重型机械制造工艺中焊接连接技术与机器人应用

作为焊接重型机械制造过程中的关键连接技术，焊接设备与机器人设备的联合使用，推动了焊接机器人智能制造技术的不断发展，更好地服务于我国企业的生产。通过介绍焊接机器人在重型机械行业的应用及发展趋势，阐述了焊接机器人因产品需求不同而发展了不同的焊接机器人工作站，促进了焊接机器人的智能化、自动化发展，提高了企业的生产效率，降低了现场操作人员的劳动强度，改善了焊接工作环境。阐述了焊接机器人在智能制造领域的未来发展方向。

一

前言

重型机械工业是国民经济发展的基础，是一个国家综合国力的重要体现，在国民经济发展中占有特殊地位。重型机械工业的发展已经成为我国矿业、能源开发、原材料生产等基础工业发展的重要保障。随着中国制造的快速发展，智能装备等技术将广泛应用于重型机械行业，推动企业的产品和技术升级，使企业适应现代化的步伐，向工业4.0的目标迈进。

焊接作为重型机械行业生产过程中的关键技术之一，一直发挥着重要的作用，决定着产品的质量、可靠性和安全性。我国重型机械企业的发展模式一直是劳动密集型，呈现出劳动力成本低、工作环境差、技术对人的依赖性较大的特点。然而，随着社会的进步和新技术的发展，企业发展的模式逐渐从劳动密集型向技术密集型转变，强调以人为本的发展方向。因此，为了更好地体现以人为本的发展模式，重机行业的产品急需进行生产工艺的升级改造。随着焊接设备自动化和智能化新技术的快速发展，有必要大力推广使用智能焊接技术，逐步取代现有的落后技术，改善现场工作环境，提高工作效率[1]。

2

重型机械焊机的发展趋势

面对新的竞争市场环境，重型机械行业正逐步向专业化、装备化、智能化和自动化方向发展，以满足产品升级的需求。焊机技术在重型机械行业得到了广泛应用，促进了智能制造技术的升级，增加了企业的经济效益。一般来说，专用焊机包括焊接操作设备、位移设备、控制设备和外围安全设备等。，并可根据客户的产品要求定制。它具有很强的灵活性和实用性，应用范围广。随着新型传感器、信息技术和机器人技术的发展，特种焊机的发展正逐步走向智能化，以更好地满足产品需求[2]。

由于定制需求，焊机技术应用范围广，可以实现多种产品的自动焊接。介绍了以下特种焊机在重型机械行业的应用。对于中厚度V型坡口管道的对接焊，我公司设计了一种带有专用焊机的旋转轨道，并在轨道上进行管道氩弧焊，如图1a所示。

根据产品的特点，我公司设计了一种XZ直线轨道，可以双向运动。电弧焊炬安装在行走轴的末端。堆焊产品时，焊缝的高度会逐渐增加，Z轴会随着焊缝的增加而上升，以保证焊缝的外观美观，如图1b所示。

厚板产品的焊接轨迹为圆弧、坡口角焊和多层多道焊。根据产品的焊接特点，我公司开发的厚板专用弧焊机如图1c所示。该专机包括行走轴、焊接设备、摄像照相、线激光和上位机控制系统。集成摄像拍照传感器，可根据摄像拍照识别工件，生成电弧轨迹，并通过线激光传感器修正焊枪运动轨迹，保证焊缝和焊接质量的一致性。大厚度管道的埋弧焊如图1d所示。该专用焊机集埋弧焊设备、旋转变位机、X行走轴、机器人和弧焊设备等为一体。工作顺序是外部设备控制变位机旋转，机器人弧焊设备对工件进行打底焊接，然后用埋弧焊焊接填充盖。

三

重型机械机器人焊接的发展趋势

随着传感器和信息技术的快速进步，焊接机器人的相关技术也相应发展起来，促进了焊接机器人在许多行业的广泛应用。尤其是智能制造受到国家政策的支持，使得焊接机器人在重机行业的应用最为广泛。由于焊接机器人的广泛使用，在一定程度上提高了产品焊接生产的效率和质量，也有效改善了现场操作人员的工作环境[3]。焊接机器人技术经历了研究、发展和成熟的过程，现在已经发展到像人类一样具有外部感知，能够做出判断和动作，能够适应各种环境变化。根据客户的不同需求，焊接机器人的应用类型已经从单机器人焊接工作站、单工位工作站和外部导轨集成发展到焊接机器人成为自动化生产线的组成部分。

图2是一个简单的焊接机器人工作站，主要由机器人、焊枪、焊机等设备组成。焊接产品为厚板，可通过编程实现电弧自动焊接。重型机械行业产品的加工误差可以通过机器人定位、电弧跟踪等传感器进行修正，使机器人焊接产品质量稳定。

