòng)焊接技術(shù)在機(jī)械加工生產(chǎn)中占據(jù)較為重要的位置。比如在進(jìn)行機(jī)械及船舶制造的過程中，自動(dòng)焊接技術(shù)就是機(jī)械加工生產(chǎn)的領(lǐng)域的核心技術(shù)[7]。按照實(shí)際應(yīng)用的情況不難發(fā)現(xiàn)，把焊縫跟蹤技術(shù)作為主要核心的自動(dòng)焊接技術(shù)，不管是生產(chǎn)質(zhì)量或者生產(chǎn)效率，都能夠達(dá)到非常優(yōu)質(zhì)的效果。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作中，合理的使用焊縫以及跟蹤技術(shù)，不但可以盡量減少前期準(zhǔn)備過程的時(shí)間，也可以讓自動(dòng)焊接的加工生產(chǎn)產(chǎn)品變得更加精密[8]。但是我國(guó)的自動(dòng)焊接技術(shù)仍然和國(guó)外比起來存在很大的差距，有關(guān)領(lǐng)域需要不斷的探索以及創(chuàng)新，以取得更多突破。

3 機(jī)器人焊接條件下激光熔覆設(shè)備技術(shù)

3.1 激光熔覆設(shè)備技術(shù)方案

重點(diǎn)分析了機(jī)器人焊接條件下激光熔覆技術(shù)的使用。主要的焊接對(duì)象為不銹鋼礦用車前軸。目前，礦用車前軸現(xiàn)在為人工焊接，因產(chǎn)能不足需要增加新的設(shè)備。為改變本作業(yè)工序落后，提升陳舊的生產(chǎn)力，減少人為參與因素的不穩(wěn)定性，同時(shí)降低成本、提升企業(yè)形象的需求，因此智能焊接技術(shù)被應(yīng)用到不銹鋼礦用車前軸維修上。機(jī)器人焊接的條件下使用激光熔覆技術(shù)的技術(shù)設(shè)備，不僅可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量，還可以保證其均一性。有助于提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量、提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，以及規(guī)模生產(chǎn)條件下更低的人工成本，有必要得到廣泛的運(yùn)用及推廣[9]。

框架焊接專用設(shè)備總體布局如圖1 所示。以不銹鋼礦用車前軸（直徑Q235）為焊接對(duì)象，運(yùn)用機(jī)器人自動(dòng)焊接，采用MIG/MAG 焊接工藝。對(duì)設(shè)備有功能要簡(jiǎn)單方便，易于操作員上手，滿足最大長(zhǎng)度2800 mm工件的焊接，電氣柜、操作柜、遙控等電氣箱做好防塵、防水、防腐和拖鏈及內(nèi)部電纜（必須采用柔性電纜）做好三防和防焊接飛濺等要求。

圖1 礦用車前軸焊接設(shè)備布局一（立體圖）

3.2 激光熔覆設(shè)備技術(shù)方案

3.2.1 布局分析

本次機(jī)器人焊接激光熔覆設(shè)備技術(shù)方案，僅需要1 名人員配置，需行走焊接機(jī)器人1 套，電器控制箱一個(gè)。對(duì)場(chǎng)地的要求較為簡(jiǎn)單，僅需長(zhǎng)7 m × 寬6 m即可。

3.2.2 機(jī)器人焊接工作流程

根據(jù)以上分析，筆者認(rèn)為可以借鑒《公約》的相關(guān)規(guī)定，并按照我國(guó)刑法現(xiàn)有規(guī)定，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，將我國(guó)刑法第285條的修改為：

機(jī)器人焊接工作流程主要為將工件型號(hào)輸入PLC，夾具自動(dòng)調(diào)整高度，人工將工件吊裝上料，夾具夾緊，機(jī)器人自動(dòng)尋位焊接，人工吊裝下料，至下一循環(huán)。工作站采用機(jī)器人伺服導(dǎo)軌，通過機(jī)器人臂展+導(dǎo)軌行走來滿足整個(gè)作業(yè)過程。系統(tǒng)主要包括：焊接機(jī)器人、伺服導(dǎo)軌、L 型雙軸變位機(jī)、焊接電源，除塵系統(tǒng)，焊接房。機(jī)器人在進(jìn)行焊接時(shí)，其流程動(dòng)作如圖3所示，首先將工件型號(hào)輸入PLC，得到指令后，夾具自動(dòng)調(diào)整高度，此時(shí)工作人員人工將工件吊裝上料[10]，使得夾具將料具加緊，此工序完成后，機(jī)器人將自動(dòng)尋找焊接點(diǎn)進(jìn)行焊接工作，待焊接工作完成后，由工作人員進(jìn)行人工吊裝下料，該焊接工序完成，如需進(jìn)行下一階段焊接工作，將工件型號(hào)輸入PLC 即可進(jìn)入下一焊接循環(huán)。

3.2.3 焊接機(jī)器人

對(duì)礦用車前軸焊接使用機(jī)器人型號(hào)為Fanuc 10ID/10L，該機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)為超薄型M-10ID/10L 非常適合在緊湊型機(jī)器人電池中工作，占地面積小，任意角度安裝，以獲得更大的靈活性。為了方便、可靠地布線傳感器或攝像機(jī)電纜、空氣管道和其他電氣管線可以機(jī)器人的空心臂、手腕和身體進(jìn)行布線。

