自动化焊接设备在工程机械制造中的应用探讨

陈明凯

摘 要：自动化焊接设备在机械工程制造中已经得到了广泛应用，是提升机械生产制造能力的关键。文章首先对自动化焊接设备进行总体概述，分别介绍焊接专机与焊接机器人的特点。在此基础上，探讨自动化焊接设备的工程应用，包括控制系统、焊接电源、龙门架、软件系统、传感系统等的应用，并分析其应用现状及发展趋势。

关键词：自动化焊接设备；工程机械制造；自动化焊接专机；焊接机器人；应用发展趋势

中图分类号：TQ176.5 文献标志码：A 文章编号：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

自动化技术在机械生产制造中的应用极大的提升了生产效率和产品质量，是推动经济社会发展的重要源动力。无论是从市场经济角度还是提升企业核心竞争力，都应积极引进先进的自动化设备，充分发挥自动化技术的应用优势，减少生产过程中对人的依赖性，从而降低人工成本和工作劳动强度。因此，應结合技术发展状况和工程实际应用情况展开研究，对加速工程机械制造企业的发展都有重要的战略意义。

1 自动化焊接设备概述

在工程机械制造行业，自动化焊接设备主要是指焊接专机和焊接机器人，自动化焊接设备能够稳定和提高焊接质量，保证其均匀一致性；提高劳动生产效率；改善工人劳动条件；减少了烟尘、弧光及飞溅对人员健康的危害；降低了对工人操作技术的要求；减少了其他相应设备的投资；综合成本更低。随着科学技术的不断发展，自动化焊接设备在功能和性能也获得了不断地提高和突破，不仅能够高效率的完成传统人工操作过程，而且能够为产品生产质量提供保障。比如由蓝天焊接科技有线公司研制的自动化汽车起重机吊臂焊接线，如图1所示。

该设备属于自动化焊接专机设备，此外还有车架箱体焊接机器人工作站、臂架外焊缝焊接ABB机器人工作站等，都在实际工程生产中得到了广泛应用。目前较为先进的泵车臂架焊接自动化生产线，综合运用了柔性化组合铆焊工装技术、AGV智能传输控制技术和CLOOS机器人工作站等，可以实现小批量、多品种的产品流水线生产[1]。

2 焊接专机与焊接机器人的特点

2.1 焊接专机

焊接专机的特点是成本价格低，性价比高，适用于长直焊缝、圆环焊缝等形式的焊接生产，能够满足大批量的生产工艺要求。目前使用较多的有自动化管件切割机、耳铰与弦杆自动焊专机等。由于焊接专机的自动化控制技术相对容易实现，已经在机械工程中得到广泛应用，但其缺点是柔性较差，因此在柔性化组合铆焊工艺中，通常需要与自动化焊接机器人工作站配合使用[2]。

2.2 焊接机器人

相比于焊接专机，自动化焊接机器人的控制精度更高，自动化程度和智能化程度也相对较高。通过模块化编程技术的应用，使机器人工作站能够适应不同工件的生产要求。焊接机器人广泛适用于各种机械生产工况，产品更新换代速度快，但成本价格较高，且对操作技能有较高要求，目前一般在大型工程中应用较多。具有代表性的有ABB、CLOOS、REIS等机器人工作站[3]。

3 自动化焊接设备在工程机械制造中的具体应用

3.1 控制系统的应用

随着自动化焊接技术的发展，在实际工程中机器人工作站的使用越来越多。在一个焊接机器人工作站中，控制器和机器人本体是其核心组成部分，本体一般采用6轴关节形式，具有较高的结构刚性和负载能力，所使用的材料不具有放射性和腐蚀性，使用年限一般在15年以上。关节轴一般采用交流伺服电动机提供驱动力，具备先进的数字化路径测量系统，能够提供绝对位置信息，使其具有较高的焊接精度，重复定位精度误差可以控制在0.1mm以内。此外，系统中还包含断电刹车装置，能够为使用安全提供保障。

整个系统以全数字化控制技术为基础，由数字总线连接各个部分，采用计算机进行统一控制，可以有效抵抗配电系统电磁场干扰，确保焊接的绝对在再现。其中央处理单元采用多处理器设计方案，稳定性强，具有可扩展功能，能够保证高速运行状态下的轨迹精度。系统中包含有示教器，具有友好的操作界面，能够方便操作者学习使用。在操作界面中显示焊接工艺的关键参数，能够实现可视化控制。此外，电控柜和操作系统等均有防尘处理措施，或设置有专门的控制室，能够保证系统的可靠运行。endprint

