機器人焊接條件下熔化極自動焊接技術解析

甘甜賓

（玉柴船舶動力股份有限公司，廣東 珠海 519100）

0 引言

自動焊接技術是對于焊接的工藝生產進行優化管理的，在焊接時利用自動化的現代化生產技術。與傳統的手工焊接方式有不同之處在于自動的焊接技術通過自動化、智能化的技術對于焊接和工藝生產的過程進行優化，實現高效處理[1]。同時，有效避免人工操作在生產作業的過程中因操作不當產生質量隱患問題。自動焊接技術的應用，現場的工作人員可以通過使用更先進的裝配工藝的方式，將核心焊接技術實現智能化，減少人工干預的程度，高效完成焊接工藝[2]。由于近幾年，自動焊接技術在機械制造上的應用，技術已經逐漸優化，其不僅能實現精準定位，還可以實現人員精簡，提高工作效率，降低制造成本。且能夠充分的滿足安全生產方面的要求[3]。

目前，自動焊接技術還廣泛運用了數字技術和人工智能技術，使自動焊接技術延伸到更高的技術平臺。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、機器人焊等，都是自動焊接的常用設備和方法。身為世界的制造工廠，我國制造業發展很快，對于產品的質量和性能的要求也是越來越高，自動焊接在各行業的應用，不僅保證了焊接工件的質量，降低了焊接成本，還改善了焊接作業環境，減少了從業者的身體傷害。并且，結合國內的實際情況，創想智控也在不斷引進和研發先進的自動焊接技術，力爭讓我國自動化焊接技術邁向更高的水平。

1 自動焊接技術的核心內容與關鍵技術

在傳統的焊接技術實施過程中，對工作人員的專業素質有極高的要求，需要焊接工作人員熟練掌握焊接技術和操作內容。在此條件下，要實現焊接技術能高質量地完成，與焊接實施工作人員須對焊接的核心內容和關鍵技術有足夠豐富的經驗積累，能夠靈活應對焊接過程中出現的各種問題。而自動焊接技術規避了這一弊端，其大多都是通過傳感器設備進行焊接技術措施的判斷，在檢測焊接作業情況時傳感器根據控制信息和反饋情況進行重點的考察以及分析，同時也要按照焊接運動控制的信息結果對設備軌跡的運行方式進行合理的設計[4]，避免焊接工作人員由于經驗不足而出現的焊接事故。智能焊接技術將人工經驗總結內化形成數字化語言賦予智能機器人，彌補傳統焊接技術因為焊接核心技術經驗不同出現焊接結果差異的弊端。

1.1 機械技術

1.2 傳感技術

傳感技術主要是以實時感測設備的實際運行狀態為核心，反饋設備運行是否處于正常狀態[6]。一旦設備在非正常的運行狀態當中，傳感器會實現實時預警，提醒有關管理人員采取緊急措施進行處理，恢復設備為正常狀態。根據目前的實際使用經驗來看，自動焊接的傳感技術無論是在怎樣復雜的環境當中，都能夠使檢測的標準達到精確的要求，便于后期技術處理操作。

1.3 自動控制技術

自動控制技術需要工作人員比較合理的使用自動化的焊接技術的有關理論對系統設備自動化的運行進行全面的監控管理。同時，需要對自動控制系屬的使用問題進行合理的設計和分析，使生產線以及生產質量與效率都可以滿足相關的規范要求。

2 自動焊接技術應用發展現狀

目前，我國越來越多的機械加工生產技術逐漸向自動焊接的方向獲得發展，并且隨著其應用越來越廣泛，自動焊接技術在機械加工生產中占據較為重要的位置。比如在進行機械及船舶制造的過程中，自動焊接技術就是機械加工生產的領域的核心技術[7]。按照實際應用的情況不難發現，把焊縫跟蹤技術作為主要核心的自動焊接技術，不管是生產質量或者生產效率，都能夠達到非常優質的效果。在現場生產工作中，合理的使用焊縫以及跟蹤技術，不但可以盡量減少前期準備過程的時間，也可以讓自動焊接的加工生產產品變得更加精密[8]。但是我國的自動焊接技術仍然和國外比起來存在很大的差距，有關領域需要不斷的探索以及創新，以取得更多突破。

3 機器人焊接條件下激光熔覆設備技術

3.1 激光熔覆設備技術方案

重點分析了機器人焊接條件下激光熔覆技術的使用。主要的焊接對象為不銹鋼礦用車前軸。目前，礦用車前軸現在為人工焊接，因產能不足需要增加新的設備。為改變本作業工序落后，提升陳舊的生產力，減少人為參與因素的不穩定性，同時降低成本、提升企業形象的需求，因此智能焊接技術被應用到不銹鋼礦用車前軸維修上。機器人焊接的條件下使用激光熔覆技術的技術設備，不僅可以穩定和提高產品焊接質量，還可以保證其均一性。有助于提高生產效率、穩定的產品質量、提供強有力的技術支持，以及規模生產條件下更低的人工成本，有必要得到廣泛的運用及推廣[9]。

