摘要：大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遙感探測等新技術(shù)與礦業(yè)交叉融合，使礦業(yè)發(fā)展新動(dòng)能日益強(qiáng)勁，為礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展帶來了革命性機(jī)遇。智能化焊接是傳統(tǒng)焊接技術(shù)與新一代信息技術(shù)深度融合的新技術(shù)，是礦業(yè)發(fā)展的必由之路，是提高礦企核心競爭力、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，讓焊工安全工作、健康工作。該文同時(shí)融合國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，為今后智能化焊接礦山設(shè)備的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：智能焊接；礦山維修；機(jī)器人；智能化

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.043

中圖分類號(hào)：TG 4；TP 24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-04

Application and Research of Intelligent Welding Equipment

ZHANG Yongqiang， WEI Huimin， LI Tong， JIN Baoquan， FANG Liqiang

（National Energy Quasi-Energy Group Equipment Maintenance Center， Ordos 010300， China）

Abstract： The cross integration of new technologies such as big data， cloud computing， mobile Internet， Internet of things and remote sensing detection with mining has made the new driving force of mining development stronger and stronger， and brought revolutionary opportunities for mining transformation and upgrading and innovative development. Intelligent welding is a new technology deeply integrating traditional welding technology and a new generation of information technology. It is the only way for mining development. It is an inevitable choice to improve the core competitiveness of mining enterprises and realize sustainable development， so that welders can work safely and healthily. At the same time， this paper integrates the advanced technology at home and abroad， which provides theoretical basis and technical support for the construction of safe， efficient and green intelligent mines in the future.

Keyword： intelligent welding; mine maintenance; robot; intellectualization

0 引言

自工業(yè)革命以來，人力勞動(dòng)已無法滿足日益增長的生產(chǎn)需求，逐步被機(jī)械所取代，這種變革為人類社會(huì)創(chuàng)造出極大的財(cái)富，推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在孕育興起，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遙感探測等新技術(shù)與礦業(yè)交叉融合，使礦業(yè)發(fā)展新動(dòng)能日益強(qiáng)勁，為礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展帶來了革命性機(jī)遇。智能化是礦業(yè)發(fā)展的必由之路，是提高礦企核心競爭力、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

1 智能焊接認(rèn)識(shí)與建設(shè)

焊接智能化是指發(fā)揮機(jī)器人自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測的設(shè)備優(yōu)勢[1]，通過協(xié)同感知的智能控制設(shè)備掃描焊接部位，云端形成3D模型、自主匹配焊接工藝的智能協(xié)同集成技術(shù)，是傳統(tǒng)焊接技術(shù)與新一代信息技術(shù)深度融合的新技術(shù)，可將焊工從高危職業(yè)病危害崗位替換下來，從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，讓焊工安全工作、健康工作。

礦用設(shè)備大型結(jié)構(gòu)件智能焊接技術(shù)（以下簡稱智能焊接）是聯(lián)合機(jī)器人、焊接單元、門架伺服運(yùn)動(dòng)單元3個(gè)主體設(shè)備，通過感知系統(tǒng)、視覺識(shí)別、PLC自動(dòng)化集成主控制單元3個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)焊接裝備智能化、技術(shù)與管理網(wǎng)絡(luò)化、工藝設(shè)計(jì)專家化、任務(wù)下達(dá)自動(dòng)化、生產(chǎn)過程模擬與可視化、施焊工藝與質(zhì)量可感知化、產(chǎn)品質(zhì)量全程可追溯化、焊縫質(zhì)量準(zhǔn)確評(píng)價(jià)化、焊接控制智能化。

本研發(fā)包括兩大技術(shù)內(nèi)涵：一是數(shù)字化焊接管控技術(shù)；二是智能化柔性焊接工作站，包括機(jī)器人智能焊接單元、在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、智能化生產(chǎn)管控及質(zhì)量評(píng)價(jià)等。

1.1 硬件建設(shè)

機(jī)器人智能化焊接單元主要是工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)焊接工藝、機(jī)器視覺伺服定位系統(tǒng)、人工智能等部分的集合，是技術(shù)密集度及自動(dòng)化程度很高的機(jī)電一體化加工設(shè)備，具有機(jī)身緊湊輕巧、移動(dòng)精度高、可高速穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)等設(shè)備優(yōu)勢[2-3]。

圖1 智能焊接機(jī)建設(shè)3D模型設(shè)計(jì)圖

智能焊接關(guān)鍵硬件包含焊接機(jī)器人單元及機(jī)器人配套裝置、全數(shù)字雙絲PMAG焊接電源、機(jī)器人專用雙絲MAG焊槍、防碰撞系統(tǒng)、雙龍門門架伺服運(yùn)動(dòng)單元、自適應(yīng)激光跟蹤系統(tǒng)、近紅外熔池視覺協(xié)同感知系統(tǒng)；機(jī)器視覺伺服定位系統(tǒng)、PLC（工控機(jī)）集成控制系統(tǒng)、數(shù)字化管控系統(tǒng)、高負(fù)壓除塵系統(tǒng)、接縫跟蹤智能控制系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置。

