魏麗華 樊星 金順捷

摘要：北京·埃森焊接展作為全球兩大專業(yè)焊接展覽會(huì)之一，為焊接技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的作用。文中通過(guò)該展會(huì)介紹了智能化焊接技術(shù)中焊縫跟蹤系統(tǒng)的最新展品的技術(shù)特點(diǎn)，以及焊縫跟蹤系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用情況。展會(huì)技術(shù)展示表明，越來(lái)越多的智能化焊接系統(tǒng)配備了高性能的焊縫跟蹤系統(tǒng)，以滿足技術(shù)發(fā)展的需求。

關(guān)鍵詞：焊接;焊縫跟蹤;焊接機(jī)器人;埃森展

中圖分類(lèi)號(hào)：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0096-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.19

0? ? 前言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為必然趨勢(shì)，創(chuàng)新、智能制造成為焊接企業(yè)新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的突破點(diǎn)。焊接新技術(shù)的應(yīng)用推廣需要一個(gè)技術(shù)交流的平臺(tái)，而作為全球兩大焊接與切割展覽會(huì)之一的北京·埃森焊接與切割展覽會(huì)為國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商提供了一個(gè)良好的企業(yè)展示和交流平臺(tái)，每年的展會(huì)都會(huì)有國(guó)內(nèi)外的專業(yè)觀眾通過(guò)多渠道進(jìn)行關(guān)注和了解。2021年，第25屆北京·埃森焊接與切割展覽會(huì)于6月16～19日在上海新國(guó)際博覽中心隆重召開(kāi)，本屆展會(huì)是新冠疫情后第一次召開(kāi)焊接盛會(huì)，展商數(shù)量840家，展臺(tái)總面積40 392 m2，參展商代表8 256人，參觀觀眾36 241人，其中海外觀眾199人，來(lái)自30個(gè)國(guó)家和地區(qū)。專業(yè)觀眾的參觀目的以采購(gòu)設(shè)備、收集產(chǎn)品信息和尋求合作為主，觀眾感興趣的產(chǎn)品以焊接設(shè)備、焊接材料、切割設(shè)備及配件以及工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)焊接設(shè)備為主[1-2]。

在智能化焊接過(guò)程中，保證焊接結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的連續(xù)性是焊接機(jī)器人系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題。焊接機(jī)器人工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光輻射、高溫、焊渣的飛濺、灰塵、氧化、加熱形式等都會(huì)使焊炬偏離焊縫，導(dǎo)致焊接整體質(zhì)量下降。而焊縫跟蹤系統(tǒng)則能夠在這種不利條件下通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)焊縫偏差，進(jìn)而調(diào)整焊接路徑，保證焊接質(zhì)量[3-5]。因此，越來(lái)越多的企業(yè)加大了焊縫跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)力度，也取得了較大的成效。

1 焊縫跟蹤系統(tǒng)

傳感器、控制器以及跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)是焊縫跟蹤系統(tǒng)的三大組成部分。傳感器是其最重要的組成部分。接觸式傳感適用于大多數(shù)焊接方法，但只用于焊縫起始點(diǎn)的識(shí)別，且焊接接頭中必須含有一個(gè)可以被傳感器找到的邊緣;電弧傳感是利用焊接電弧作為傳感器，通過(guò)測(cè)量因弧長(zhǎng)變化而導(dǎo)致的焊接電流或者電壓的變動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，但電弧傳感跟蹤僅限用于大于等于5 mm厚度的低碳鋼或不銹鋼材料搭接，在焊接鋁時(shí)無(wú)法可靠地進(jìn)行電弧跟蹤;超聲波傳感是通過(guò)回波放大來(lái)獲得焊縫信息，適用于遠(yuǎn)距離的參數(shù)測(cè)定;激光焊縫跟蹤系統(tǒng)也稱為光學(xué)或視覺(jué)焊縫跟蹤，它使用激光三角測(cè)量法作為實(shí)現(xiàn)原理。借助正確的軟件包，激光跟蹤可以在專機(jī)自動(dòng)化和機(jī)器人系統(tǒng)上使用。激光焊縫跟蹤速度快，并且可用于焊接以外的過(guò)程，例如切割、涂膠和打磨。激光焊縫跟蹤的間隙和行進(jìn)方向是需要重點(diǎn)考慮的因素，因?yàn)閭鞲衅鞅仨毷冀K引導(dǎo)焊接路徑，這可能導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)碰撞問(wèn)題、焊槍角度問(wèn)題，因此必須仔細(xì)考慮零件的工具和設(shè)計(jì)。當(dāng)前市場(chǎng)上比較重視的是激光跟蹤和電弧跟蹤，如廣州賓采爾、北京創(chuàng)想智控、唐山英萊科技、寧波博士達(dá)、西安知象、加拿大賽融等企業(yè)都在這方面展示出了自身的最大研發(fā)實(shí)力。

