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解析工程机械行业中焊接机器人的应用与发展趋势

2020-06-06 306 上传者：管理员

摘要：焊接作为工程机械制造中关键的连接技术，各种先进的焊接装备和技术不断地得到应用和发展。通过对焊接机器人在工程机械行业的应用及发展趋势介绍，阐述了未来焊接机器人在工程机械行业智能化、自动化和一体化的发展对生产效率、劳动强度、焊接作业环境等方面的提升作用，进而阐明焊接机器人在智能制造方面对工程机械制造的影响。

关键词：
工程机械
智能化
机械设备
焊接机器人
自动化
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1、序言

随着人力成本的上升，工程机械行业自动化、智能化生产已成为大势所趋。焊接作为结构件生产的基础工艺，其发展经历了手工焊、半自动焊、机器人焊接的历程，工艺逐步成熟，其中，焊接机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机及人工智能等许多学科的知识，先后经历示教再现、离线编程、智能机器人三个阶段，特别适合多品种、小批量柔性生产。通过技术创新来改善工作环境，操作过程简易化，应用更加方便。焊接机器人在工程机械领域的扩展及广泛应用，大大提高了整体生产效率，改善了焊接工人的工作条件，提高了焊接生产柔性化水平及焊接质量，同时也推动了焊接相关领域的自动化升级，“一人一工位”焊接逐步转变为“一人一条线”焊接生产。

2、焊接机器人在工程机械行业的应用现状

2.1 工程机械行业发展现状

工程机械行业是中国装备制造业中最具国际竞争力的行业之一，创造了许多工程机械的世界纪录。我国幅员辽阔，基建施工市场对工程机械的需求量巨大，目前大量设备进入更新换代高峰期。据相关研究分析，2019年中国工程机械销售收入达6600亿元人民币，中国工程机械企业有9家跻身全球工程机械制造商50强。新技术不断革新，伴随科技赋能VR、大数据、云计算、5G等技术的普及，加快了工程机械的升级换代，ERP、OA、EAP等系统，优化了信息化管理施工环节，提高了行业效率（见图1）。同时，国家提倡的发展绿色循环经济，这也将成为工程机械行业未来发展的重要方向。

图1 智能遥控推土机远程操控及施工现场

2.2 焊接机器人应用范围

焊接机器人最大的特点是柔性化，可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，适用于品种变化大、焊缝多、形状复杂的产品。如工程机械结构件主要由板材件和铸钢件拼焊而成，尺寸大、重量重，如图2所示[1]。板材材质主要有Q235、Q355、Q460C等，板厚在6～130mm，焊缝位置多，焊接量大，广泛采用机器人CO2/MAG气体保护焊，焊接熔深大、速度快。焊接变位机的配合使用，增加了机器人系统的自由度，可焊率达90%以上。

图2 工程机械结构件

焊接机器人包含机器人和焊接设备，机器人由机器人本体和控制柜组成，焊接设备由焊接电源、送丝机构、焊枪及清枪器等组成。目前，6轴机器人可以满足一般焊接要求，对于尺寸过大、几何形状过于复杂的工件，把机器人装于可移动导轨小车或龙门架上，增加1～3个外部轴，同时配合1～2轴变位机，可扩大机器人本身的作业空间，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳的焊接位置。

2.3 焊接机器人应用现状

焊接机器人以在工程机械行业领域表现高效性、高可靠性、高灵活性的特点为世人瞩目，正逐步将焊接工人从高疲劳、高危险的劳动环境中解放出来，减少焊接烟尘带来的职业危害。据相关部门统计，2019年焊接机器人销量达到21.1万台，如图3所示。

图3 2008—2019年全球焊接机器人销售走势

目前，焊接机器人的编程方法还是以在线示教为主[2,3,4]，但编程器的界面比过去有了不少改进，新的焊接机器人编程界面更趋友好、操作更加容易。示教编程时首先获取焊缝轨迹上的几个关键点，输入直线或圆弧命令，通过焊接机器人电弧传感器或激光视觉传感器自动跟踪实际的焊缝轨迹。编程时除了需要选择合理的焊接顺序，短而平滑的移动轨迹、合理的变位机位置及焊枪姿态，及时插入清枪程序保证焊枪的清洁外，最重要的是编制程序一般不能一步到位，而要在机器人焊接过程中不断检验和修改，经大量实践积累后才能形成高效实用的焊接程序。

现场应用如图4所示，焊接工作站由焊接用机器人（6轴集成的机械手）、RGV小车、行走龙门架（1～3轴）、L型变位机、工装夹具及各种系统设备组成，可实现自动焊接、自动上下料，生产效率比手工焊接提高50%以上，焊缝均匀美观。

图4 机器人焊接现场及焊缝外观质量

2.4 焊接机器人应用的意义

(1）稳定和提高焊接质量，保证焊缝均一性采用机器人焊接时每条焊缝的焊接参数恒定，焊缝质量受人为因素影响较小，因此焊接质量比较稳定。(2）改善了工人的劳动条件采用机器人焊接，焊工远离了焊接弧光、烟雾、飞溅和高温等，对于点焊来说焊工不再搬运笨重的手工焊钳，使焊工从高强度的体力劳动中解脱出来。(3）提高劳动生产率焊接机器人一天可24h连续生产，另外随着高速焊、窄间隙焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。(4）产品周期明确，容易控制生产效率机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

3、焊接机器人在工程机械行业的发展趋势

3.1 工程机械行业发展趋势

随着科技的进步，工程机械行业在谋求产业的转型升级，尤其在人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术推动下，信息化、自动化、智能化已经成为了企业发展的主要路径。通过机器人、软件信息化、柔性化生产等方式，企业可实现上下游信息透明、协作设计与生产，大大提升了生产服务的质量与效率。5G技术提升了信息的传输效率，未来工程机械渗透率有望持续提升，电动化、物联网、智能化、共享化将是工程机械行业发展的重点。远程遥控无人驾驶，多品种机械一体化施工，未来科技将让施工更简单。