1.2 數(shù)字建設(shè)

數(shù)字化焊接管控系統(tǒng)主要是數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)、焊接工藝智能設(shè)計(jì)技術(shù)和優(yōu)質(zhì)高效低耗焊接工藝的集成及其工程化應(yīng)用，主要應(yīng)包括焊接物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、焊接工藝智能設(shè)計(jì)、焊接規(guī)范自動(dòng)下達(dá)、焊接工藝參數(shù)在線傳感傳輸、焊縫質(zhì)量智能評(píng)價(jià)、焊接工藝和資源的管理等6個(gè)功能模塊，并記錄數(shù)據(jù)組成云端大型數(shù)據(jù)庫[4]。

通過焊接監(jiān)控評(píng)價(jià)軟件，可連接焊接物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與工藝傳感模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)網(wǎng)焊機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、記錄，監(jiān)控、記錄的內(nèi)容包括：實(shí)際焊接電流、實(shí)際弧壓、焊機(jī)工作狀態(tài)、預(yù)置焊接工藝參數(shù)、送絲速度、使用氣體、焊絲材質(zhì)、焊絲直徑、開關(guān)時(shí)間、實(shí)際焊接時(shí)間、設(shè)備操作員姓名、焊機(jī)型號(hào)、實(shí)時(shí)波形圖等參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型分成生產(chǎn)管理、成本管理、焊機(jī)管理3個(gè)模塊。

2 智能焊接應(yīng)用

礦用智能焊接主要作業(yè)對(duì)象為卡車、電鏟等大型設(shè)備零部件，發(fā)揮機(jī)器人不停頓、動(dòng)作迅速、反應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢，取締人工進(jìn)行高強(qiáng)度、重復(fù)性焊接工作[5]。由于各類型結(jié)構(gòu)件體型龐大、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)件、不同部位的智能焊接工藝與流程都具有針對(duì)性。

2.1 卡車廂斗

礦用卡車主要負(fù)責(zé)露天礦剝離后土塊、巖石的運(yùn)輸工作，930E廂斗是煤礦主要的運(yùn)輸設(shè)備，卡車廂斗在裝卸時(shí)作為易損件進(jìn)行磨損。焊接機(jī)器人維修廂斗主要進(jìn)行廂斗耐磨板的焊接工作，并基于不同部位設(shè)計(jì)10 mm U型梁、20 mm耐磨板2種焊接工藝。

圖2 卡車廂斗耐磨板預(yù)焊圖

2.1.1 10 mm U型梁部位

10 mm U型梁厚度略薄，MAG雙絲焊接局部熱輸入量遠(yuǎn)大于單絲焊接輸入量，當(dāng)電流超270 A時(shí)，易造成熔池翻滾，帶動(dòng)U型梁內(nèi)部沙土翻轉(zhuǎn)入熔池，焊接時(shí)飛濺大，且出現(xiàn)氣孔；電壓超30 V時(shí)，會(huì)造成電弧超過干伸長量，電流不穩(wěn)，余高過小，電流不穩(wěn)時(shí)容易引弧燒損導(dǎo)電嘴。

2.1.2 20 mm耐磨板部位

20 mm耐磨板板厚適中，難點(diǎn)為在焊接時(shí)如何保證機(jī)器人單面焊雙面給成型，焊速過快時(shí)，易導(dǎo)致熔深、熔寬、余高減小，形成窄焊道，出現(xiàn)未融合現(xiàn)象，焊趾部咬肉，會(huì)使氣體保護(hù)作用受到破壞，易產(chǎn)生氣孔；焊速過慢時(shí)，易導(dǎo)致熔池變大，焊道變寬，焊趾部滿溢，難排出熔池中的氣體，且因?yàn)闊彷斎肓看?，熱影響區(qū)焊縫金屬組織晶粒粗大，降低耐磨板及廂斗母體硬度與強(qiáng)度，影響焊接質(zhì)量。

2.2 電鏟提升滾筒

滾筒工作頻繁，且長期受力不均勻，電纜凹槽中段磨損嚴(yán)重，最薄處僅存10 mm，側(cè)壁沿截面開裂。利用機(jī)器人焊接質(zhì)量高、焊接穩(wěn)定、可堆焊作業(yè)等優(yōu)勢，對(duì)磨損部位進(jìn)行補(bǔ)焊。并結(jié)合3#495B推壓滾筒結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等因素，自主研發(fā)適用于本結(jié)構(gòu)件與作業(yè)環(huán)境的焊接參數(shù)，在保證焊縫性能、質(zhì)量的情況下增加機(jī)器人工作效率與開動(dòng)率。

