李子源，曹成銘，王瑞，許金寶，王向榮

1.山東泰安煤礦機(jī)械有限公司 山東泰安 271000；2.山東能源集團(tuán)裝備制造（集團(tuán)）有限公司 山東泰安 271000

1 序言

我國是世界上煤炭產(chǎn)銷量最大的國家，然而我國煤炭儲備中有97%位于離地面400m以下的區(qū)域，因此必須使用特殊的地下采煤工程裝備才能開采。2019年，我國煤礦機(jī)械化率已達(dá)到85%，但與美國相比，還有很大差距。為此，采用高效、高本質(zhì)安全的煤機(jī)裝備，是提高生產(chǎn)效率、保證安全開采的重要手段之一[1]。

我國煤礦機(jī)械制造業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已具備了設(shè)計、制造煤礦用各種機(jī)械設(shè)備的能力。其中，現(xiàn)代化綜采設(shè)備、綜掘設(shè)備和大型高效露天“剝、采、運(yùn)、支”成套設(shè)備在大中型煤礦大量使用。但就國際煤礦發(fā)展現(xiàn)狀來看，我國煤炭開采技術(shù)裝備總體水平依然較低。我國煤礦開采機(jī)械化程度整體上還滯后于煤炭生產(chǎn)快速發(fā)展的實(shí)際需求，與煤炭產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量45%的產(chǎn)煤大國地位并不協(xié)調(diào)。目前，我國煤機(jī)成套裝備的生產(chǎn)能力、技術(shù)性能以及研制應(yīng)用規(guī)模還與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，主要表現(xiàn)在大型煤機(jī)裝備的制造可靠性方面。

煤機(jī)裝備零部件在制造過程中存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接工藝繁瑣、多品種小批量等難題。通過傳統(tǒng)人工或焊接專機(jī)進(jìn)行焊接，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，在節(jié)拍效率上也得不到顯著提升。為此，廣大煤機(jī)制造企業(yè)紛紛開始聯(lián)合機(jī)器人公司開展煤機(jī)智能焊接技術(shù)及裝備的研發(fā)與應(yīng)用，期待進(jìn)一步提高焊接效率及質(zhì)量。

2 刮板輸送機(jī)自動焊接技術(shù)需求

刮板輸送機(jī)是煤礦機(jī)械中的重要裝備。國內(nèi)外刮板輸送機(jī)都在向大運(yùn)量、長運(yùn)距、大功率、高強(qiáng)度、長壽命與高可靠性等方向發(fā)展。目前，國外綜采最大的工作面刮板輸送機(jī)，其運(yùn)量已達(dá)6000t/h，裝機(jī)功率達(dá)4×800kW，運(yùn)距450m（即刮板輸送機(jī)整機(jī)長度）。國內(nèi)自主研發(fā)的刮板輸送機(jī)運(yùn)量已達(dá)3500t/h，運(yùn)距350m。典型的刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

中部槽是刮板輸送機(jī)的機(jī)身和物料承載機(jī)構(gòu)（見圖2），其在日常使用中也是受磨損最嚴(yán)重的部件，其材料特性及焊接質(zhì)量直接影響到刮板輸送機(jī)的可靠性和使用壽命。通常每臺刮板輸送機(jī)都具有100多節(jié)中部槽，其重量占輸送機(jī)總重量的70%以上。刮板輸送機(jī)的失效，也多由中部槽的過度磨損或斷裂引起，所以中部槽的使用壽命是衡量整機(jī)壽命的重要指標(biāo)。另外，槽幫（鏟擋板）與中板以及槽幫與封底板的焊接，其焊接工作量約占刮板輸送機(jī)焊接工作總量的80%。因為人工焊接工作量大、效率低，所以每個焊工一天通常只能焊接1.5個中部槽。隨著先進(jìn)制造和自動化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，采用機(jī)器人自動焊接成為提高焊接效率和質(zhì)量的有效手段。近年來，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開始在刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)件焊接中采用機(jī)器人焊接生產(chǎn)線或工作站，如中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司、山東能源重裝集團(tuán)、寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司等企業(yè)。通過采用機(jī)器人自動焊接，不僅能有效地改善焊接外觀與質(zhì)量，且能大幅提高焊接效率。以配備雙絲雙槍焊機(jī)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)為例，其效率較手工半自動CO2單絲焊提高6倍，且焊縫外觀及整體質(zhì)量得到提高[2]。

