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隨著人力成本的上升，工程機械行業(yè)自動化、智能化生產(chǎn)已成為大勢所趨。焊接作為結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝，其發(fā)展經(jīng)歷了手工焊、半自動焊、機器人焊接的歷程，工藝逐步成熟，其中，焊接機器人技術(shù)融合了機械、電子、傳感器、計算機及人工智能等許多學(xué)科的知識，先后經(jīng)歷示教再現(xiàn)、離線編程、智能機器人三個階段，特別適合多品種、小批量柔性生產(chǎn)。通過技術(shù)創(chuàng)新來改善工作環(huán)境，操作過程簡易化，應(yīng)用更加方便。
焊接機器人在工程機械領(lǐng)域的擴展及廣泛應(yīng)用，大大提高了整體生產(chǎn)效率，改善了焊接工人的工作條件，提高了焊接生產(chǎn)柔性化水平及焊接質(zhì)量，同時也推動了焊接相關(guān)領(lǐng)域的自動化升級，“一人一工位”焊接逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙蝗艘粭l線”焊接生產(chǎn)。
1、焊接機器人在工程機械行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1 工程機械行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
工程機械行業(yè)是中國裝備制造業(yè)中最具國際競爭力的行業(yè)之一，創(chuàng)造了許多工程機械的世界紀錄。我國幅員遼闊，基建施工市場對工程機械的需求量巨大，目前大量設(shè)備進入更新?lián)Q代高峰期。據(jù)相關(guān)研究分析，2019年中國工程機械銷售收入達6600億元人民幣，中國工程機械企業(yè)有9家躋身全球工程機械制造商50強。
新技術(shù)不斷革新，伴隨科技賦能VR、大數(shù)據(jù)、云計算、5G等技術(shù)的普及，加快了工程機械的升級換代，ERP、OA、EAP等系統(tǒng)，優(yōu)化了信息化管理施工環(huán)節(jié)，提高了行業(yè)效率（見圖1）。同時，國家提倡的發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟，這也將成為工程機械行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。
a）遠程操控
b）施工現(xiàn)場
圖1 智能遙控推土機遠程操控及施工現(xiàn)場
1.2 焊接機器人應(yīng)用范圍
焊接機器人最大的特點是柔性化，可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，適用于品種變化大、焊縫多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。如工程機械結(jié)構(gòu)件主要由板材件和鑄鋼件拼焊而成，尺寸大、重量重，如圖2所示[1]。板材材質(zhì)主要有Q235、Q355、Q460C等，板厚在6~130mm，焊縫位置多，焊接量大，廣泛采用機器人CO2/MAG氣體保護焊，焊接熔深大、速度快。焊接變位機的配合使用，增加了機器人系統(tǒng)的自由度，可焊率達90%以上。
圖2 工程機械結(jié)構(gòu)件
焊接機器人包含機器人和焊接設(shè)備，機器人由機器人本體和控制柜組成，焊接設(shè)備由焊接電源、送絲機構(gòu)、焊槍及清槍器等組成。目前，6軸機器人可以滿足一般焊接要求，對于尺寸過大、幾何形狀過于復(fù)雜的工件，把機器人裝于可移動導(dǎo)軌小車或龍門架上，增加1~3個外部軸，同時配合1~2軸變位機，可擴大機器人本身的作業(yè)空間，讓工件的焊接部位和機器人都處于最佳的焊接位置。
1.3 焊接機器人應(yīng)用現(xiàn)狀
焊接機器人以在工程機械行業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)高效性、高可靠性、高靈活性的特點為世人矚目，正逐步將焊接工人從高疲勞、高危險的勞動環(huán)境中解放出來，減少焊接煙塵帶來的職業(yè)危害。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，2019年焊接機器人銷量達到21.1萬臺，如圖3所示。
圖3 2008—2019年全球焊接機器人銷售走勢
目前，焊接機器人的編程方法還是以在線示教為主[2-4]，但編程器的界面比過去有了不少改進，新的焊接機器人編程界面更趨友好、操作更加容易。示教編程時首先獲取焊縫軌跡上的幾個關(guān)鍵點，輸入直線或圓弧命令，通過焊接機器人電弧傳感器或激光視覺傳感器自動跟蹤實際的焊縫軌跡。編程時除了需要選擇合理的焊接順序，短而平滑的移動軌跡、合理的變位機位置及焊槍姿態(tài)，及時插入清槍程序保證焊槍的清潔外，最重要的是編制程序一般不能一步到位，而要在機器人焊接過程中不斷檢驗和修改，經(jīng)大量實踐積累后才能形成高效實用的焊接程序。
