智能制造与机器人焊接技术的集成应用研究

张书生

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳 110167）

1 智能化机器人焊接技术的特点和优势

1.1 智能化机器人焊接技术的特点

智能化焊接机器人，结合了生物工程、人工智能、控制算法、焊接技术与信息多传感等前沿技术，发展成为一名具有自感知、自决策、自执行的合格的智能焊接工程师。具有视觉、力觉、触觉等的感知能力，放宽对作业对象一致性的要求。同时融合了专家知识，对生产工艺积累，从而实现最优机器人作业参数的决策。具有作业对象数学描述能力，能够实现免示教作业和自主规划功能。

1.2 智能机器人焊接的优势

（1）焊接机器人的基础优点是代替人工在危险、劳动强度高、作业范围小等环境下工作。焊接弧光、烟尘和高温等对人体伤害极大，尤其是近年来随着高强钢的比例增加，需要预热的情况越来越多，焊工难以长期稳定的在此工况下生产工作，焊接机器人的出现，大幅降低了工人的劳动强度。

（2）智能焊接机器人相对人工，焊接质量更稳定。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。

（3）提高生产效率。机器人没有疲劳，可24 h 连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。

2 焊接机器人的发展方向

2.1 焊接机器人的本体结构

现阶段，伴随科技水平的增强，焊接机器人也越来越完善。在工作过程中机器人需要确保整个工作过程的灵活性，有非常特殊的定位精度要求。随着机器人应用越来越广泛，一个非常重要的十字路口已经应用机器人。相关工作表明，智能和便利在未来发展过程中是机器人最重要的发展方向。

2.2 智能传感技术

焊接工作容易受到外界环境因素的影响，如下料精度、组对精度以及焊接温度等，焊接过程中也会产生焊接变形。“盲人式”机器人焊接是第一代教育编程焊接。在未来的发展过程中，为避免上述问题，焊接机器人将向智能传感技术转变。除了视觉传感设备外，触觉、声音、触觉等板块还需要设置更多，通过将这些传感整合到机器人系统中，在整个焊接过程中机器人可以自动稳定准确地控制和定位，从而保证最终的焊接质量，提高产品合格率。

2.3 网络通信技术

由于技术发展初期不发达，造成不同技术的共享传输比较困难，机器人焊接同样如此。随着进入信息化和企业自动化的浪潮，机器人团队系统需要在未来的发展过程中，不断进行技术完善和优化，共识系统根据实际发展情况建立，形成高效的信息共享和沟通。

2.4 虚拟现实技术

在监控任务中加入仿真钻孔等前沿技术，可以有效实现远程实时监控。机器人依靠虚拟现实技术和传感器，可以更高效地完成此类任务。一种能够有效实现人机交互的技术是虚拟现实技术，操作者依靠多传感器远程控制机器人，在应用过程中加入演练、模拟、开发，实现人机交互过程，完成机器人虚拟操作，在整个工作过程中保证机器人的效率。

3 常见的机器人焊接系统分析

3.1 机器人与焊接

以机器人为独立个体以实现自动化焊接，是指焊接与机器人由利益相关者通过示教器操作来完成远程控制，基本上，完成相关工作的不是机器人，而是幕后操作人员。控制柜相当于人的中枢神经系统，是整个系统中控制机器人的最重要部分，是操作者与机器人之间的重要纽带。要想保证工作的稳定性，当机器人进行相关工作时，设备需要固定牢靠。由于焊机电源的工艺特性曲线不同，焊出的焊缝质量也不同。整个焊接过程中机器人负责轨迹平稳准确执行，焊机负责输出稳定焊接工艺。

3.2 机器人与焊接工作场所

在了解焊接工作场所和机器人的过程中，可以将其视为焊接工作结构是一个单独的。独立完整地完成工件的焊接是机器人焊接工作站的挑战，这不仅需要一种保证机器人焊接的方法，还需要机器人焊接，还有焊接过程以及许多其他设备。其中最重要的是外部设备、工作设备、触摸屏、控制系统。在焊接工件的过程中，控制必要的位移和夹具机构，以及真空装置、围栏等人身健康安全保护装置。

3.3 机器人与焊接生产线

机器人+焊接生产线涉及机器人焊接生产过程的自动化。一方面，扩展机器人工作站，在焊接机器人工作站的基础上，由多个焊接工作站组成的生产线。另一方面，从自动化焊接制造过程的角度来看，相关的质量检验和材料零件工作，包括供应、组装、检验、分拣、备料、焊接、卸载等一系列过程，都必须准确。为保证生产线的调整，自动化焊接产品生产全过程，需要保证每一个工作细节的质量，避免生产线出现一些故障。这样一来，变得更加复杂的整个工作环境，对各个工作单元的生产线上的要求，以及统一性和效率的整个协作都提高了。如果在生产加工过程中出现意外情况，则需要转移到另一条路线并集中管理。这不仅可以确保流水线正常运行，还可以帮助快速发现问题，避免产品质量受到影响。为实现整条生产线的生产效率，一体化控制和高效对接只有多个自动化工作站形成，才能改善作业环境，保证生产质量。这包括自动化与信息化和智能数字化生产计划之间的集成协作的简单组合。可通过生产控制信息和网络实现机器人焊接质量信息、生产线工艺的数字化集成管理。