加拿大賽融公司展示了三款全新產(chǎn)品：MICRO-TRACTM、i-FACT-MICROTM、WIKI SCAN 2.0TM。MICRO-TRACTM是一款主要用于機(jī)器人電弧焊接和其他工業(yè)機(jī)器人加工過(guò)程的高速緊湊型3D激光視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高速實(shí)時(shí)焊縫跟蹤、測(cè)量接頭幾何形狀和尺寸、具備自適應(yīng)焊接和質(zhì)量控制、配備強(qiáng)大且超緊湊MICRO-BOSTM控制單元、可通過(guò)WiFi實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的能力，并且可直接運(yùn)行于YASKAWA焊接機(jī)器人示教器上。i-FACT-MICROTM是智能機(jī)器人用焊縫檢測(cè)系統(tǒng)，能自動(dòng)數(shù)字化工件、接頭和焊縫，以驗(yàn)證是否符合客戶的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)。i-FACT MICROTM提供實(shí)時(shí)通過(guò)/不通過(guò)信息，根據(jù)制造商自己的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)評(píng)估焊接質(zhì)量，這些標(biāo)準(zhǔn)可通過(guò)用戶友好的人機(jī)界面很容易地編程到系統(tǒng)中。WIKI SCAN 2.0TM是一套能夠確保焊接檢測(cè)過(guò)程可靠性的全新獨(dú)特手持式無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)通對(duì)接頭及焊后焊縫表面的3D掃描能夠獲得多種特征的精確測(cè)量結(jié)果，如焊趾、咬邊等。檢測(cè)結(jié)果能夠自動(dòng)與預(yù)設(shè)的容差范圍進(jìn)行對(duì)比，并提供合格/不合格反饋。WiKi-SCANTM還可用于現(xiàn)場(chǎng)坡口加工及接頭裝配的檢測(cè)并精確測(cè)量重要參數(shù)，如焊縫頂部與底部開(kāi)口或間隙、錯(cuò)邊以及斜角，非常方便現(xiàn)場(chǎng)焊接操作檢測(cè)用。

唐山英萊科技的激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)IL-HSP-090傳感器最佳視距為88 mm，視距范圍為82.5～94 mm，景深為11.5 mm，視野為9.6 mm，可檢測(cè)最小焊縫間隙為0.08 mm，主要用于薄鋁板、不銹鋼板平板對(duì)接，各種材質(zhì)的T型焊縫，散熱器、箱體、壓力容器等實(shí)時(shí)焊接。IL-EDZ-150傳感器最佳視距為150 mm，視距范圍為105～251 mm，景深為146 mm，視野為38 mm，可檢測(cè)最小焊縫間隙為0.2 mm。從這些數(shù)據(jù)可以看出，焊縫跟蹤傳感器精度等參數(shù)越來(lái)越高，能夠滿足目前焊接系統(tǒng)的需求。例如，在電控箱外殼自動(dòng)化生產(chǎn)焊接過(guò)程中（見(jiàn)圖1），焊接機(jī)器人多采用示教再現(xiàn)的工作模式，對(duì)前道工序及工裝的精度要求極高，面對(duì)批量生產(chǎn)來(lái)料一致性差、擺放誤差、工裝偏差等精度問(wèn)題，由于機(jī)器人無(wú)法自主識(shí)別焊縫偏移，多會(huì)發(fā)生焊偏焊漏的情況。而英萊的激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)就像工業(yè)機(jī)器人的雙眼，通過(guò)激光傳感器主動(dòng)采集焊縫信息，控制主機(jī)快速完成數(shù)據(jù)分析，引導(dǎo)機(jī)器人補(bǔ)償實(shí)際焊縫與示教軌跡的偏差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)焊接，有效解決鈑金箱體類(lèi)工件組對(duì)、擺放、工裝等環(huán)節(jié)造成的焊接接頭一致性差的痛點(diǎn)，提高了焊接精度，減少了人為因素對(duì)焊接的影響。

