自動化焊接設備在工程機械制造中的應用探討

陳明凱

摘 要：自動化焊接設備在機械工程制造中已經得到了廣泛應用，是提升機械生產制造能力的關鍵。文章首先對自動化焊接設備進行總體概述，分別介紹焊接專機與焊接機器人的特點。在此基礎上，探討自動化焊接設備的工程應用，包括控制系統、焊接電源、龍門架、軟件系統、傳感系統等的應用，并分析其應用現狀及發展趨勢。

關鍵詞：自動化焊接設備；工程機械制造；自動化焊接專機；焊接機器人；應用發展趨勢

中圖分類號：TQ176.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0153-02

Abstract： Automatic welding equipment has been widely used in mechanical engineering manufacturing， which is the key to improve the manufacturing capability of machinery production. Firstly， this paper gives a general overview of the automatic welding equipment， and introduces the characteristics of special welding machine and welding robot respectively. On this basis， the engineering application of automatic welding equipment is discussed， including the application of control system， welding power source， gantry frame， software system and sensing system.

Keywords： automatic welding equipment； construction machinery manufacturing； automatic welding machine； welding robot； application development trend

前言

自動化技術在機械生產制造中的應用極大的提升了生產效率和產品質量，是推動經濟社會發展的重要源動力。無論是從市場經濟角度還是提升企業核心競爭力，都應積極引進先進的自動化設備，充分發揮自動化技術的應用優勢，減少生產過程中對人的依賴性，從而降低人工成本和工作勞動強度。因此，應結合技術發展狀況和工程實際應用情況展開研究，對加速工程機械制造企業的發展都有重要的戰略意義。

1 自動化焊接設備概述

在工程機械制造行業，自動化焊接設備主要是指焊接專機和焊接機器人，自動化焊接設備能夠穩定和提高焊接質量，保證其均勻一致性；提高勞動生產效率；改善工人勞動條件；減少了煙塵、弧光及飛濺對人員健康的危害；降低了對工人操作技術的要求；減少了其他相應設備的投資；綜合成本更低。隨著科學技術的不斷發展，自動化焊接設備在功能和性能也獲得了不斷地提高和突破，不僅能夠高效率的完成傳統人工操作過程，而且能夠為產品生產質量提供保障。比如由藍天焊接科技有線公司研制的自動化汽車起重機吊臂焊接線，如圖1所示。

該設備屬于自動化焊接專機設備，此外還有車架箱體焊接機器人工作站、臂架外焊縫焊接ABB機器人工作站等，都在實際工程生產中得到了廣泛應用。目前較為先進的泵車臂架焊接自動化生產線，綜合運用了柔性化組合鉚焊工裝技術、AGV智能傳輸控制技術和CLOOS機器人工作站等，可以實現小批量、多品種的產品流水線生產[1]。

2 焊接專機與焊接機器人的特點

2.1 焊接專機

焊接專機的特點是成本價格低，性價比高，適用于長直焊縫、圓環焊縫等形式的焊接生產，能夠滿足大批量的生產工藝要求。目前使用較多的有自動化管件切割機、耳鉸與弦桿自動焊專機等。由于焊接專機的自動化控制技術相對容易實現，已經在機械工程中得到廣泛應用，但其缺點是柔性較差，因此在柔性化組合鉚焊工藝中，通常需要與自動化焊接機器人工作站配合使用[2]。

2.2 焊接機器人

相比于焊接專機，自動化焊接機器人的控制精度更高，自動化程度和智能化程度也相對較高。通過模塊化編程技術的應用，使機器人工作站能夠適應不同工件的生產要求。焊接機器人廣泛適用于各種機械生產工況，產品更新換代速度快，但成本價格較高，且對操作技能有較高要求，目前一般在大型工程中應用較多。具有代表性的有ABB、CLOOS、REIS等機器人工作站[3]。

3 自動化焊接設備在工程機械制造中的具體應用

3.1 控制系統的應用

隨著自動化焊接技術的發展，在實際工程中機器人工作站的使用越來越多。在一個焊接機器人工作站中，控制器和機器人本體是其核心組成部分，本體一般采用6軸關節形式，具有較高的結構剛性和負載能力，所使用的材料不具有放射性和腐蝕性，使用年限一般在15年以上。關節軸一般采用交流伺服電動機提供驅動力，具備先進的數字化路徑測量系統，能夠提供絕對位置信息，使其具有較高的焊接精度，重復定位精度誤差可以控制在0.1mm以內。此外，系統中還包含斷電剎車裝置，能夠為使用安全提供保障。

整個系統以全數字化控制技術為基礎，由數字總線連接各個部分，采用計算機進行統一控制，可以有效抵抗配電系統電磁場干擾，確保焊接的絕對在再現。其中央處理單元采用多處理器設計方案，穩定性強，具有可擴展功能，能夠保證高速運行狀態下的軌跡精度。系統中包含有示教器，具有友好的操作界面，能夠方便操作者學習使用。在操作界面中顯示焊接工藝的關鍵參數，能夠實現可視化控制。此外，電控柜和操作系統等均有防塵處理措施，或設置有專門的控制室，能夠保證系統的可靠運行。endprint