現(xiàn)場應(yīng)用如圖4所示，焊接工作站由焊接用機器人（6軸集成的機械手）、RGV小車、行走龍門架（1~3軸）、L型變位機、工裝夾具及各種系統(tǒng)設(shè)備組成，可實現(xiàn)自動焊接、自動上下料，生產(chǎn)效率比手工焊接提高50%以上，焊縫均勻美觀。
a）焊接現(xiàn)場
b）焊縫外觀
圖4 機器人焊接現(xiàn)場及焊縫外觀質(zhì)量
1.4 焊接機器人應(yīng)用的意義
（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊縫均一性?采用機器人焊接時每條焊縫的焊接參數(shù)恒定，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，因此焊接質(zhì)量比較穩(wěn)定。
（2）改善了工人的勞動條件 采用機器人焊接，焊工遠離了焊接弧光、煙霧、飛濺和高溫等，對于點焊來說焊工不再搬運笨重的手工焊鉗，使焊工從高強度的體力勞動中解脫出來。
（3）提高勞動生產(chǎn)率 焊接機器人一天可24h連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速焊、窄間隙焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。
（4）產(chǎn)品周期明確，容易控制生產(chǎn)效率?機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。
2、焊接機器人在工程機械行業(yè)的發(fā)展趨勢
2.1 工程機械行業(yè)發(fā)展趨勢
隨著科技的進步，工程機械行業(yè)在謀求產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，尤其在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)推動下，信息化、自動化、智能化已經(jīng)成為了企業(yè)發(fā)展的主要路徑。通過機器人、軟件信息化、柔性化生產(chǎn)等方式，企業(yè)可實現(xiàn)上下游信息透明、協(xié)作設(shè)計與生產(chǎn)，大大提升了生產(chǎn)服務(wù)的質(zhì)量與效率。
5G技術(shù)提升了信息的傳輸效率，未來工程機械滲透率有望持續(xù)提升，電動化、物聯(lián)網(wǎng)、智能化、共享化將是工程機械行業(yè)發(fā)展的重點。遠程遙控?zé)o人駕駛，多品種機械一體化施工，未來科技將讓施工更簡單。
（1）模塊化 產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素，工程機械產(chǎn)品應(yīng)用模塊化設(shè)計以多品種、多選裝、新特異的發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)對市場需求，可降低設(shè)計風(fēng)險，縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品可靠性，加強標(biāo)準化，提高企業(yè)管理水平，促進企業(yè)產(chǎn)品的升級換代。
（2）舒適性 工程機械舒適性不僅表現(xiàn)在良好的焊接、涂裝、裝配工藝的外在美，更在于駕駛員操作的舒適性。舒適性基于人體工程學(xué)，合理布置駕駛室內(nèi)飾，操作控制方式，必要的減振降噪等。工程機械工作環(huán)境通常都比較惡劣，駕駛?cè)藛T的工作強度也比較大，舒適的設(shè)計理念可以緩解其疲勞，提高作業(yè)效率。
（3）節(jié)能環(huán)保 在大家的共同努力下，我國環(huán)境空氣質(zhì)量有了一定改善。2016年4月起非道路移動機械柴油機污染物排放標(biāo)準已經(jīng)執(zhí)行到了第三階段，同時在國家新舊動能轉(zhuǎn)換的推動下，工程機械行業(yè)逐步向國家第四階段排放標(biāo)準邁進，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。
（4）個性化需求 同質(zhì)化產(chǎn)品適應(yīng)大批量生產(chǎn)要求，但無法滿足用戶的特定需求，個性化工程機械深受客戶的寵愛。相較于標(biāo)準化產(chǎn)品，個性化產(chǎn)品的研制成本會更高，是對企業(yè)能力與實力的最大考驗，促進企業(yè)引進先進技術(shù)、提高創(chuàng)新能力，適應(yīng)市場需求。
2.2 焊接機器人發(fā)展趨勢
為滿足客戶對產(chǎn)品的多種需求，工程機械逐步向“新特異”小批量發(fā)展，這也加快了焊接機器人的智能化及自動化發(fā)展[5]。近年來，焊接機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法及遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機器人和其他工業(yè)機器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面：