圖2 中部槽結(jié)構(gòu)件

整體來說，作為在煤礦井下工作面上負(fù)責(zé)煤炭運(yùn)輸?shù)墓伟遢斔蜋C(jī)，其質(zhì)量可靠性將嚴(yán)重影響到煤礦企業(yè)的煤炭產(chǎn)量、生產(chǎn)效率及井下礦工的生命安全。因此，如何進(jìn)一步提高我國煤礦機(jī)械刮板輸送機(jī)大型結(jié)構(gòu)件中部槽的整體焊接可靠性，成為我國煤礦裝備制造企業(yè)“十四五”期間的重點(diǎn)研究方向。在我國多數(shù)的刮板輸送機(jī)制造企業(yè)，手工焊接至今仍然是主流的焊接作業(yè)方式，人工施焊時，焊接工人經(jīng)常會受到心理、生理條件變化以及周圍環(huán)境的干擾。在高負(fù)荷的勞動強(qiáng)度和惡劣作業(yè)條件下，操作工人容易疲勞，難以較長時間保持焊接工作的穩(wěn)定性和一致性，最終會造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

（1）中厚板焊接變形預(yù)測及控制技術(shù) 鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過焊接加工會發(fā)生一定的形狀改變，即焊接變形。變形的基本類型有橫向收縮、縱向收縮、角變形、彎曲和波浪變形。相比汽車生產(chǎn)的點(diǎn)焊和薄板弧焊，煤礦機(jī)械的焊接工藝以中厚板結(jié)構(gòu)件的弧焊為主，對焊接自動化裝備的控制水平以及各種糾偏和自適應(yīng)功能要求更高，焊接自動化難度也更大。因此，預(yù)測中厚板的焊接變形是大型鋼結(jié)構(gòu)建造中發(fā)揮作用的關(guān)鍵[3]。常采取的變形預(yù)防措施有：合理選擇施焊方法和焊接參數(shù)，應(yīng)圍繞結(jié)構(gòu)中性軸平衡布置焊縫，合理選擇焊接順序，使用分段倒退焊和間斷焊、預(yù)置反變形量，以及采用剛性固定等。對已經(jīng)出現(xiàn)的變形常采用機(jī)械和火焰矯正法[4]。這些變形預(yù)防措施和矯正工藝主要是依靠經(jīng)驗和有限的試驗數(shù)據(jù)，不能適應(yīng)復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)形式和焊接方法，而且焊接變形的矯正極為耗時、費(fèi)力，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。焊接數(shù)值模擬可通過對復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進(jìn)行模擬，以及對極端情況下尚不知的規(guī)則進(jìn)行預(yù)測。因此，數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)有力的定量研究手段，不僅可以用來幫助理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，預(yù)測殘余應(yīng)力和變形，還可用于研究控制和減小殘余應(yīng)力，優(yōu)化焊縫質(zhì)量[5]。

（2）焊縫尋位、跟蹤及糾偏技術(shù) 通過電弧傳感器檢測待焊部位的位置偏差，經(jīng)過處理控制信號，系統(tǒng)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)使焊槍回到待焊位置，進(jìn)而保證焊接起始點(diǎn)始終處于焊縫坡口的中心位置。焊縫跟蹤的作用是在焊接過程中實(shí)時檢測焊縫偏差，實(shí)時調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，從而保證焊接質(zhì)量。焊縫跟蹤系統(tǒng)中的傳感器決定著整個系統(tǒng)對焊縫的跟蹤精度，焊接過程中其必須精確檢測焊縫坡口的位置及形狀。跟蹤傳感器的類型包括接觸傳感器、光電傳感器及電弧傳感器。電弧傳感器和視覺傳感器在弧焊機(jī)器人中使用頻繁，其中電弧傳感器用得最多，而視覺傳感被認(rèn)為是最有前途的焊縫跟蹤傳感器[6-8]。