图3为主梁焊接机器人工作站，主要由机器人、焊枪和焊工、旋转立柱、导轨和点激光器组成。焊接产品为大梁，通过参数化编程实现大梁的自动焊接。该工作站主要利用上位机建立模型，通过通信将三维模型的参数传输给机器人，从而实现机器人的自动焊接。

介绍了粉盒焊接机器人工作站，主要由机器人、定位器、行走导轨、焊枪、焊机和激光器等组成。待焊产品为粉盒，通过编程实现三工位产品的自动焊接。该焊接机器人工作站采用外置激光传感器进行定位跟踪，保证了产品焊接的一致性，实现了产品焊接质量的稳定。

四

重型机械智能焊接机器人的发展趋势

4.1重型机械机器人焊接技术的发展趋势

目前国产机器人在各个行业尤其是重型机械行业还无法与国外机器人“四大家族”抗衡，实现大规模普及应用还有很长的路要走。随着科学技术的发展，我国机器人在相关传感和控制技术以及关键部件方面将逐步完善，在一定程度上，其性能和功能可以达到先进水平。重机工业生产的产品是由许多结构件组装焊接而成的，在整个产品中起着承载作用，对这些结构件的结构性能要求很高。由于这些结构件的焊接量很大，采用机器人焊接具有重要的现实意义。但是对于新产品的生产，现场调试的时间会很长，所以如何减少现场产品的示教过程，缩短产品的现场调试时间，降低生产节奏，提高产品的制造效率，增加企业的效益，是很多企业迫切需要解决的问题。

(1)离线仿真技术的发展

“四大家族”品牌机器人都有离线仿真软件。该软件可以在虚拟工作平台上编写机器人程序和逻辑指令，无需现场示教编程，减少了现场示教时间，提高了生产效率。可以配备模拟实际工作站的平台，编写程序，将生成的生产作业程序通过外部移动设备导入田间机器人的控制器进行生产作业。各大机器人厂商的仿真软件各有特色。ABB的机器人仿真软件是Robotstudio。在该软件上，可以编写产品的焊接程序，包括摆动、电弧跟踪和激光跟踪，还可以编写循环指令和选择语句。

图5示出了结构部件的底架，其使用离线模拟软件来模拟工件的可达范围。使用该软件，需要导入机器人模型、焊枪和整个工作站模型，以承载实际场景的实际图形。然后编写运动程序，针对工件的焊接位置编写焊接程序、焊枪清洗程序和逻辑程序。

(2)基于视觉的实时在线技术，无需编程。

目前国内几大机器人厂商如Eft、钱江等都有开源的控制系统，国内外集成商都可以开发。集成商可以根据客户的需求进行二次开发，让机器人适应新的环境。集成商将各种传感器与机器人结合起来，形成一种新的智能机器人技术，更加智能。

智能焊接机器人工作站主要由视觉传感器、线激光器、点激光器、机器人、焊机、外部跟踪、上位机软件开发等设备组成。这个工作站不需要现场编辑程序。通过运行计算机上的软件，可以生成机器人轨迹。该工作站可改善现场操作人员的工作环境，无需编程或任何位置修正即可直接焊接。

4.2重型机械智能焊接的发展趋势

由于以前重机行业的焊接都是依靠手工焊接，焊接质量都取决于焊工的实际技术水平和焊工自身素质，焊接质量很难控制，焊接质量控制技术应运而生。焊接质量控制技术，利用视觉传感方法监测和检测焊接熔池的变化和焊缝背面的形成，并根据形成变化实时调整机器人位置，从而获得更好的焊缝形成。

焊接质量控制技术主要包括焊接熔池变化、焊接过程建模和控制器设计。监控焊接熔池的变化是控制焊缝成形质量的重要步骤。基于视觉传感器的在线实时监测可以直观地反映焊接过程中的焊接成形行为，因此这种方法常用于焊接过程控制。此外，掌握焊接参数与焊缝成形之间的规律，建立焊接成形模型也是控制器的设计基础。随着技术的发展，现代神经网络、模糊集、粗糙集等智能建模方法的提出和应用，使得焊接成形质量控制技术得到了发展。随着对焊接过程认识的深入，所建立的焊接过程模型会更加准确，焊接成形质量控制技术也会得到进一步发展。

五

结束语

随着中国制造不断向更高水平发展，新时代信息技术革命引领的智能化、数字化在重型机械行业的应用，将推动焊接机器人与智能、自动控制系统的结合，发展新型智能焊接技术。智能焊接技术的广泛使用可以在一定程度上替代机械行业的部分劳动力。在提高生产效率的同时，还能生产出更好的产品，增加企业的经济效益。这将有力推动我国重型机械行业的技术转型升级，向智能化发展。