刮板輸送機結構件機器人焊接技術發展及應用現狀

李子源，曹成銘，王瑞，許金寶，王向榮

1.山東泰安煤礦機械有限公司 山東泰安 271000；2.山東能源集團裝備制造（集團）有限公司 山東泰安 271000

1 序言

我國是世界上煤炭產銷量最大的國家，然而我國煤炭儲備中有97%位于離地面400m以下的區域，因此必須使用特殊的地下采煤工程裝備才能開采。2019年，我國煤礦機械化率已達到85%，但與美國相比，還有很大差距。為此，采用高效、高本質安全的煤機裝備，是提高生產效率、保證安全開采的重要手段之一[1]。

我國煤礦機械制造業經過多年的發展，目前已具備了設計、制造煤礦用各種機械設備的能力。其中，現代化綜采設備、綜掘設備和大型高效露天“剝、采、運、支”成套設備在大中型煤礦大量使用。但就國際煤礦發展現狀來看，我國煤炭開采技術裝備總體水平依然較低。我國煤礦開采機械化程度整體上還滯后于煤炭生產快速發展的實際需求，與煤炭產量約占世界總產量45%的產煤大國地位并不協調。目前，我國煤機成套裝備的生產能力、技術性能以及研制應用規模還與發達國家存在較大差距，主要表現在大型煤機裝備的制造可靠性方面。

煤機裝備零部件在制造過程中存在結構復雜、焊接工藝繁瑣、多品種小批量等難題。通過傳統人工或焊接專機進行焊接，不僅達不到預期效果，在節拍效率上也得不到顯著提升。為此，廣大煤機制造企業紛紛開始聯合機器人公司開展煤機智能焊接技術及裝備的研發與應用，期待進一步提高焊接效率及質量。

2 刮板輸送機自動焊接技術需求

刮板輸送機是煤礦機械中的重要裝備。國內外刮板輸送機都在向大運量、長運距、大功率、高強度、長壽命與高可靠性等方向發展。目前，國外綜采最大的工作面刮板輸送機，其運量已達6000t/h，裝機功率達4×800kW，運距450m（即刮板輸送機整機長度）。國內自主研發的刮板輸送機運量已達3500t/h，運距350m。典型的刮板輸送機結構如圖1所示。

圖1 典型的刮板輸送機結構

中部槽是刮板輸送機的機身和物料承載機構（見圖2），其在日常使用中也是受磨損最嚴重的部件，其材料特性及焊接質量直接影響到刮板輸送機的可靠性和使用壽命。通常每臺刮板輸送機都具有100多節中部槽，其重量占輸送機總重量的70%以上。刮板輸送機的失效，也多由中部槽的過度磨損或斷裂引起，所以中部槽的使用壽命是衡量整機壽命的重要指標。另外，槽幫（鏟擋板）與中板以及槽幫與封底板的焊接，其焊接工作量約占刮板輸送機焊接工作總量的80%。因為人工焊接工作量大、效率低，所以每個焊工一天通常只能焊接1.5個中部槽。隨著先進制造和自動化技術的蓬勃發展，采用機器人自動焊接成為提高焊接效率和質量的有效手段。近年來，國內企業已經開始在刮板輸送機中部槽結構件焊接中采用機器人焊接生產線或工作站，如中煤張家口煤礦機械有限責任公司、山東能源重裝集團、寧夏天地奔牛實業集團有限公司等企業。通過采用機器人自動焊接，不僅能有效地改善焊接外觀與質量，且能大幅提高焊接效率。以配備雙絲雙槍焊機的機器人焊接系統為例，其效率較手工半自動CO2單絲焊提高6倍，且焊縫外觀及整體質量得到提高[2]。

圖2 中部槽結構件

整體來說，作為在煤礦井下工作面上負責煤炭運輸的刮板輸送機，其質量可靠性將嚴重影響到煤礦企業的煤炭產量、生產效率及井下礦工的生命安全。因此，如何進一步提高我國煤礦機械刮板輸送機大型結構件中部槽的整體焊接可靠性，成為我國煤礦裝備制造企業“十四五”期間的重點研究方向。在我國多數的刮板輸送機制造企業，手工焊接至今仍然是主流的焊接作業方式，人工施焊時，焊接工人經常會受到心理、生理條件變化以及周圍環境的干擾。在高負荷的勞動強度和惡劣作業條件下，操作工人容易疲勞，難以較長時間保持焊接工作的穩定性和一致性，最終會造成焊接質量不穩定。

