机器人智能焊接技术

1、机器人智能焊接技术振华重工焊接研究所盛凯焊接机器人焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。国际标准组织（ISO）对工业机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复 编程的自动控制操作机（Manipulator）,具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。焊接机器人及变位机械焊接机器人机器人智能化系统构成初始焊缝寻位焊缝自动跟踪多层多道焊道编排离线编程与仿真国外研究现状国外研究现状国外研究现状日本造船工业、汽车制造业、金属结构制造业及重型机械制造业，在 1993-1998年完成了焊接CIMS改造，他们釆用焊接机器人及自动化辅助设 备，建成了数百条焊接自动化生产线和自动化焊接工段

2、，能够实现大型 构件及重型机械的自动装配和焊接。国外研究现状国外研究现状机器人焊接设备国外研究现状针对大结构件，多焊缝同时焊接时的多机器人系统，在日本船舶行业 广泛应用，如图是多焊接机器人焊接结构简图，图(a)为多机器人倒挂龙 门式，图(b)为多机器人折梯伸降式。(a)倒挂龙门式(b)折梯升降式国外研究现状国外研究现状多焊接机器人焊接结构简图国内研究现状与之相比，我国自动化焊接应用水平较低，手工劳动量 大，质量也不稳定。美国和西欧40%以上实现半自动化焊接 ,33%釆用机器人焊接，15%采用机械化焊接。我国几乎完全手工焊接；舰船船体焊接，国外自动化焊 接率达50%以上，而我国仅为5%-10%,

3、差距较大。国内部分船厂虽然引进平面分段自动化焊接生产线，个 别船厂还引进了管路自动化焊接生产线，但自动化程度较低 或配套装备不够完善，生产效率还有待提高。案例一机械配套公司滑轮异种钢机器人焊接研究背景滑轮作为起重机械的重要构件，所采用的传统焊接制造工艺为半自动药芯焊丝CO2气体保护焊。由于是异种金属连接，焊前需要预热，焊后需要保温，而且需要控制层间温度，增大焊接工人的劳动强度。同时，由于焊丝为药芯，每完成一道焊缝需要清理焊渣，降低了工作效率。双腹板滑轮实物及采用的半自动化焊接设备研究内容为实现滑轮机器人焊接，需要进行异种金属焊接工艺、机器人多层多道焊.实芯焊丝气体保护焊等多方面技术研究，进而进

4、行焊接工艺评定试验，编制出符合生产标准的焊接工艺规程，方案总体流程图如下图所示。异种金属焊接工艺机器人多层多道焊实芯焊丝气体保护焊焊接工艺评定试验焊接工艺流程编制异种金属连接滑轮结构采用的是低合金高强钢（常用为35CrMo）和普通碳素钢（常用为A709-50-2） o 35CrMo钢的碳当量值Ceq=072%。这种材料的焊接性不 良，焊接时其淬硬倾向较大，热影响区热裂和冷裂倾向都会较大。而A709502钢含碳量较低，焊接性良好。表1 35CrM o化学成分CSiMnSPCrNiCuMo0.32 0.400.17 0.370.40 0.70<0.035<0.0350.80 10<

5、;0.30<0.30050.25表2 A709-50-2化学成分CSiMnSPCrNiVMo0.12 0.210.20 0.350.95 1.30<0.035<0.0350.40 0.650.30 0.700.03 0.080.20 0.301.焊材选择根据AWS D1.1的规定，参照异种金属连接焊材低强匹配的原则选用ER70S-6, 直径为化学成分如表3所示。表3焊丝化学成分CSiMnCrNiCuMoVSP0.070.901.430.020.03000.0020.0030.0150.0142.温度控制此，焊35CrMo钢含碳量及合金元素量都很高，热裂倾向严重。因此，需要控制

6、预热 温度以及层间温度，以降低金属的应变速率，从而降低热裂的可能性。因 前将工件预热至180°C,层间温度控制在180300°C之间。Im为了防止在滑轮焊接后冷裂纹的产生，焊后进行保温处理，保温温度为300 400aC,保温时间为12h。二.机器人多层多道焊在滑轮实际生产过程中，焊接接头标准形式如下图所示，其中根部间隙6为 3mm。由于根部间隙较小，所需焊丝填充量少，熔化的焊丝（液态金属流）将未 起弧的位置填充，从而导致打底焊产生焊缝金属与母材未熔合的缺陷。原焊接接头形式本项目对焊接接头形式进行改变，将根部间隙放大至6mm,如下图所示，通过编辑机器人程序，釆用锯齿形摆动焊丝