4 智能焊接技术的集成应用分析

4.1 智能焊接站系统的组成

智能焊接站系统分为以下几个部分：①焊接机器人，根据工作对象范围及焊枪负载，选择臂展合适、负载能力足够的机器人本体。②智能弧焊软件包，根据工作对象及使用工况选择合适的弧焊软件功能。软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触式传感、非接触式传感、电弧跟踪、激光跟踪、多层多道焊、焊接生产实时监控、离线编程、焊接数据库等，为中厚板及其他领域的客户解决工件精度差、焊接质量一致性、生产集中管理等难题。③焊机焊枪系统，焊机电源输出工艺的稳定性，直接影响最终的焊缝质量，根据使用工况，选择合适的焊机焊枪品牌及暂载率。④防碰撞传感器系统和自动清枪系统，防碰撞传感器可以避免焊枪、机器人本体等发生严重的损坏，对设备进行有效的安全保护。自动清枪系统可以保持自动焊接的连续性，避免产生由于飞溅堵住喷嘴产生气孔等焊接缺陷。⑤桁架、滑台及变位机系统，需要根据工作对象，选择合适的外围设备，桁架/滑台系统可与机器人进行协调运动，大幅提高了机器人的工作范围，确保了机器人焊接工件时焊枪的可达性，保证焊枪始终在最佳姿态焊接。变位机系统与机器人协调运动，保证焊缝始终处于最佳焊接位置。变位机负载根据实际需要确定，其结构件采用优质钢材焊接而成，焊后进行特殊处理以保证其结构的稳定性。⑥夹具系统，需要针对客户不同产品类型，自主设计制作符合焊接需求的工装夹具，其主要特点有：夹具刚性良好，具有足够的夹紧力；夹具定位夹紧部位考虑了工件焊接时的散热、变形及夹紧的稳定可靠，以保证良好的焊接质量。夹具设计考虑焊枪的可达空间，符合生产工艺要求，确保机器人焊枪的可达性，保证焊枪最佳焊接姿态。⑦电气控制系统，根据客户的不同需求，从实用性、易用性等角度出发，设计出符合项目要求的电气控制系统。⑧安全防护系统，在企业生产中，安全是重中之重，因此，机器人工作区域必须设置安全防护系统，在机器人工作过程中，一旦有人进入，机器人立即停止工作。

4.2 控制系统软件单元的组成

控制系统的核心定义实际上是网络通信，控制系统的操作方式主要是通过网络将弧焊机器人系统、外部系统、PLC、人机界面等相关设备集成，然后集成多个设备，通常放置在控制系统中，以进行有效的控制和协调。PLC 功能是进行夹具移动定位、协调焊接机器人的相关工作，是整个系统的主控制器。触摸屏可以在加工过程中有效监控生产和整体操作，主要用于产品工艺选择，向控制系统提供反馈。通过系统的建设不仅提升了公司的整体竞争力，而且实现智能化、自动化生产，也有助于保证生产的产品质量。

4.3 智能焊接功能

机器人自动化焊接生产要求工件尺寸的高精度和工件的精确定位装配，但在车间现场的实际焊接生产过程中，由于各种原因常无法保证自动化焊接的条件及要求。为此，焊接智能软件融合了人的感官信息、经验知识、推理判断以及焊接过程控制等各方面的专门技术，可在焊接过程中修正工件出现的精度及位置的偏差，满足焊接生产的工艺要求，保证焊接质量，节省工作时间，返修率大幅降低。典型的智能焊接功能有接触传感、非接触传感、电弧跟踪、激光跟踪、多层多道等。

4.4 异性曲面定量堆焊处理技术

使用异性曲面定量堆焊处理技术在保证产品性能的基础上降低焊接成本。由于特殊的使用条件，水电产品的某些部位，一般需要具有耐腐蚀、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，异形表面的定量表面处理技术广泛应用于管状机组的导叶内环和转轮体生产中，机器人工作站需要结合焊接和加工要求，适应各种类型的曲面，以及快速成型技术、离线编程、不锈钢表面技术等。流道体的表面光洁度主要是以耐磨性为目的，由法兰和球面组成转轮体，精加工表面时，整个表面的不锈钢厚度为15 mm，5个球面开孔，采用异形面，表面处理量达50%以上。

4.5 平地机后车架的机器人智能焊接应用

（1）机器人位置点传感功能。

平地机后架组对精度为±2 mm，再加上焊接过程中发生的焊接变形，造成焊缝位置发生变化，使得示教再现型焊接机器人无法适应高质量的焊接生产。因此，智能焊接机器人通过三方向传感功能和位置点检测，使焊接过程不受某些误差的影响。

（2）电弧跟踪功能。

焊接过程中由于应力变形等原因导致整个焊接轨迹的位置出现偏差，使普通的示教再现型焊接机器人无法满足焊接需求。为实现错位焊缝的正常焊接工作，可以利用智能焊接机器人的电弧跟踪功能，焊缝的上下偏移和左右偏移都可以通过机器人区分并自动轨迹修正，提高生产效率，保证焊接质量稳定。

（3）多层多道焊接功能。

14 mm、10 mm、8 mm 是焊接平地机后车架常见的焊脚要求，水平角焊缝焊脚8 mm 及以下可以单道焊接完成，但10 mm 和14 mm 等焊脚不能一道焊接完成，并且由于平地机后车架工件长，不能使其翻转至船型焊接位置，因此需要应用多层多道焊接技术。平角焊10 mm 焊脚，需要焊接3道，焊缝长约1 000 mm，焊接强度大，很难确保质量一致。利用多层多道焊接技术，可以实现中厚板的高效、优质焊接。只需示教根层的轨迹，然后设置偏置值，即可实现覆盖道焊接，大幅提高了生产效率。

5 结束语

伴随科技水平的不断提高，智能焊接技术已成为主流。在新时代背景下，生产质量和生产效率可以应用先进技术有效提高，智能制造通过在企业发展过程中实现，使管理和产品质量检测更加高效，不仅有助于优化企业的发展模式，也提高了企业的整体竞争力。