自動化焊接設備在機械制造中的應用

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摘要：近年來，工程機械焊接自動化已經不是一個新鮮的詞匯，中國的工程機械制造行業迎來了歷史的轉型期，自動化焊接設備的接入決定了企業的生產能力及核心競爭力。文章針對自動化焊接設備在工程機械制造中的應用進行了研究。

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；焊接電源

工程機械制造業是推動經濟社會發展的重要一環，無論是從國家戰略角度，還是市場經濟角度，加速工程機械制造企業的發展都是重要的戰略目標。在這種環境下，要想成為行業的領軍人物和領跑者，如何應對自動化焊接設備這項機遇和挑戰成為企業成敗的關鍵。本文將就自動化焊接專機和焊接機器人作為切入點，進行結構及特點上的比較分析，并對自動化焊接設備的應用現狀和發展趨勢進行簡單討論。

1自動化焊接設備

1.1自動化焊接設備概述

焊接自動化是指將自動化、智能化的控制系統和焊接工具有機結合，如焊接胎夾具、裝夾定位和運動系統等，實現效率、質量的大浮動提升和人工等成本的降低，主要應用于大規模的批量生產。自動化焊接設備主要常用設備包括自動化焊接專機和焊接機器人等。自動化焊接專機和機器人的使用大大提高了生產效率，提升了制造質量，同時也減輕了工人的工作量和工作強度，最為重要的是自動化設備的應用實現了二十四小時的連續穩定工作，極大程度地代替了人工勞動。在工程機械、礦山機械和船舶制造等需要廣泛應用焊接技術的行業，自動化焊接設備的應用是一項重大的科技改革，起到了提高企業生產能力的決定作用。

1.2自動化焊接設備的主要特點

自動化焊接設備主要具備以下四個特點：

1.2.1大型化、組合化。目前已研制成功多種大型的自動化焊接設備，用于大型或中型的焊接結構生產中，如中重型厚壁容器焊接中心、箱型梁焊接生產線、集裝箱外殼整體組裝焊接中心等。有些大型的焊接中心占地面積可達整個車間。

1.2.2數字化、智能化。焊接過程中的數字化、智能化的實現要復雜得多。數字化、智能化控制不僅需要考慮到焊件接縫裝配間隙的誤差，還要考慮到焊件的形狀和焊接過程發生的熱變形等，因此對傳感技術的要求特別高，同時還需要先進的自適應控制系統作為技術支持。針對復雜程度較高的焊接工作，甚至還需要計算機軟件的輔助。

1.2.3高精度、高質量。一般來說，焊接機器人和焊接操作機行走機構的定位精度在0.1毫米之內，與焊接機器人配套的焊接變位機的定位精度在0.05毫米以內，因此自動化焊接設備一直受到大型工程機械制造企業的青睞。

1.2.4管控一體化。利用多種計算機軟件，通過局域網將生產、制造的管理系統實現自動化控制，實現脫機工作和遠程監控等，在出現故障時，也可以通過自動化的管控實現診斷和維修。

2自動化焊接專機與焊接機器人的比較分析

2.1自動化焊接專機的結構及應用

2.1.1自動化焊接專機結構。自動化焊接專機主要由焊接系統、機械系統和電氣控制系統組成。需要人工或機械手來上下工件，通過焊接夾具完成工件的固定和定位，并自動啟動電源的電弧，自動送絲、自動移動、自動退回，人工或機械手再取下工件。焊接系統包括焊接電源和焊槍，機械系統主要由床身機構、工裝夾具、工件輔助支撐機構、焊槍微調機構、焊接工件和焊槍移動機構組成。電氣系統主要控制夾具的裝夾和定位，焊機的啟動和停止，焊槍或工件的運動，輸送裝置等。

2.1.2自動化焊接專機的應用。自動化焊接專機主要采用雙絲焊接，如在推土機的生產中，可以應用于主臂焊接、車架的主焊縫等。焊接專機的使用大大提高了生產效率，一般為人工單絲焊接的2倍，此外同人工焊接相比，焊接專機焊接的焊縫沒有斷弧，且雙絲焊接的熔深比較深，因此提高了焊縫的力學性能。自動化焊接專機自適應控制類專機，是一種自動化程度較高的焊接設備，通過配備的傳感器和電子檢測線路，對焊縫的軌跡自動跟蹤導向，有的甚至可以完成對參數的設置和調試。此外還有智能化的焊接專機，能夠利用高等級的傳感器，如視覺傳感器、觸角傳感器和光敏傳感器，配合計算機系統、軟件、數據庫，實現智能化的參數調試，人工操作簡便，但是由于很多條件限制，實際生產工作中還很少被應用。與焊接機器人相比，自動化焊接專機具有更高的性價比。焊接自動化專機對焊件的直線和曲線焊縫的焊接具有一定優勢，適合大批量的生產。不但焊接效率高，焊接過程中焊件變形小，焊接產品質量穩定，同時操作簡便、成本低廉、工作安全可靠，因此在實際工程機械制造中得到廣泛的應用。