7、的方式进行焊接，锯齿形的摆动方式使得焊接电弧在焊道两侧有足够的停留时间，从而确保了焊丝与侧壁以及与衬垫板之间的电弧燃烧，实现了打底焊道焊缝 与母材之间的完全熔合。改进后焊接接头形式三机器人GMAW焊接参数本项目通过大量工艺试验获取了最佳的焊接参数，可以得到相对稳定的喷射过渡,在保证焊接效率的基础上将焊缝飞溅控制到最小。最佳焊接规范为：电流值1=250270A,电压值U=2931V,干伸长L=2022mm,焊接速度v=220300mm/min。焊缝成形图应用情况滑轮焊接制造由传统的药芯焊丝CO2气体保护半自动焊发展为机器人自动化焊接，提高了滑轮生产效率2倍以上，节约耗能，降低了生产成本100万元

8、以上/年，经济效益明显。滑轮机器人焊接设备案例二机械配套公司主动台车架机器人焊接振华重工焊接研究所研究背景主动台车架是大车行走机构的重要构件，传统釆用药芯焊丝CO2气体保护 半自动焊的方式进行焊接。由于主动台车架中焊缝位置不同，工件在焊接过程 中需要不断翻转，而且焊后需要打磨，不仅降低了工作效率，且极大增加了工人的劳动强度。主动台车架构件图研究内容(1) 主动台车架规格分类及主干焊缝信息提取(2) A709钢机器人GMAW焊接研究及焊接工艺评定(3)机器人焊接系统集成：工装夹具设计，焊接路径规划等项目难点主动台车架规格多程序通用性差，每种规 格均需单一编程单一主动台车架焊缝条数多(1) 人工示

9、教时间长焊接顺序影响焊缝变形主动台车架构件复杂机器人焊接容易产生干涉机器人焊接系统集成（1）现场顺序（一）焊接顺序规划（2）工件翻转（3）有限元模拟（二）焊接工装夹具设计（1）有效夹持，防止滑移（2）相同规格重复定位精度<A（三）机器人焊接程序编制典型规格主动台车架手工示 教编程（一）主动台车架规格分类主动台车架按轮径、轮距、轴承座、 销轴、扭力臂、有无轮边制动器等 各种组合.1. 仅按照轮径和轮距分类共计25种, 优选的第一系列14种，如右表所示。2. 销轴的影响一台车高度标准销轴孔径：150,180,200特如孔径：130,220序号车轮直径轮距优选等级2）台车宽度1500900第一

10、系列340750第二系列3650900第一系列376410505120061350第二系列715008710°1050第一系列37691200101350第二系列111500128001050第一系列43013120014150015900第二系列161350179001050第一系列470181200191500201350第二系列21165022KXX)1200第一系列470231500241350第二系列251650（二）主干焊缝信息提取1因扭力臂位置不定，且容易导致干涉，因此在机器人焊接过程 中不安装扭力臂。2因封板容易导致干涉，且封板焊接量小，因此在机器人焊接过程中不安 装

11、封板。2经简化后，如左图所 示，共涉及主干焊缝 24条，每条焊缝信息 如下表所示焊缝 编号1234567811910121,2，3，4，5，6，7，8，11 '9，10*13坡口10 焊角8坡口 无焊角8坡口 无焊角10坡口10焊角10（三）机器人焊接工艺研究1. 焊接工艺评定方案制定（AWS标准）（1）焊接工艺评定试板规格（2）焊接工艺评定取样图（3）焊缝合格验收标准拼板横焊对接示意图角焊缝焊接示意图主动台车架机器人焊接工艺研究试板取样图:ir)OJo2/朋矽/ EflU匕忧屯他&切:E挖自乂祥烬台线烬合t2 1|«怎合皱*5“1钢飙制方向宏观断q Cf蚀和坟(St

12、tSEUO)OCUcoOOO握贴斷亡垃忙试HOCCa y2. 机器人焊接工艺评定试验(1) GMAW焊接参数摸索(2) 工艺评定用试板的焊接机器人横焊试验拼板横焊对接实物图（四）机器人焊接技术应用1、月工时对比（工时）手工焊机器人焊焊接30002100编程096补焊15001500起重400160打磨1500975合计640048312、用人数对比（个数）手工焊机器人焊焊工人数124补焊工人数63起重工人数21打磨工人数64合计26123、年成本对比（万元）手工焊机器人焊人工费192107焊材费183105气体费14.556打磨片14.58合计费用404276（五）经济效益对比案例三工艺部/大