3 關鍵技術研究現狀

（1）中厚板焊接變形預測及控制技術 鋼結構經過焊接加工會發生一定的形狀改變，即焊接變形。變形的基本類型有橫向收縮、縱向收縮、角變形、彎曲和波浪變形。相比汽車生產的點焊和薄板弧焊，煤礦機械的焊接工藝以中厚板結構件的弧焊為主，對焊接自動化裝備的控制水平以及各種糾偏和自適應功能要求更高，焊接自動化難度也更大。因此，預測中厚板的焊接變形是大型鋼結構建造中發揮作用的關鍵[3]。常采取的變形預防措施有：合理選擇施焊方法和焊接參數，應圍繞結構中性軸平衡布置焊縫，合理選擇焊接順序，使用分段倒退焊和間斷焊、預置反變形量，以及采用剛性固定等。對已經出現的變形常采用機械和火焰矯正法[4]。這些變形預防措施和矯正工藝主要是依靠經驗和有限的試驗數據，不能適應復雜多變的結構形式和焊接方法，而且焊接變形的矯正極為耗時、費力，甚至導致產品報廢。焊接數值模擬可通過對復雜或不可觀察的焊接現象進行模擬，以及對極端情況下尚不知的規則進行預測。因此，數值模擬作為一種強有力的定量研究手段，不僅可以用來幫助理解焊接現象的本質，預測殘余應力和變形，還可用于研究控制和減小殘余應力，優化焊縫質量[5]。

（2）焊縫尋位、跟蹤及糾偏技術 通過電弧傳感器檢測待焊部位的位置偏差，經過處理控制信號，系統帶動執行機構使焊槍回到待焊位置，進而保證焊接起始點始終處于焊縫坡口的中心位置。焊縫跟蹤的作用是在焊接過程中實時檢測焊縫偏差，實時調整焊接路徑和焊接參數，從而保證焊接質量。焊縫跟蹤系統中的傳感器決定著整個系統對焊縫的跟蹤精度，焊接過程中其必須精確檢測焊縫坡口的位置及形狀。跟蹤傳感器的類型包括接觸傳感器、光電傳感器及電弧傳感器。電弧傳感器和視覺傳感器在弧焊機器人中使用頻繁，其中電弧傳感器用得最多，而視覺傳感被認為是最有前途的焊縫跟蹤傳感器[6-8]。

（3）機器人離線編程技術 離線編程技術可以應用于機器人選型和場地布置、焊鉗選型與焊點可達性驗證、路徑優化、干涉區設置、編寫程序及預測節拍等。目前，國內外相關研究機構針對弧焊參數制定、機器人與變位機協調焊接等問題，對弧焊離線編程與仿真技術進行了研究，并開發出了原型系統。隨著CAD軟件的發展，出現了集成在功能強大的CAD軟件上的離線編程系統，真正做到了CAD/CAM一體化。商品化離線編程系統在弧焊方面進步很大，實現了無碰焊接路徑的自動生成、焊縫的自動編程等功能。

（4）車間智能物流技術 車間內部物流系統管理是對物料（包括原材料、半成品、成品、消耗品）的裝卸、搬運、移動以及信息等相關活動所進行的全面管理。強化車間內部物流系統優化管理，是降低成本、提高效率、提高質量的必要方法和手段，是提高企業綜合競爭力的一種有效途徑[9]。車間內部物流系統的優化需要解決現有布局規劃、物流設備選擇、物流信息處理、質量管理、搬運技術，以及在制品庫存管理中存在的一系列問題。

（5）車間智能調度與控制技術 目前，車間動態調度主要有反饋調度、自適應調度、實時調度、在線調度等，要求能夠對生產擾動事件進行及時、有效、合理地響應處理。反饋調度與實時調度體現了生產擾動事件驅動的調思路，自適應調度強調在調度方案具有魯棒性的基礎上，盡量減少波動的影響，以上幾種形式都屬于在線調度。如何對車間生產擾動進行快速響應協調是車間動態調度的核心內容，在線、實時、適應是對動態調度的具體要求[10]。

4 未來研究發展趨勢

（1）3D視覺技術 機器人3D焊接視覺系統由焊接專用相機、焊接視覺軟件和控制器等構成。視覺技術代表了機器人的眼睛和大腦，視覺將使機器人智能化變成現實。其可搭配各型主流焊接機器人，實現復雜焊縫特征的提取、軌跡尋位及工件找正定位等功能。

（2）焊絲傳感技術 奧地利伏能士公司開發的WireSense，是一款可提高機器人焊接效率的輔助系統。該系統將焊絲作為傳感器，在每次焊接前需檢查工件的位置。通過檢測板材邊緣實際高度和位置，不但使誤差得到了補償，同時還可獲得理想的焊接效果，基本杜絕了返工和工件報廢現象，無需使用額外的光學測量設備，可節約大量時間和成本。

（3）數字孿生技術 數字孿生是以數字化方式為物理對象創建的虛擬模型，來模擬其在現實環境中的行為，也被稱為“數字鏡像”“數字雙胞胎”或“數字化映射”。通過搭建整合制造流程的數字孿生生產系統，可實現機器人焊接從仿真系統設計、生產計劃到制造執行的全過程數字化，從而將產品創新、制造效率和有效性水平提升到一個新的高度。

5 結束語

近年來，經過國家科技政策的不斷支持，機器人、焊縫跟蹤、智能物流輸送、智能焊接工藝、MES系統及自動控制技術等制約機器人焊接推廣應用的眾多關鍵技術取得重大突破，同時，3D視覺技術、焊絲傳感器、Arc-eye傳感器與數字孿生等新型技術的發展及研究均取得了突破。因此，作為重要的煤機輸送裝備之一，刮板輸送機結構件的機器人焊接已具備市場大規模推廣應用的條件。