3.2 焊接電源的應用

焊接電源的應用要優先選用國際先進品牌，比如福尼斯牌全數字逆變脈沖焊接電源，一些具有自主知識產權的大型企業也可以使用本公司自主研發的焊接電源，提高工藝的配套性。在選擇焊接電源時，要注意與控制系統接口的匹配性。一般較為先進的產品帶有焊接專家參數系統，能夠對焊接參數進行數字化顯示。主要數據通過示教器輸入，在焊接生產過程中，可以隨時對其進行在線修正。先進的技術產品收弧成功率較高，可以確保焊接回收脈沖收弧能夠填滿弧坑，而且沒有凸起。焊接中斷點的覆蓋與重熔、外觀焊縫、焊滴脫離的準確度都較高。利用其平行擺動功能能夠快速、有效的識別出焊縫并進行填充。使用的焊槍無漏電、漏油等現象。一般使用盤裝或桶裝焊絲，其送絲速度可以達到0～24m/min。由于焊接機器人的焊絲規格較大，在選擇電源規格時，應確保其暫載率能夠達到100%。

3.3 龍門架的應用

龍門架即自動化焊接機器人的外部軸行走部分，該部分結構是擴大機器人工作范圍的關鍵，目前在工程中應用的機器人工作站均為機器人本體配備的外部行走框架。該部分控制功能由控制系統統一負責，采取一體化控制方式，能夠確保外部軸運動與本體運動協調一致。在系統中，機器人本體通常倒掛在龍門架上，使焊槍具有較高的可達性。為了確保在外部軸行走狀態下的焊接精度，應采用國際先進品牌的導軌、軸承和齒輪等構件，并配備性能優越的服務電動機和減速機，同時做好導軌的潤滑、防塵和防飛濺保護措施。在外部軸運行狀態下，機器人本體要保持平穩，避免發生較大幅度的搖晃和抖動，平均重復精度誤差應控制在0.2mm以內。

3.4 其他機具應用

其他機具的應用選擇主要包括焊接變位機、夾具等。為了確保機器人在焊接作業時，焊縫能夠處于船型焊位或平焊位置，應為機器人工作站配備焊接變位機，將其回轉軸作為系統外部軸，與機器人協調運動。在設置變位機高度時，應充分考慮裝卸工件的需要，盡量提高施工的方便性。在機器人焊接站中使用的夾具必須滿足剛性要求，要能夠在需要時快速加緊，且防止夾持工件出現變形。因此，在設計系統結構和設計參數時，應充分考慮這方面的需求，盡可能縮短裝卸過程中工件在夾具上的時間。其他機具的選擇也應該盡可能使用較為先進的技術品牌，采用性能優越的伺服電動機和精密性較好的減速機，此外，應為變位機和夾具的焊接結構件進行應力退火處理。

3.5 軟件和傳感系統應用

在軟件和傳感系統應用方面，自動化焊接機器人工作站使用的操作軟件及弧焊軟件包功能較為復雜，具體包括以下幾個方面：（1）示教編程功能；（2）離線編程功能；（3）數據庫存儲功能；（4）數據處理和調用功能；（5）自診斷功能；（6）斷點續焊功能；（7）多層多道焊接功能；（8）參數實時調整功能；（9）縱向與橫向擺動功能；（10）機器人與外部軸的聯動控制功能；（11）傳感和跟蹤功能。為使系統具有較高的可擴展性，系統中應包含多種功能接口，包括焊機串行控制接口、模擬接口、數字接口、打印機接口、局域網接口和域總線系統接口等。

其中，傳感系統的功能主要包括電弧跟蹤、焊絲接觸尋位和激光跟蹤等。在系統運行過程中，電弧跟蹤功能通過對焊接電壓和電流變化情況的檢測，自動修正焊縫編程位置與實際位置的偏差。焊絲接觸尋位功能可以找出焊縫起始點。激光跟蹤功能同時具備上述兩項功能，而且具有較高的抗干擾能力，但激光跟蹤器的成本較高，可以根據工程實際情況進行合理選擇。

3.6 自動化焊接設備的應用發展趨勢

總體來看，在工程機械制造過程中，自動化焊接設備的應用主要受機器人本體、控制器、傳感系統、焊接電源和外部機具的影響。由于工程機械制造對工件制作精度有嚴格要求，在應用自動化設備的過程中，應確保設備與工藝的匹配性，根據工程實際情況合理設置焊接參數，并充分利用其自診斷功能進行參數調整和修復。目前自動化焊接設備還有較大的提升空間，在未來的應用發展過程中，要集中解決焊縫實時跟蹤、尋位效率低、焊縫間隙大時需要人工打底、經過自動化焊接后還要進行補焊等問題，從而進一步提升設備的自動化和智能化程度。

4 結束語

綜上所述，自動化焊接設備目前已經在工程機械制造中得到了廣泛應用，具有極高的應用價值。利用先進的自動化焊接機器人工作站，代替以往的人工焊接方式，可以明顯提升焊接工作效率和焊接質量。通過合理選擇焊接設備，設計系統組成方式，并對運行參數進行解釋調整，可以確保自動化焊接設備的可靠運行。

參考文獻：

[1]趙國新.自動化焊接新技術在機械制造中的應用研究[J].中國新技術新產品，2017（19）：12-13.

[2]孔德龍，陸迪，孫向博.分析機電自動化在工程機械制造中的應用[J].通訊世界，2016（17）：238.

[3]魏守盼，周仕勇，張峰.數控切割技術在工程機械中的應用及發展[J].金屬加工（熱加工），2014（08）：34-35.endprint