（1）智能化 將激光、視覺、傳感、檢測、圖像處理及計算機等智能控制技術(shù)應(yīng)用于焊接自動化裝備中，使其能在各種環(huán)境復(fù)雜、變化的焊接工況下根據(jù)焊接的實際情況，自動調(diào)整、優(yōu)化焊接軌跡和工藝參數(shù)，實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的焊接智能控制與焊縫自動跟蹤，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
（2）高效 由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使焊接機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。焊接機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到50 000h，可以滿足任何場合的需求。同時，多臺焊接機器人和搬運機器人集成布線可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，人為因素減少到最低，產(chǎn)品的質(zhì)量均一性和生產(chǎn)效率都明顯改善。
（3）柔性化 現(xiàn)代化生產(chǎn)要求同一臺設(shè)備能夠滿足同類型不同規(guī)格工件的加工，甚至不同類型工件的焊接自動化加工，同時由于大型焊接自動化成套裝備或生產(chǎn)線一次投資相對較高，因此在設(shè)計這種焊接裝備時需要盡量考慮柔性化，形成柔性制造系統(tǒng)，以充分發(fā)揮裝備的效能。
（4）網(wǎng)絡(luò)化 智能接口、遠程通信等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，促進了焊接自動化裝備管控一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)過程自動控制一體化，利用計算機技術(shù)、遠程通信等技術(shù)，焊接加工過程和質(zhì)量信息、生產(chǎn)管理等信息，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字一體化管理，實現(xiàn)脫機編程、遠程監(jiān)控、診斷和檢修。
（5）清潔環(huán)保 新工藝、新材料、新技術(shù)的研究，減少焊接煙塵的產(chǎn)生，同時焊接過程中產(chǎn)生的煙塵通過集中處理技術(shù)進行凈化，焊接環(huán)境進一步改善[6]。焊接污染處理設(shè)備從單一性、固定式、大型化，向成套性、組合性、可移動性、小型化及資源低耗方向發(fā)展。對主要污染焊接煙塵的處理采用局部通風(fēng)為主、全面通風(fēng)為輔的手段。
2.3 未來焊接機器人展望
隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多亟待我們?nèi)フJ真研究的問題，特別是焊接機器人的視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等將是未來研究的主要方向。
預(yù)計未來焊接機器人將會朝著虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、多智能焊接機器人系統(tǒng)、移動機器人系統(tǒng)的方向發(fā)展[2]。5G技術(shù)的超大網(wǎng)絡(luò)容量、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低網(wǎng)絡(luò)延時，提升了焊接機器人系統(tǒng)協(xié)同化和智能化水平。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種包括3D計算機圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感器的交互接口技術(shù)和高清顯示技術(shù)在內(nèi)的對事件的現(xiàn)實性從空間和時間上進行分解后重新組合的技術(shù)，能夠使焊接機器人進行實時通信和遠程遙控。
3、結(jié)束語
我國是一個制造業(yè)大國，并已啟動“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施推進，焊接機器人將在機械制造業(yè)中迎來一個非常好的發(fā)展前景。我國科技水平的迅速發(fā)展，極大地帶動了工程機械行業(yè)的發(fā)展，焊接機器人作為工程機械行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要標(biāo)志已經(jīng)得到了國家的高度重視，政府加大政策和資金支持將促使焊接機器人得到飛速發(fā)展。隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展，引進及吸收先進技術(shù)和經(jīng)驗，焊接機器人技術(shù)會快速走向成熟，加快我國從制造大國向制造強國邁進的步伐。
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本文發(fā)表于《金屬加工（熱加工）》2020年第6期第3-6頁，作者：王彩鳳，丁志遠，雷寧寧，王國帥，單位：山推工程機械股份有限公司。