創(chuàng)想智控激光視覺(jué)一體化-CXZK-JSYT-B相機(jī)結(jié)合了視覺(jué)相機(jī)和激光相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，激光相機(jī)可以檢測(cè)焊縫高低和左右偏差，視覺(jué)相機(jī)可以檢測(cè)縫隙很小的拼接焊縫，在檢測(cè)細(xì)小焊縫的同時(shí)輸出高度信息，從而解決了薄板拼接焊縫跟蹤焊接問(wèn)題，可跟蹤左右和高低。創(chuàng)想智控針對(duì)焊縫特征和視覺(jué)檢測(cè)、激光檢測(cè)性能特點(diǎn)，推出了3種系列多種型號(hào)的產(chǎn)品：激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)，激光+視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)，如圖2所示。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)適用于搭接、對(duì)接，角接焊縫的檢測(cè)和跟蹤，在中厚板行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，高度檢測(cè)范圍覆蓋90～500 mm，寬度檢測(cè)范圍10～200 mm，精度0.014～0.2 mm。針對(duì)行業(yè)工件特點(diǎn)和各種機(jī)器人的特點(diǎn)，推出可二次開(kāi)發(fā)的接口功能，讓用戶自由組合應(yīng)用。

廣州賓采爾提供了一個(gè)集成產(chǎn)品Auto Guide Plus用于匹配焊接專機(jī)使用。該自動(dòng)焊槍導(dǎo)向裝置帶有光學(xué)焊縫跟蹤傳感器TH6D傳感器，可確保焊槍在預(yù)期位置進(jìn)行焊接。如果組件預(yù)制超出了公差范圍或者公差太大，程序化自動(dòng)生成的焊縫則會(huì)快速給出指示。基于焊縫跟蹤傳感器TH6的數(shù)據(jù)，AutoGuide Plus的2軸焊槍導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)校正焊接路徑，無(wú)需操作人員持續(xù)觀察焊接過(guò)程。

2 焊縫跟蹤系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

隨著焊縫跟蹤系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，與工業(yè)機(jī)器人配套的研發(fā)與投入也越來(lái)越大，很多企業(yè)推出了各自的工業(yè)機(jī)器人工作站或系統(tǒng)，如發(fā)那科、廣州數(shù)控、凱爾達(dá)、時(shí)代、柴孚、上海滬工等工業(yè)機(jī)器人企業(yè)紛紛引進(jìn)了相應(yīng)的焊縫跟蹤系統(tǒng)。

（1）發(fā)那科雙機(jī)激光跟蹤焊接系統(tǒng)。發(fā)那科根據(jù)不同的工作機(jī)器人采用了不同尋位或者定位技術(shù)，如視覺(jué)定位系統(tǒng)、激光跟蹤等功能。該系統(tǒng)主要由FANUC Dual Arm弧焊機(jī)器人M-10iD/12和雙激光視覺(jué)傳感器FUJI-CAM，配合單軸變位機(jī)完成鋁合金油罐的激光跟蹤協(xié)調(diào)焊接。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①雙機(jī)器人之間可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，每臺(tái)機(jī)器人最大負(fù)載12 kg，最大運(yùn)動(dòng)半徑1 400 mm。②雙激光視覺(jué)傳感器FUJI-CAM最快跟蹤速度5 m/min，可實(shí)現(xiàn)高速跟蹤焊接。該激光跟蹤傳感器系統(tǒng)與機(jī)器人高度集成，激光跟蹤調(diào)試參數(shù)可直接通過(guò)機(jī)器人控制器設(shè)置，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。③該系統(tǒng)采用SFP-P500iB/P鋁合金專用焊接電源，內(nèi)置多種鋁合金焊接工藝庫(kù)，焊接電源通過(guò)DeviceNet總線與機(jī)器人通信，實(shí)現(xiàn)高速協(xié)調(diào)控制，焊接參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)便，易于調(diào)試。例如，在油箱焊接過(guò)程中，雙機(jī)激光跟蹤焊接系統(tǒng)配合機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)一次完成端面的焊接，在很大程度上提升焊接效率，如圖3所示。