Fanuc 10ID/10L 機(jī)器人的具體參數(shù)見表1。

表1 Fanuc 10ID/10L 機(jī)器人的型號(hào)參數(shù)

3.2.4 焊接機(jī)器人滑動(dòng)地軌道

機(jī)器人滑動(dòng)地軌，單邊長(zhǎng)度3 m，機(jī)器人在滑軌上工作，將機(jī)器人工作范圍拓展到4 m，從而覆蓋整個(gè)焊接工作區(qū)域。地軌采用高精度齒條，高強(qiáng)度鋼基座保障產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和機(jī)器人的高重復(fù)定位精度。焊接機(jī)器人滑動(dòng)地軌道可負(fù)載500 kg，行走速度為500 mm/s，其重復(fù)精度為±0.10 mm。焊接機(jī)器人滑動(dòng)地軌道對(duì)于焊接工作的完成及其重要，本次地軌可負(fù)載500 kg，行走速度也較快，并且重復(fù)精度較低，非常有利于焊接工作。

3.2.5 焊接機(jī)器人翻轉(zhuǎn)變機(jī)位

焊接機(jī)器人翻轉(zhuǎn)變機(jī)位主要由電機(jī)、減速機(jī)，軸承以及控制器組成，具有獨(dú)立調(diào)速電路，第一面焊接完成時(shí)，變位機(jī)回轉(zhuǎn)電機(jī)擺到船型焊位置，焊接完成翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，再旋轉(zhuǎn)進(jìn)行另一面的焊接，如圖2 所示。

圖2 雙軸變位機(jī)示意圖

焊接機(jī)器人翻轉(zhuǎn)變位機(jī)具體參數(shù)見表2。焊接機(jī)器人翻轉(zhuǎn)變機(jī)位回轉(zhuǎn)角度高達(dá)300°，旋轉(zhuǎn)角度高達(dá)400°，與地軌相同，其負(fù)重為500 kg，重復(fù)精度僅有±0.3 分度。

表2 焊接機(jī)器人翻轉(zhuǎn)變機(jī)位技術(shù)參數(shù)

3.2.6 焊接機(jī)器人ABICOR BINZEL 清槍裝置

ABICOR BINZEL 清槍裝置，可靠的焊槍頭自動(dòng)維護(hù)完整解決方案?？焖俨⑶乙子诎惭b“連接之后便可清槍”，緊湊的清槍裝置BRS 代表著最佳的可靠性。三個(gè)系統(tǒng)整合到一個(gè)清槍裝置，這保證了最佳的操作時(shí)間并提升了設(shè)備可用性。其他許多功能，例如安裝支架和滴水盤等，降低了安裝成本。

3.2.7 焊接機(jī)器人工裝夾具

定位夾具采用雙伺服電機(jī)調(diào)節(jié)兩端支撐夾具的高度，以適應(yīng)不同型號(hào)的產(chǎn)品，PLC 在輸入型號(hào)后自動(dòng)調(diào)節(jié)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的高度，升降行程250 mm。工件寬度方向定位采用氣缸自定心夾緊，夾緊范圍144 ～224 mm。

定位夾具在工件長(zhǎng)度方向采用兩端定位裝置，其中一端定位裝置可以通過調(diào)整絲桿位置并鎖緊以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的產(chǎn)品，定位工件時(shí)一端固定、另一端氣動(dòng)頂緊，確保在長(zhǎng)度方向定位、壓緊牢固；工件兩端上方氣動(dòng)壓緊；更換品種時(shí)原則上只需移動(dòng)夾具、不需更換夾具部件，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，更換品種時(shí)夾具調(diào)整時(shí)間小于10 min[11]。

4 OTC 焊接機(jī)器人激光熔覆焊接優(yōu)勢(shì)

OTC 單絲高效焊接設(shè)備采用的是2 臺(tái)500 A 的電源并聯(lián)，其中1 臺(tái)為主電源，另1 臺(tái)為從電源，從電源完全受控于主電源。僅主電源與機(jī)器人相連接，接線、控制、顯示、調(diào)試等所有功能均等同于1 臺(tái)電源。

OTC 單絲高效焊接設(shè)備為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，采用了新一代焊接控制技術(shù)。其穩(wěn)定性取決于如下兩項(xiàng)獨(dú)家技術(shù)：送絲系統(tǒng)采用大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，送絲力強(qiáng)、送絲精度高、送絲速度穩(wěn)定，保證了焊接過程穩(wěn)定。送絲速度高達(dá)40 m/min。焊接電源負(fù)載電壓為55 V，在額定負(fù)載電流時(shí)，最大輸出電壓比其他公司同類產(chǎn)品高出10 V 以上，確保了對(duì)各種干擾的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)能力。

5 結(jié)語

自動(dòng)焊接技術(shù)的推廣對(duì)于我國(guó)機(jī)械加工制造領(lǐng)域是重要的技術(shù)革新，其對(duì)推動(dòng)機(jī)械制造自動(dòng)化有積極的作用。深入分析機(jī)器人在不銹鋼礦用車前軸上實(shí)現(xiàn)的熔化極自動(dòng)焊接技術(shù)，分析了機(jī)器人設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接技術(shù)的流程以及焊接方案和設(shè)備接入，為我國(guó)自動(dòng)焊接技術(shù)的發(fā)展提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。