机器人智能焊接技术

机器人智能焊接技术振华重工焊接研究所盛凯振华重工焊接研究所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焊接机器人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，他们采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，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。多焊接机器人焊接结构简图（a）倒挂龙门式（b）折梯升降式与之相比，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%采用机器人焊接，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%，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。国内研究现状案例一机械配套公司滑轮异种钢机器人焊接振华重工焊接研究所研究背景双腹板滑轮实物及采用的半自动化焊接设备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。研究内容异种金属焊接工艺机器人多层多道焊焊接工艺评定试验焊接工艺流程编制实芯焊丝气体保护焊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。一.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）。35CrMo钢的碳当量值Ceq=0.72%。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A709-50-2钢含碳量较低，焊接性良好。CSiMnSPCrNiCuMo0.32～0.400.17～0.370.40～0.70≤0.035≤0.0350.80～1.10≤0.30≤0.300.15～0.25CSiMnSPCrNiVMo0.12～0.210.20～0.350.95～1.30≤0.035≤0.0350.40～0.650.30～0.700.03～0.080.20～0.30表135CrMo化学成分表2A709-50-2化学成分根据AWSD1.1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1.2mm，化学成分如表3所示。CSiMnCrNiCuMoVSP0.070.901.430.020.030.100.0020.0030.0150.014表3焊丝化学成分1.焊材选择2.温度控制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。因此，焊前将工件预热至180℃，层间温度控制在180～300℃之间。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300～400℃，保温时间为1～2h。二.机器人多层多道焊1T1δ=3mm23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δ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，采用锯齿形摆动焊丝的方式进行焊接，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。1T1δ=6mm23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I=250～270A，电压值U=29～31V，干伸长L=20～22mm，焊接速度v=220～300mm/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，传统采用药芯焊丝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（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（1）主动台车架规格分类及主干焊缝信息提取主动台车架规格多程序通用性差，每种规格均需单一编程主动台车架构件复杂机器人焊接容易产生干涉单一主动台车架焊缝条数多（1）人工示教时间长（2）焊接顺序影响焊缝变形项目难点（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）焊接顺序规划（1）现场顺序（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机器人焊接系统集成序号车轮直径轮距优选等级2）台车宽度1500900第一系列3402750第二系列3650900第一系列376410505120061350第二系列7150087101）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2116502210001200第一系列470231500241350第二系列251650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.（一）主动台车架规格分类2.销轴的影响—台车高度标准销轴孔径：150,180,200特殊孔径：130,2201.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。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。（二）主干焊缝信息提取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封板。焊缝编号1234567811910121，2，3，4，5，6，7，8，11，9，10，13焊角尺寸坡口10焊角8坡口无焊角8坡口无焊角10坡口10焊角10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）焊缝合格验收标准角焊缝焊接示意图拼板横焊对接示意图（三）机器人焊接工艺研究主动台车架机器人焊接工艺研究试板取样图：2.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拼板横焊对接实物图机器人横焊试验（四）机器人焊接技术应用（五）经济效益对比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工艺部/大南通/南通重齿海工装备桩腿制造智能焊接车间案例三振华重工焊接研究所焊接车间信息化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采集和实时显示；（二）实现焊接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。焊接设备焊工工件编号服务器显示设备互联网焊缝质量检测报表南通重齿应用现状无线通讯及视频网络监控软件界面大南通焊接车间信息化监控室焊接车间生产网络监控及信息化管理工艺规范管理规范参数下载设定超规范报警规则工艺管理焊工工时统计焊材消耗统计焊丝库存出入库统计成本管理历史波形查询焊接质量评估规范报警查询质量管理焊工信息管理工件信息统计焊材信息维护生产管理掌握车间动态记录生产进度反馈现场问题实时监控设备保养提示故障报警统计故障短信通知设备管理研究内容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；远程监控车间级监控设备级监控研究内容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，并且当焊接电流超出设定规范时将进行报警提示；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研究内容4.生产管理：通过工件信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；焊接车间生产网络监控及信息化管理系统研究内容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；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；研究内容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。研究效益案例四钢构事业部港珠澳大桥机器人焊接振华重工焊接研究所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、隧一体化的集群工程。振华重工承制的CB05-G1合同段包含部分浅水区非通航孔桥钢箱梁，全长3.485KM，钢结构总工程量41244吨。项目简介机器人焊接设备技术创新2.由于横隔板数量繁多，焊接顺序对变形影响很大。因此采用对称焊接的方式，以控制焊接变形量1.突破传统数控下料的模式，通过设计切割参数和切割方式，坡口直接下料，大大提高了零件的外形尺寸精度。3.颠覆有马拼装的常规思路，采用板单元拼装无马板拼接，采用合理焊接方法，搭制专门的胎架，放置焊接反变形量，两侧压配重等有效措施，将构件的变形量控制在精度范围内（小于1mm）。4.采用药芯焊丝混合气体保护焊，焊缝成形良好，且通过机器人程序控制，能够实现包角焊。技术创新LOGOZPMC