另外，還有四機(jī)協(xié)同跟蹤標(biāo)準(zhǔn)焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)是FANUC M-20iD/12L和R-2000iC/270F機(jī)器人結(jié)合3D視覺(jué)以及激光傳感器的焊接系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳感器引導(dǎo)雙搬運(yùn)機(jī)器人抓起較大型工件，應(yīng)用激光傳感器尋位和跟蹤功能，進(jìn)行雙弧焊機(jī)器人同步協(xié)調(diào)焊接。該系統(tǒng)解決了由不同尺寸工件造成的變位機(jī)設(shè)計(jì)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工件上下料時(shí)間長(zhǎng)，影響工廠生產(chǎn)效率的痛點(diǎn)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)約了大型工件的上下料所需多個(gè)人工成本和15～30 min的上下料時(shí)間。②由于機(jī)器人的高柔性化，使得工件可以更靈活地進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，可以使用兩臺(tái)焊機(jī)機(jī)器人同時(shí)在最佳焊機(jī)位置進(jìn)行焊接，提高了焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。四機(jī)協(xié)同跟蹤標(biāo)準(zhǔn)焊接系統(tǒng)如圖4所示。

（2）廣州數(shù)控機(jī)器人激光跟蹤焊接工作站。該工作站單元由GSK RH06A3工業(yè)機(jī)器人，配備了全視激光跟蹤、麥格米特焊機(jī)等，能夠配合焊槍完成對(duì)工件的焊接，可靈活應(yīng)用于汽車(chē)及配件、摩托車(chē)及配件、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等，如圖5所示。

（3）昆山華恒全自動(dòng)管板焊接系統(tǒng)。機(jī)器人全自動(dòng)管板焊接系統(tǒng)是昆山華恒焊接股份有限公司運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)、控制技術(shù)和焊接工藝融合打造的智能化焊接裝備，可用于全面取代換熱器管板的人工焊或半自動(dòng)焊接（見(jiàn)圖6）。其基本原理為：將CAD圖紙導(dǎo)入系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別所導(dǎo)入圖紙與實(shí)物的位置關(guān)系，根據(jù)規(guī)劃的焊接路徑工，自動(dòng)計(jì)算識(shí)別相應(yīng)管子的中心位置，引導(dǎo)焊槍對(duì)每個(gè)管口的全位置焊接，體現(xiàn)高效、智能、降本的發(fā)展目標(biāo)。

3 結(jié)論

焊縫跟蹤作為一門(mén)綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉熔合的特點(diǎn)，包括電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料、光學(xué)等學(xué)科。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研用單位都在不斷地深入研究如何提升焊縫跟蹤系統(tǒng)的精確性、現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性以及連續(xù)工作性，采用多傳感器的信息融合技術(shù)，改進(jìn)和創(chuàng)新現(xiàn)有的圖像處理算法，通過(guò)傳感器測(cè)量熔池的幾何形狀以用于焊縫跟蹤和焊縫檢測(cè)。中國(guó)制造業(yè)必須走工業(yè)2.0（電氣化）補(bǔ)課、工業(yè)3.0（數(shù)字化）普及、工業(yè)4.0（智能化）示范的并聯(lián)式或者是串并聯(lián)混合式的發(fā)展道路，必須采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化多方法精準(zhǔn)發(fā)力、并行推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展，才能在未來(lái)的應(yīng)用中綻放光彩，避免我國(guó)智能制造“ 卡脖子 ”事件的發(fā)展。

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