3.2 焊接电源的应用

焊接电源的应用要优先选用国际先进品牌，比如福尼斯牌全数字逆变脉冲焊接电源，一些具有自主知识产权的大型企业也可以使用本公司自主研发的焊接电源，提高工艺的配套性。在选择焊接电源时，要注意与控制系统接口的匹配性。一般较为先进的产品带有焊接专家参数系统，能够对焊接参数进行数字化显示。主要数据通过示教器输入，在焊接生产过程中，可以随时对其进行在线修正。先进的技术产品收弧成功率较高，可以确保焊接回收脉冲收弧能够填满弧坑，而且没有凸起。焊接中断点的覆盖与重熔、外观焊缝、焊滴脱离的准确度都较高。利用其平行摆动功能能够快速、有效的识别出焊缝并进行填充。使用的焊枪无漏电、漏油等现象。一般使用盘装或桶装焊丝，其送丝速度可以达到0～24m/min。由于焊接机器人的焊丝规格较大，在选择电源规格时，应确保其暂载率能够达到100%。

3.3 龙门架的应用

龙门架即自动化焊接机器人的外部轴行走部分，该部分结构是扩大机器人工作范围的关键，目前在工程中应用的机器人工作站均为机器人本体配备的外部行走框架。该部分控制功能由控制系统统一负责，采取一体化控制方式，能够确保外部轴运动与本体运动协调一致。在系统中，机器人本体通常倒挂在龙门架上，使焊枪具有较高的可达性。为了确保在外部轴行走状态下的焊接精度，应采用国际先进品牌的导轨、轴承和齿轮等构件，并配備性能优越的服务电动机和减速机，同时做好导轨的润滑、防尘和防飞溅保护措施。在外部轴运行状态下，机器人本体要保持平稳，避免发生较大幅度的摇晃和抖动，平均重复精度误差应控制在0.2mm以内。

3.4 其他机具应用

其他机具的应用选择主要包括焊接变位机、夹具等。为了确保机器人在焊接作业时，焊缝能够处于船型焊位或平焊位置，应为机器人工作站配备焊接变位机，将其回转轴作为系统外部轴，与机器人协调运动。在设置变位机高度时，应充分考虑装卸工件的需要，尽量提高施工的方便性。在机器人焊接站中使用的夹具必须满足刚性要求，要能够在需要时快速加紧，且防止夹持工件出现变形。因此，在设计系统结构和设计参数时，应充分考虑这方面的需求，尽可能缩短装卸过程中工件在夹具上的时间。其他机具的选择也应该尽可能使用较为先进的技术品牌，采用性能优越的伺服电动机和精密性较好的减速机，此外，应为变位机和夹具的焊接结构件进行应力退火处理。

3.5 软件和传感系统应用

在软件和传感系统应用方面，自动化焊接机器人工作站使用的操作软件及弧焊软件包功能较为复杂，具体包括以下几个方面：（1）示教编程功能；（2）离线编程功能；（3）数据库存储功能；（4）数据处理和调用功能；（5）自诊断功能；（6）断点续焊功能；（7）多层多道焊接功能；（8）参数实时调整功能；（9）纵向与横向摆动功能；（10）机器人与外部轴的联动控制功能；（11）传感和跟踪功能。为使系统具有较高的可扩展性，系统中应包含多种功能接口，包括焊机串行控制接口、模拟接口、数字接口、打印机接口、局域网接口和域总线系统接口等。

其中，传感系统的功能主要包括电弧跟踪、焊丝接触寻位和激光跟踪等。在系统运行过程中，电弧跟踪功能通过对焊接电压和电流变化情况的检测，自动修正焊缝编程位置与实际位置的偏差。焊丝接触寻位功能可以找出焊缝起始点。激光跟踪功能同时具备上述两项功能，而且具有较高的抗干扰能力，但激光跟踪器的成本较高，可以根据工程实际情况进行合理选择。

3.6 自动化焊接设备的应用发展趋势

总体来看，在工程机械制造过程中，自动化焊接设备的应用主要受机器人本体、控制器、传感系统、焊接电源和外部机具的影响。由于工程机械制造对工件制作精度有严格要求，在应用自动化设备的过程中，应确保设备与工艺的匹配性，根据工程实际情况合理设置焊接参数，并充分利用其自诊断功能进行参数调整和修复。目前自动化焊接设备还有较大的提升空间，在未来的应用发展过程中，要集中解决焊缝实时跟踪、寻位效率低、焊缝间隙大时需要人工打底、经过自动化焊接后还要进行补焊等问题，从而进一步提升设备的自动化和智能化程度。

4 结束语

综上所述，自动化焊接设备目前已经在工程机械制造中得到了广泛应用，具有极高的应用价值。利用先进的自动化焊接机器人工作站，代替以往的人工焊接方式，可以明显提升焊接工作效率和焊接质量。通过合理选择焊接设备，设计系统组成方式，并对运行参数进行解释调整，可以确保自动化焊接设备的可靠运行。

参考文献：

[1]赵国新.自动化焊接新技术在机械制造中的应用研究[J].中国新技术新产品，2017（19）：12-13.

[2]孔德龙，陆迪，孙向博.分析机电自动化在工程机械制造中的应用[J].通讯世界，2016（17）：238.

[3]魏守盼，周仕勇，张峰.数控切割技术在工程机械中的应用及发展[J].金属加工（热加工），2014（08）：34-35.endprint