自动化焊接设备在工程机械制造中的应用

中联重科环卫公司 （湖南长沙 410013） 宋大春

一、焊接专机和焊接机器人概述

笔者所在集团公司属于工程机械行业，其使用的自动化焊接设备主要包括自动化焊接专机和焊接机器人。使用焊接专机和机器人能提高效率、提升质量、减轻工人劳动强度和和防止职业病危害；同时由于能够24h连续的稳定工作，所以还可以代替多个人工。

例如，焊接专机比较典型的有：湖南蓝天焊接科技有限公司生产的汽车起重机吊臂焊接线，如图1所示；唐山开元自动焊接装备有限公司生产的管件相贯线切割专机；成都思尔特机器人科技有限公司生产的耳铰与弦杆定位焊及自动焊专机系统。

图1

集团各分公司还有各种弧焊机器人数十套。早期主要有IGM、唐山开元（如汽车起重机车架箱体焊接机器人工作站）等，近两年主要有CLOOS、ABB、REIS等。以臂架焊接的结构一车间为例：有臂架外焊缝焊接ABB机器人工作站5套，臂架焊接CLOOS机器人工作站一套，腹板焊接REIS机器人工作站两套，如图2所示；以及2013年初投入使用的全球首条泵车臂架焊接柔性生产线，运用模块化、柔性化组合铆焊工装技术、包括AGV智能化输送控制技术、使用CLOOS机器人工作站实现三维曲线焊缝自动化焊接等，实现了臂架多品种、小批量产品的全流水线化生产。以上工作站全部采用双机器人形式。又如在常德搅拌车生产车间，使用两套REIS机器人工作站分别焊接搅拌筒内螺旋叶片和外焊缝中的直焊缝（外环焊缝则使用一套焊接专机），外焊缝机器人工作站焊速高达900mm/min。

以上机器人工作站都使用正常，CLOOS、ABB、REIS等使用性能良好。

图2

二、焊接专机和焊接机器人特点比较

焊接专机虽然柔性较差，但特别适用于大批量、焊缝比较简单的长直焊缝和圆环焊缝的形式，此时选用焊接专机更合适，既能满足要求，价格又比较便宜，性价比高。

焊接机器人工作站自动化程度、精度更高，通过改变程序和示教能很方便的适应不同工件，特别适合目前工程机械中多品种、小批量、产品更新迅速的特点，并能适应比较复杂的焊缝。但价格较贵，对操作者的技能要求较高，一般大型企业用得较多。

三、焊接机器人的结构及技术要求

特别近两三年来，焊接机器人的使用出现井喷，一套典型的机器人工作站一般包括以下几个部分。

1. 机器人本体和控制器

机器人本体和控制器是工作站的心脏部分，机器人本体一般为6轴关节型，要求具有坚固刚性结构和负载能力，不含放射性及腐蚀性材料，使用寿命超过15年。机器人关节轴采用交流伺服电动机驱动，路径测量系统提供数字式绝对位置信息，具有优良动态特性保证焊接精度，并配有断电刹车装置（保证人身安全），重复定位精度≤±0.1mm。

机器人整个系统采用全数字化控制技术，系统各部分通过数字总线连接，由工业控制计算机实现数字化控制，不受周围配电系统的电磁场干扰，保证焊接的绝对再现性。

机器人控制系统中央处理单元应采用多处理器系统设计，具有充分的扩展空间、高稳定性，在最短的插补周期保证机器人和外部轴高速运行时的高轨迹精度。输入/输出通过总线连接。

示教器要求易于学习和提供给用户友好的“人-机”操作界面，且应为中/英文操作界面和显示、可实时显示焊接过程中的各种参数，示教器线缆外层具有耐磨保护套。

对于电控柜、操作系统等，为保持可靠、稳定，应做好防尘措施，必要时设置专门控制室。

2. 焊接电源

焊接电源建议优先选用国际一流品牌的全数字逆变脉冲焊接电源，如原装进口的奥地利福尼斯焊接电源，或机器人本体公司的自有品牌焊接电源，所选焊接电源与机器人控制系统有良好接口。带焊接专家参数，焊接参数数字显示；焊接数据由示教器输入，并在焊接过程中可在线修正；起弧成功率高，焊接回烧脉冲收弧填满弧坑且无小球；焊接中断点的重熔与覆盖；焊滴准确脱离，形成低飞溅和高质量外观焊缝；平行摆动能快速识别和均匀填充焊缝；焊枪无漏电、漏水、漏气、漏油；使用盘装及桶装焊丝，送丝速度0～24 m/min等。

由于机器人焊接时常常采用比手工焊接大一个规格的焊丝和焊接电流，故选择焊接电源规格时还应注意保证该电流下暂载率应能达到100%。

清枪剪丝喷硅油装置应能够稳定的清除飞溅和喷射硅油；剪丝可靠，保证干伸长一致。

3. 机器人外部轴行走机构（俗称龙门架）

对于大型工件，为了扩大机器人的工作范围，一般都配备有外部轴行走机构，由机器人控制系统一体控制、外部轴运动与机器人本体轴协调一致运动；机器人往往采用倒挂方式装在龙门架上，以保证焊枪有更好的可达性；为保证精度，应采用国际一流品牌的伺服电动机、减速机、直线导轨、齿轮齿条及轴承、电器元件等；同时应具备导轨、齿轮齿条的集中润滑系统，导轨还应加防尘和防飞溅护罩。