13、南通/南通重齿海工装备桩腿制造智能焊接车间振华重工焊接研究所研究内容近年来网络技术和信息技术飞速发展，促使传统的制造业更新换代 加快。焊接制造过程的数字化、信息化与智能化已成为未来焊接技术的 发展趋势。为此，提出焊接车间生产网络化监控及信息化管理，（一）实时监控车间动态，实现工件、焊工、焊机三方信息的一体化釆 集和实时显示；（二）实现焊爰设备与计算机的数据通信，对焊接规范进行智能化的控 制；（三）建立焊缝质量检测跟踪系统，实现焊缝质量跟踪及控制。服务器焊工焊缝质量 检测报表工件 编号焊接 设备显示设备 南通重齿应用现状无线通讯及视频网络软件静叫.UM讣:做葛人.lOizHHX 人.I013HK

14、* 人.1014HAS 人.101AHMX 人.wnHH«人亍 216TW«r<刁x佃Uflra2 MXQHffMHKq序 zn«HU !WICA H.0«<lh &SHS n«HfttZtimoxrfmsru _ c»®eetcE4Cr>tMni 3ioM cooot£ww0 6:南通焊接车间信息化监控室（之戸祐&上海械华工（簽团）股份有限公司I 上咲T IX*lt ttL*龙匕GWI <*E八"f *V<4 6WM>UOO. GMRYC-UXC-Ut

15、flVWR*sno««G". *nnr«e. E；g»utc<w«. kmv kt«>bv ami c4*，a?：v<«»&4«.xa2by2csosQh»©a HMVMS dDSWgMWOSM -»*<)灿11设备保养提示 故障报警统计 故障短信通知焊工工时统计焊材消耗统计 焊丝库存出入库统计 丿研究内容研究内容研究内容1实时监控：对产品的制造信息和生产流程进行实时 监控，让管理者能掌握车间的状况和产品的制造进度;ft备ioo. o

16、<nIKf>彌诊断2 .现场大屏幕显示设备级监控F9彌诊断1领«)以太网车 间 级 监 控 乂车间级诊断服务器2.工艺管理：从工艺文件中导入工艺规范参数，焊接 工人只有焊接作业权限，没有设定和调整焊接参数的 权限，并且当焊接电流超岀设定规范时将进行报警提 示；研究内容研究内容规范读取规范读取研究内容研究内容3.质量管理：一方面焊机可以通过客户端进行超规范报警,并且将报警信息保存到数据库中，同时通过统计焊接规范 参数对所有焊机的焊接质量进行评定、对比分析，定位可 能存在故障的焊机和焊缝；另一方面，将焊后焊缝质量检 测信息与焊接过程中采取的焊接规范相对应4生产管理：通过工件信

17、息统计模块使得焊工工号、工件编号、焊机编号、规范编号一一对应，便于管理者对焊工焊接作业的监督和对工件焊接质量的定位;工件编码 焊工工号II控及信息化管理系统5.设备管理：该模块显示每台焊机的保养记录，进行保养提 醒，当设备出现故障时通过客户端软件提示，实现设备管理 部门对焊机的运行状态和使用情况的及时把握和管理；人谗嘶宏瓦貝与abzLlX门，诽列方弍 竺序号保养提示11二钿12011-10-21xuU05.OC；00a50002二邛W2011 10 21 |xcn03 OC ;O050033一车似320U-1O-2) |xuUUJ VC ：U00500044二却&201)-10-?xn

18、ll6T9：03- AO ro97500I5S52013 10 21g05 . CC .000500062-6二邛&20U-1O-?) |老三03 OC ：0005000正月72-7二千冋丫20U-HJ-21张三0):血：oo05000正X02Praa0Z0U-1CT2J址三03 CC .0005000正常gg二$伺q20I1-1O-2JOJ OC:0005000正哲2011-10-2二 mJ：OC：oo0Q:号B缶疥号SriBit厂标助买日期责任人层计便北时日便用車假翊RCO0:諏券55凶巧史IE录鼻&人： 玉顶目：换人：斜U碗日期：|迪1 古也T?W8WB："丄' 珈®日：研究内容6.成本管理：查询焊工在特定时间段的累计焊接时间、累计工作时间、焊丝消耗、气体消耗和电能消耗，从而进行焊工工时和焊材消耗的信息统计;研究效益焊接智能化将使生产制造过程更为高效、优质、节能、环 保、降本增效，改善焊工劳动条件。提高我司海洋高端装备制造的综合能力，提高产品国际市 场竞争力。该项目的建设将成为公司转型发展的样本，对促进我司在海洋工程装备、港口机械、大型钢构和核心配套件等领域也实现自动化和智能化焊接制造O案例四振华重工焊接研究所钢构事业部港珠澳大桥机器人焊接项目简介港珠澳大桥是当今世界上规模最大、标准最高、技术最复杂的桥、岛、