（3）機(jī)器人離線編程技術(shù) 離線編程技術(shù)可以應(yīng)用于機(jī)器人選型和場地布置、焊鉗選型與焊點(diǎn)可達(dá)性驗證、路徑優(yōu)化、干涉區(qū)設(shè)置、編寫程序及預(yù)測節(jié)拍等。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對弧焊參數(shù)制定、機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)調(diào)焊接等問題，對弧焊離線編程與仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，并開發(fā)出了原型系統(tǒng)。隨著CAD軟件的發(fā)展，出現(xiàn)了集成在功能強(qiáng)大的CAD軟件上的離線編程系統(tǒng)，真正做到了CAD/CAM一體化。商品化離線編程系統(tǒng)在弧焊方面進(jìn)步很大，實(shí)現(xiàn)了無碰焊接路徑的自動生成、焊縫的自動編程等功能。

（4）車間智能物流技術(shù) 車間內(nèi)部物流系統(tǒng)管理是對物料（包括原材料、半成品、成品、消耗品）的裝卸、搬運(yùn)、移動以及信息等相關(guān)活動所進(jìn)行的全面管理。強(qiáng)化車間內(nèi)部物流系統(tǒng)優(yōu)化管理，是降低成本、提高效率、提高質(zhì)量的必要方法和手段，是提高企業(yè)綜合競爭力的一種有效途徑[9]。車間內(nèi)部物流系統(tǒng)的優(yōu)化需要解決現(xiàn)有布局規(guī)劃、物流設(shè)備選擇、物流信息處理、質(zhì)量管理、搬運(yùn)技術(shù)，以及在制品庫存管理中存在的一系列問題。

（5）車間智能調(diào)度與控制技術(shù) 目前，車間動態(tài)調(diào)度主要有反饋調(diào)度、自適應(yīng)調(diào)度、實(shí)時調(diào)度、在線調(diào)度等，要求能夠?qū)ιa(chǎn)擾動事件進(jìn)行及時、有效、合理地響應(yīng)處理。反饋調(diào)度與實(shí)時調(diào)度體現(xiàn)了生產(chǎn)擾動事件驅(qū)動的調(diào)思路，自適應(yīng)調(diào)度強(qiáng)調(diào)在調(diào)度方案具有魯棒性的基礎(chǔ)上，盡量減少波動的影響，以上幾種形式都屬于在線調(diào)度。如何對車間生產(chǎn)擾動進(jìn)行快速響應(yīng)協(xié)調(diào)是車間動態(tài)調(diào)度的核心內(nèi)容，在線、實(shí)時、適應(yīng)是對動態(tài)調(diào)度的具體要求[10]。

4 未來研究發(fā)展趨勢

（1）3D視覺技術(shù) 機(jī)器人3D焊接視覺系統(tǒng)由焊接專用相機(jī)、焊接視覺軟件和控制器等構(gòu)成。視覺技術(shù)代表了機(jī)器人的眼睛和大腦，視覺將使機(jī)器人智能化變成現(xiàn)實(shí)。其可搭配各型主流焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊縫特征的提取、軌跡尋位及工件找正定位等功能。

（2）焊絲傳感技術(shù) 奧地利伏能士公司開發(fā)的WireSense，是一款可提高機(jī)器人焊接效率的輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)將焊絲作為傳感器，在每次焊接前需檢查工件的位置。通過檢測板材邊緣實(shí)際高度和位置，不但使誤差得到了補(bǔ)償，同時還可獲得理想的焊接效果，基本杜絕了返工和工件報廢現(xiàn)象，無需使用額外的光學(xué)測量設(shè)備，可節(jié)約大量時間和成本。

（3）數(shù)字孿生技術(shù) 數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建的虛擬模型，來模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，也被稱為“數(shù)字鏡像”“數(shù)字雙胞胎”或“數(shù)字化映射”。通過搭建整合制造流程的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接從仿真系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)計劃到制造執(zhí)行的全過程數(shù)字化，從而將產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率和有效性水平提升到一個新的高度。

5 結(jié)束語

近年來，經(jīng)過國家科技政策的不斷支持，機(jī)器人、焊縫跟蹤、智能物流輸送、智能焊接工藝、MES系統(tǒng)及自動控制技術(shù)等制約機(jī)器人焊接推廣應(yīng)用的眾多關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，同時，3D視覺技術(shù)、焊絲傳感器、Arc-eye傳感器與數(shù)字孿生等新型技術(shù)的發(fā)展及研究均取得了突破。因此，作為重要的煤機(jī)輸送裝備之一，刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)件的機(jī)器人焊接已具備市場大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。