在机器人系统所有外部轴参与机器人本体联动的情况下，要求运动平稳灵活，不发生大的抖动、摇晃、不出现机器人内部杂音，经往返100次，位置平均重复精度≥±0.2mm。

4. 焊接变位机和夹具

为保证焊接时焊缝均能处于平焊或船形焊位置，机器人工作站往往都带有焊接变位机，变位机的各回转轴作为机器人系统的外部轴，可在焊接时与机器人协调运动，同时变位机的高度应注意装卸工件的方便性。夹具应有足够刚性，并尽可能采用快速夹紧机构，夹具夹持工件时不得产生变形。工件在夹具上装卸时间应尽可能短。

为保证精度，变位机中应采用国际一流品牌的伺服电动机、精密减速机。变位机和夹具上的焊接结构件应进行去应力退火。

5. 操作软件和弧焊软件包

操作软件和弧焊软件包应具有以下最常用的功能：外部轴与机器人联动控制功能、焊接横向和纵向摆动功能、传感及跟踪功能、实时调整焊接参数功能、多层多道焊功能、断点续焊功能、自诊断与自保护功能、数据库存储/调用功能、示教编程、离线编程。能对焊接过程进行模拟。有足够的功能接口：打印机连接、焊机的串行控制、焊机的模拟接口、焊机的数字接口、LAN(局域网)接口、传感器系统耦合及域总线系统。

6. 传感系统

传感系统应包括焊丝接触寻位、电弧跟踪、激光跟踪等。

焊丝接触寻位：一般用于找出各条焊缝的起始点。该功能要求不受工件表面油漆的影响。

电弧跟踪：在焊接过程中焊枪摆动，通过检测焊接电压、电流的变化，在线自动修正实际焊缝与编程位置的偏差。

激光跟踪：兼具接触寻位和电弧跟踪的功能，激光跟踪器有较强的抗干扰能力，如抗烟尘、抗飞溅、抗高频电磁干扰、抗反光等。激光跟踪精度较高，且速度快，但价格也很高；当打开激光跟踪时电弧跟踪和接触寻位往往会被关闭；比较好的激光跟踪器有加拿大SERVO和英国META。比如，本公司的REIS工作站就采用SERVO的POWER-CAM激光跟踪器。

7. 工作站辅助装置及除尘系统

机器人工作时是全封闭的，当有人进入安全围栏内时，挡住光栅感应器接收光线，系统即全部自动停止工作，保证人身安全。如果车间装有整体除尘系统，则无需除尘系统。

四、焊接机器人有待继续提升的地方

一般来说，对焊接质量影响最大的是机器人本体（及控制器）、焊接电源、传感系统、外部行走机构和变位机。对焊接效率影响最大的是机器人本体（及控制器）、焊接电源、传感系统，其中尤以传感系统最为关键。

在工程机械行业，由于零件制作精度和组装精度不是很高，导致机器人焊接主要存在以下问题：

第一，焊缝无法跟踪或寻位效率太低：例如对焊接时不摆动的焊缝、对接焊缝、焊脚高等于板厚的搭接焊缝都无法使用电弧跟踪，此时只能靠每条焊缝多增加接触寻位点（一般寻位一个点约10s），这就造成有时候效率反而比焊条电弧焊还低。另外，对缝隙很小的对接焊缝使用激光跟踪也会有问题，同时由于激光跟踪器是在焊枪前端，在直角转弯处需进行处理。

第二，当焊缝间隙过大（大于3mm）时要先手工打底，因为再提高零件精度成本可能会过高，同时工装也无法保证每条焊缝的位置精度。

第三，机器人焊接后往往还要有补焊工序，因为经常存在以下情况：较小尺寸的空间焊缝（如小锐角三角形区域）焊枪无法进入；焊缝无法跟踪或跟踪偏离；焊缝多、短、且位置复杂，寻位效率太低，此时不如使用手工补焊更合理。

第四，目前机器人智能明显不如自然人，比如当一条焊缝分叉为两条焊缝时，机器人无法自动处理。

上述情况都会导致焊达率不高，有的只有80%，反而还比人工多出打底、补焊工序。使焊接机器人的应用达不到预期效果。

鉴于上述问题，机器人焊接需要提升的地方：

第一，开发可靠性高，并完全适用于角焊缝、搭接焊缝、对接焊缝的实时跟踪技术（目前仅仅只比较好地解决了角焊缝得跟踪问题），尽可能减少后续补焊工作量。

第二，增加机器人的人工智能，使之能够根据焊缝间隙自行判断并进行打底焊，取消人工打底。