(1）模块化产品创新是企业发展的关键要素，工程机械产品应用模块化设计以多品种、多选装、新特异的发展战略应对市场需求，可降低设计风险，缩短设计周期，提高产品可靠性，加强标准化，提高企业管理水平，促进企业产品的升级换代。

(2）舒适性工程机械舒适性不仅表现在良好的焊接、涂装、装配工艺的外在美，更在于驾驶员操作的舒适性。舒适性基于人体工程学，合理布置驾驶室内饰，操作控制方式，必要的减振降噪等。工程机械工作环境通常都比较恶劣，驾驶人员的工作强度也比较大，舒适的设计理念可以缓解其疲劳，提高作业效率。

(3）节能环保在大家的共同努力下，我国环境空气质量有了一定改善。2016年4月起非道路移动机械柴油机污染物排放标准已经执行到了第三阶段，同时在国家新旧动能转换的推动下，工程机械行业逐步向国家第四阶段排放标准迈进，实现经济和环境的协调发展。

(4）个性化需求同质化产品适应大批量生产要求，但无法满足用户的特定需求，个性化工程机械深受客户的宠爱。相较于标准化产品，个性化产品的研制成本会更高，是对企业能力与实力的最大考验，促进企业引进先进技术、提高创新能力，适应市场需求。

3.2 焊接机器人发展趋势

为满足客户对产品的多种需求，工程机械逐步向“新特异”小批量发展，这也加快了焊接机器人的智能化及自动化发展[5]。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法及遥控焊接技术等方面取得了许多突出的成果。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其他工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：

(1）智能化将激光、视觉、传感、检测、图像处理及计算机等智能控制技术应用于焊接自动化装备中，使其能在各种环境复杂、变化的焊接工况下根据焊接的实际情况，自动调整、优化焊接轨迹和工艺参数，实现高质量、高效率的焊接智能控制与焊缝自动跟踪，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

(2）高效由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使焊接机器人系统的可靠性有了很大提高。焊接机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到50 000h，可以满足任何场合的需求。同时，多台焊接机器人和搬运机器人集成布线可实现全自动生产，人为因素减少到最低，产品的质量均一性和生产效率都明显改善。

(3）柔性化现代化生产要求同一台设备能够满足同类型不同规格工件的加工，甚至不同类型工件的焊接自动化加工，同时由于大型焊接自动化成套装备或生产线一次投资相对较高，因此在设计这种焊接装备时需要尽量考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能。

(4）网络化智能接口、远程通信等现代网络技术的发展，促进了焊接自动化装备管控一体化技术的发展和应用。通过网络将生产过程自动控制一体化，利用计算机技术、远程通信等技术，焊接加工过程和质量信息、生产管理等信息，通过网络实现数字一体化管理，实现脱机编程、远程监控、诊断和检修。

(5）清洁环保新工艺、新材料、新技术的研究，减少焊接烟尘的产生，同时焊接过程中产生的烟尘通过集中处理技术进行净化，焊接环境进一步改善[6]。焊接污染处理设备从单一性、固定式、大型化，向成套性、组合性、可移动性、小型化及资源低耗方向发展。对主要污染焊接烟尘的处理采用局部通风为主、全面通风为辅的手段。

3.3 未来焊接机器人展望

随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去认真研究的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术及网络控制技术等将是未来研究的主要方向。

预计未来焊接机器人将会朝着虚拟现实技术、多传感器信息融合技术、多智能焊接机器人系统、移动机器人系统的方向发展[2]。5G技术的超大网络容量、高数据传输速率、低网络延时，提升了焊接机器人系统协同化和智能化水平。虚拟现实技术是一种包括3D计算机图形学技术、多功能传感器的交互接口技术和高清显示技术在内的对事件的现实性从空间和时间上进行分解后重新组合的技术，能够使焊接机器人进行实时通信和远程遥控。

4、结束语

我国是一个制造业大国，并已启动“中国制造2025”战略的实施推进，焊接机器人将在机械制造业中迎来一个非常好的发展前景。我国科技水平的迅速发展，极大地带动了工程机械行业的发展，焊接机器人作为工程机械行业转型升级的重要标志已经得到了国家的高度重视，政府加大政策和资金支持将促使焊接机器人得到飞速发展。随着计算机技术、传感器技术、人工智能技术等的发展，引进及吸收先进技术和经验，焊接机器人技术会快速走向成熟，加快我国从制造大国向制造强国迈进的步伐。

参考文献：

[1]陈城洋.工程机械典型接头的弧焊机器人焊接技术研究[J].企业导报,2014(19):109,114.

[2]刘丹,郑博方,王帅,等.机器人焊接关键技术及应用[J].金属加工(热加工),2020(2):41-44.

[3]霍厚志,张号,杜启恒,等.我国焊接机器人应用现状与技术发展趋势[J].焊管,2017,40(2):36-45;

[4]杨立勇.焊接机器人在工程机械行业的应用[J].信息记录材料,2019(1):177-178.

[5]丁志远,李德明,王彩凤,等.推土机结构件焊接新技术应用展望[J].金属加工(热加工),2019(11):7-9.

[6]郭亮,惠燕先,张瑞臣.烟尘处理技术在焊接自动化的应用与实施[J].金属加工(热加工),2019(6):15-17.

王彩凤,丁志远,雷宁宁,王国帅.焊接机器人在工程机械行业的应用现状及发展趋势[J].金属加工(热加工),2020(06):3-6.