2.2焊接機器人的結構及應用

2.2.1焊接機器人的結構。焊接機器人結構主要有機器人本體和控制器、焊接電源、機器人外部軸行走機構、焊接變位機和夾具、操作軟件和弧焊軟件包、傳感系統、工作站輔助及除塵系統等。機器人本體和控制器是焊接機器人工作站的重中之重，一般為六軸關節型，具有較強的負載能力和堅固的剛性結構，使用壽命較長，一般可使用十五年以上。機器人系統采用數字化控制技術，通過數字總線連接系統的各個部分，保證其不受周圍的磁場干擾。機器人控制系統采用多處理器的中央處理系統，具有充分的擴展空間和穩定性，保證焊接的高精度和高質量。在焊接電源的選擇方面，由于焊接機器人需要較大規格的焊絲和電流，因此應保證在該電流下暫載率達到100%。建議選擇國際一流品牌的全數字的逆變脈沖焊接電源或機器人公司自有品牌，以保證良好的接口。機器人的外部軸行走機構是為了應對大型焊件，用來擴大機器人的工作范圍使用。機器人外部軸行走機構由機器人控制系統統一控制，外部軸與本體軸運動協調一致進行運動。在選擇方面，同樣建議選擇國際一流品牌以確保高精度焊接，具有良好的穩定性和靈活性，避免發生較大搖晃和抖動情況發生。焊接變位機和夾具是為了保證焊接時焊縫的位置，一般將變位機的回轉軸作為機器人外部軸，在焊接時與機器人相互協調。優質的夾具有足夠的剛性，能夠夾緊焊件而不變形。操作軟件和弧焊軟件包應具備基本的常用功能，如外部軸與機器人控制功能、傳感跟蹤功能、協調參數功能、自我診斷功能、數據庫及編程功能等。此外還需要足夠的功能接口，如打印機、傳感器和局域網連接接口等。一般來說，傳感系統要包括焊絲接觸尋位、電弧跟蹤和激光跟蹤等。焊絲的接觸尋位主要用于尋找焊縫的起始點。電弧跟蹤主要起到修正焊縫偏差的功能，焊槍在擺動中，通過檢測電壓和電流，進行位置的調整。激光跟蹤功能具有較強的抗干擾能力，兼具尋位和電弧跟蹤動能，一般在打開激光跟蹤時會自動關閉電弧跟蹤和接觸尋位，精度較高，并且速度快，因此價格也很高。最后一部分即工作站輔助裝置和除塵系統，如保障工作人員安全和保養設備、增加使用壽命的作用。在有人進入機器人工作的封閉環境時，系統會自動啟動安全模式，停止工作。

2.2.2焊接機器人的應用。目前知名的焊接機器人仍占主導地位，焊接機器人具有柔性化和數字化程度高、焊接質量穩定、焊接精度高等特點，在改善焊接產品質量、提高機械制造企業生產能力和競爭力方面起到了重要作用。焊接機器人能自動進行調試以適應不同的焊件，特別適合工程機械制造中品種多、批量小、更新速度快的特點。在復雜的焊件中，焊接機器人的表現也更好，能夠適應復雜的焊縫。但同樣，焊接機器人也具有成本高、操作難度較大的缺點，如弧焊機器人，系統結構復雜且涉及到機器人運動的控制系統、焊接系統、變位系統等多個系統的運作，對進口產品依賴較大，暫時還不具備生產水平，價格較高，因此主要應用于大型機械制造企業。除了成本高和操作難度大等問題，在零件的制作和組裝的精度上還需要進一步提高，尤其體現在工程機械制造行業：一方面經常會出現焊縫無法跟蹤的情況，采用接觸尋位的效率也不盡如人意；另一方面，在焊縫間隙過大時，需要手工打底，要提高零件的精度不但成本過高，而且也無法保證位置精度。此外，在焊接機器人焊接完成后，往往還需要人工補焊，如焊槍無法進入的較小的縫隙和位置偏離。顯然，人工智能還遠遠不如人類智能，因此還需要不斷改進和研究。

3自動化焊接設備的應用現狀及發展趨勢

3.1自動化焊接設備應用現狀

由于工程機械制造企業之間生產水平和綜合能力相差較大，在自動化焊接設備的使用上也存在較大差距。通過對工程機械制造企業的調查比較，如三一重工、山推、太原重工等國內知名企業和部分中小型企業，比較發現，我國自動化裝備在工程機械制造行業應用率還比較低。隨著工業水平的進一步發展，自動化焊接設備所占比重也逐年增加，尤其是大型工程機械制造企業，是焊接機器人的主要使用群體，而中小型的機械制造企業還相對落后，急需提高自動化焊接設備的使用率。

3.2自動化焊接設備的發展趨勢

近十年來，自動化焊接設備的類型和種類都有很大的發展，自動化焊接技術也有了長足進步。從傳統的焊接操作機、座式變位機、滾輪架和翻轉機等，到如今系統化、智能化的焊接專機、焊機生產線和機器人設備。就焊接操作機而言，從傳統的立柱橫梁式操作機，到現在多種結構形式的龍門式、門框式、臺式、側梁式等，可以發現，焊接操作機的種類越來越多，規格越來越大型化，如10m×10m的重型載人立柱橫梁式操作機，自動化焊接設備不斷滿足人們的生產需求，在探索、實踐中不斷完善和進步。自動化焊接設備不但具有高效率、低成本的優勢，還能夠有效地減少傳統手工焊接作業對工人的身體健康造成的危害。傳統手動焊接作業很容易受到弧光和高溫的輻射，同時勞動強度較大，不適合于長時間連續操作。另外，自動化焊接設備能夠滿足現代生產工藝對品質的更高要求，對提升企業形象和核心競爭力具有關鍵作用?？梢灶A計，隨著世界制造產業重心的轉移和我國制造業的快速發展，高度自動化的焊接設備應用已成為必然的發展趨勢。

4結語

隨著工程機械行業的不斷發展，對質量和產能的要求也越來越高，自動化水平較高的自動化焊接專機和焊接機器人由于其高質量、高效率等優勢，越來越受到眾多工程機械制造企業的青睞和推崇，因此，自動化焊接設備的推廣和普及是工業社會發展的必然趨勢。

作者:田鵬 廖秋琴 單位:長江師范學院機械與電氣工程學院

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