框架焊接專用設備總體布局如圖1 所示。以不銹鋼礦用車前軸（直徑Q235）為焊接對象，運用機器人自動焊接，采用MIG/MAG 焊接工藝。對設備有功能要簡單方便，易于操作員上手，滿足最大長度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 礦用車前軸焊接設備布局一（立體圖）

3.2 激光熔覆設備技術方案

3.2.1 布局分析

本次機器人焊接激光熔覆設備技術方案，僅需要1 名人員配置，需行走焊接機器人1 套，電器控制箱一個。對場地的要求較為簡單，僅需長7 m × 寬6 m即可。

3.2.2 機器人焊接工作流程

根據以上分析，筆者認為可以借鑒《公約》的相關規定，并按照我國刑法現有規定，結合我國國情，將我國刑法第285條的修改為：

機器人焊接工作流程主要為將工件型號輸入PLC，夾具自動調整高度，人工將工件吊裝上料，夾具夾緊，機器人自動尋位焊接，人工吊裝下料，至下一循環。工作站采用機器人伺服導軌，通過機器人臂展+導軌行走來滿足整個作業過程。系統主要包括：焊接機器人、伺服導軌、L 型雙軸變位機、焊接電源，除塵系統，焊接房。機器人在進行焊接時，其流程動作如圖3所示，首先將工件型號輸入PLC，得到指令后，夾具自動調整高度，此時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，機器人將自動尋找焊接點進行焊接工作，待焊接工作完成后，由工作人員進行人工吊裝下料，該焊接工序完成，如需進行下一階段焊接工作，將工件型號輸入PLC 即可進入下一焊接循環。

3.2.3 焊接機器人

對礦用車前軸焊接使用機器人型號為Fanuc 10ID/10L，該機器人的主要優點為超薄型M-10ID/10L 非常適合在緊湊型機器人電池中工作，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電纜、空氣管道和其他電氣管線可以機器人的空心臂、手腕和身體進行布線。

Fanuc 10ID/10L 機器人的具體參數見表1。

表1 Fanuc 10ID/10L 機器人的型號參數

3.2.4 焊接機器人滑動地軌道

機器人滑動地軌，單邊長度3 m，機器人在滑軌上工作，將機器人工作范圍拓展到4 m，從而覆蓋整個焊接工作區域。地軌采用高精度齒條，高強度鋼基座保障產品的焊接質量和機器人的高重復定位精度。焊接機器人滑動地軌道可負載500 kg，行走速度為500 mm/s，其重復精度為±0.10 mm。焊接機器人滑動地軌道對于焊接工作的完成及其重要，本次地軌可負載500 kg，行走速度也較快，并且重復精度較低，非常有利于焊接工作。

3.2.5 焊接機器人翻轉變機位

焊接機器人翻轉變機位主要由電機、減速機，軸承以及控制器組成，具有獨立調速電路，第一面焊接完成時，變位機回轉電機擺到船型焊位置，焊接完成翻轉機構自動翻轉，再旋轉進行另一面的焊接，如圖2 所示。

圖2 雙軸變位機示意圖

焊接機器人翻轉變位機具體參數見表2。焊接機器人翻轉變機位回轉角度高達300°，旋轉角度高達400°，與地軌相同，其負重為500 kg，重復精度僅有±0.3 分度。

表2 焊接機器人翻轉變機位技術參數

3.2.6 焊接機器人ABICOR BINZEL 清槍裝置

ABICOR BINZEL 清槍裝置，可靠的焊槍頭自動維護完整解決方案。快速并且易于安裝“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。三個系統整合到一個清槍裝置，這保證了最佳的操作時間并提升了設備可用性。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 焊接機器人工裝夾具

定位夾具采用雙伺服電機調節兩端支撐夾具的高度，以適應不同型號的產品，PLC 在輸入型號后自動調節產品對應的高度，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。

定位夾具在工件長度方向采用兩端定位裝置，其中一端定位裝置可以通過調整絲桿位置并鎖緊以適應不同長度的產品，定位工件時一端固定、另一端氣動頂緊，確保在長度方向定位、壓緊牢固；工件兩端上方氣動壓緊；更換品種時原則上只需移動夾具、不需更換夾具部件，實現柔性化生產，更換品種時夾具調整時間小于10 min[11]。

4 OTC 焊接機器人激光熔覆焊接優勢

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

OTC 單絲高效焊接設備為了進一步提高生產效率，采用了新一代焊接控制技術。其穩定性取決于如下兩項獨家技術：送絲系統采用大功率伺服電機驅動，送絲力強、送絲精度高、送絲速度穩定，保證了焊接過程穩定。送絲速度高達40 m/min。焊接電源負載電壓為55 V，在額定負載電流時，最大輸出電壓比其他公司同類產品高出10 V 以上，確保了對各種干擾的實時調節能力。

5 結語

自動焊接技術的推廣對于我國機械加工制造領域是重要的技術革新，其對推動機械制造自動化有積極的作用。深入分析機器人在不銹鋼礦用車前軸上實現的熔化極自動焊接技術，分析了機器人設備實現自動焊接技術的流程以及焊接方案和設備接入，為我國自動焊接技術的發展提供了一定的經驗。