圖3 機(jī)器人焊接電鏟提升滾筒

2.2.1 滾筒機(jī)器人焊接工藝及流程

焊接前，檢查滾筒損壞情況，使用工業(yè)清洗劑清理凹槽及側(cè)壁油泥，再用電動(dòng)砂輪機(jī)打磨所需補(bǔ)焊部位，去除氧化層，裸露內(nèi)部金屬[6]。

滾筒凹槽涉及平焊、上爬坡焊兩種焊接情況。爬坡角度達(dá)到60°～120°，依據(jù)廂斗焊接工藝參數(shù)，控制變量，進(jìn)行了控制變量多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)變量為焊接電流、焊接電壓、焊接速度、擺幅寬度、擺幅長度。

（1）控制電壓、速度、擺動(dòng)參數(shù)，測試不同電流對(duì)焊縫影響情況，如表3所示。

（2）控制電流、電壓、擺動(dòng)參數(shù)，測試不同焊接速度對(duì)焊縫影響情況，如表4所示。

經(jīng)測試，雙絲情況下，斜爬坡電流220 A，電壓22 V，焊接速度4.5 m/min，擺幅寬度8 mm，長度4 mm為最佳參數(shù)，可得到均勻、光滑的焊接表面。

編制焊接程序，初期采用單道單層焊接方式，焊接過程煩瑣，效率低。后增加多道程序，賦予示教點(diǎn)變量，運(yùn)行模式為自動(dòng)循環(huán)，大幅增加工作效率，下列為部分焊接程序：

Main;

PROC Routine1（1）

PROC Routine2（2）

SetGo goW1JobNo， 10; 1

SetGo goW2JobNo， 10; 2

SetGo goW1ProgramNo， 3;

SetGo goW2ProgramNo， 3;

Set do2_DusterStart;

WaitTime 0.5;

Reset do2_DusterStart;

MoveJ p1， v300， z50， tool2;

ArcLStart p11， v300， seaml， weld2/weave= weave1，fine，tool2

ArcC p12， p13，v300， seaml， weld2/weave= weave1，fine，tool2

ArcCEnd p14， p15 v300， seaml， weld2/weave= weave1，fine，tool2

p1=p2

p11=p21

p12=p22

p13=p23

p14=p24

p15=p25

MoveJ p2（x，y，z）， v300， z50， tool2;

ArcLStart p21（x，y，z），v300， seaml， weld2/weave= weave1，fine，tool2

ArcC p22（x，y，z），p23（x，y，z），v300， seaml， weld2/weave= weave1，fine，tool2

ArcCEnd p24（x，y，z）， p15（x，y，z） v300， seaml， weld2/weave= weave1，fine，tool2

（循環(huán)）

WaitTime 0.5;

Reset do2_DusterStart;

ENDPROC

焊前進(jìn)行預(yù)熱，使預(yù)熱溫度需達(dá)到100～120℃，用液化甲烷噴槍順凹槽加熱20 min。焊接機(jī)器人分段多層進(jìn)行凹槽補(bǔ)焊，于基礎(chǔ)程序中增加變量，命令機(jī)器人由中間線向兩側(cè)逐層疊加進(jìn)行焊接，接程序設(shè)定為底部一層三道、中間一層四道，多層疊加，覆蓋率達(dá)三分之一，使得焊后的焊道與原先凹凸一直。焊后氣刨處理焊接接頭，電動(dòng)砂輪機(jī)打磨焊道尖銳處。

3 結(jié)束語

礦用智能焊接通過技術(shù)支持集中化，利用感知系統(tǒng)、視覺識(shí)別、PLC自動(dòng)化集成主控制單元三個(gè)模塊，結(jié)合機(jī)器人、焊接單元、門架伺服運(yùn)動(dòng)單元等硬件設(shè)備，掃描目標(biāo)物體，獲取結(jié)構(gòu)件的形狀參數(shù)，云端分析解算，實(shí)現(xiàn)從實(shí)物到虛擬模型的轉(zhuǎn)變。并發(fā)揮智能機(jī)器人具備學(xué)習(xí)能力，記錄每次作業(yè)時(shí)的焊接參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫歸類，加強(qiáng)智能化、自動(dòng)化程度，在同類型工況焊接作業(yè)時(shí)節(jié)省調(diào)試時(shí)間，降低人工作業(yè)強(qiáng)度，并為以后其他類型作業(yè)參數(shù)調(diào)試提供了經(jīng)驗(yàn)，拓展了業(yè)務(wù)范圍。本研究結(jié)果同時(shí)融合國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，為今后建設(shè)安全、高效、綠色智能礦山開展提供了理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持。

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