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铸钢件“集中大缺陷”采用机器人进行焊补处理的智能系统搭建及设置意见（讨论稿）
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四川智能创新铸造有限公司
2022年7月
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前 言
本文以基本机器人智能焊补工作站的配置进行介绍,并补充说明可提供的扩展服务。
随着各类重型装备设计水平的不断提高，对铸钢件内部质量的要求也不断提高，部分高端铸钢件的内部质量要求已经超过工艺制造水平和能力范围，由此铸钢件“缺陷”的焊补就成为保证铸钢件内部质量的必然手段和标准配置工序。
现阶段铸钢件“缺陷”焊补几乎全部采用人工焊补作业。该工序工作量大，劳动条件恶劣、安全风险高，招工困难。采用机器人智能焊补工作站可以大部分地替代人工补焊，补焊质量好、效率高，可以解决铸钢企业这部分的“大量人力资源瓶颈”。设置铸钢件“集中大缺陷”机器人智能焊补工作站是铸钢件生产企业解决问题的经济有效途径。
一、适用范围
本系统以焊补工作站方式运行，主要应用于铸钢件“集中大缺陷”机器人智能焊补。铸钢件“集中大缺陷”焊补是当前机器人焊补工作站适用范围内，工作量在10kg以上的焊补需求，采用智能机器人焊补较为经济。
机器人采用固定面安装,适用范围如下表所示：
标准焊补工作站适用 | 适用范围 |
一次焊补工作量 | ≥10kg焊补工作量 |
坡口准备 | 彻底清理干净缺陷部位，按工艺要求制作焊补坡口，（预热到位） |
焊补工艺方法 | 气保自动焊 |
缺陷焊补方式 | 平焊，斜坡焊，尽量不立焊 |
铸件材质 | 铸造碳钢、低、中、高合金钢到高合金钢等 |
机械臂可覆盖范围 | 机器人前部约2500×1500mm矩形区域 |
铸件重量: | 不限 |
焊补速率 | 2kg~3kg/小时 |
表1 适用范围
单台设备场地及外部能源需求（未扩展）：
需求项 | 内容 |
场地尺寸 | 6000mm×5000mm |
电源要求 | 380V/220V±10%，50Hz |
气源要求 | 0.6MPa |
耗材 | 焊丝ø1.2-1.6 mm |
表2 场地及能源需求
二、设置目标
1. 机器人智能焊补系统采用三维智能扫描系统和在线焊补轨迹编程实现工件（缺陷部位）定位和焊补轨迹生成。
2. 控制系统人机交互简便，操作方便。通过远程数据平台，可查看系统运行状态，统计记录生产数据。实现焊补环境和整体工艺的双优化。
3. 铸钢件大部分（60%以上）的缺陷可以由该系统来完成。
4. 焊补质量高于人工，一次性焊补成功率可达到。
5. 可人工针对性选取焊补区域，焊补工艺参数可人工设置，适用多种铸钢件。
6. 整体设备稳定可靠，可在2-3年内收回投资。
三、系统构成
机器人智能焊补系统主要由：6轴焊接机器人、三轴龙门架、焊接系统（自动清枪系统、熔池监控系统）、三维扫描系统、中央控制系统。后台焊补“大数据”管理系统构成，总体效果图如图1所示：
图1 机器人智能焊补系统总效果图
3.1 主体构成
三轴龙门架
采用三自由度移动式龙门架辅助焊接控制.
6轴焊接机器人
弧焊机器人选配库卡、安川、发那科、和ABB等品牌的焊接机器人，也可以选择国产的焊接机器人系统。能够实现平面、弧面、斜面、垂直面的焊补坡口进行自动化焊焊补。进行立焊及 0-90°倾斜角的多位置焊补。
焊接系统
熔池监控系统在有电弧光的情况下监控焊接过程的完成。监控信息在中央监控器上显示，便于工人在控制器上进行操作和监控。
自动清枪器清枪剪丝。选用知名品牌的清枪剪丝装置、布置到系统中。
焊接电源具有普通 MIG/MAG焊、脉冲 MIG/MAG焊、双脉冲 (标准配置 )功能。适用于不同厚度的碳钢、不锈钢等材料的焊接。熔深更深，热输入量低，合金元素烧损少，焊缝成型美观，特别适合于高强钢的焊接。
（如果采用中频感应加热系统，实现铸件缺陷部位的焊接预热和焊后热处理消应。加热高效可控，不需要整体预热和消应，改善工作环境）。
三维扫描系统
可实现缺陷部位的快速定位和与操作者交互确认后自动生成缺陷部位的在线焊补轨迹程序。
3.2 工艺参数
焊补工艺控制是实现自动化焊补质量的重要因素。操作者可选择在交互界面输入工艺参数或使用已验证的默认参数进行焊补，系统通过控制机器人移动参数和PLC控制焊枪相结合，实现焊补运动轨迹。详细焊补工艺参数由于和铸件材料相关性强，这里不便罗列。
3.3 控制和数据处理系统
机器人智能自动化焊补软件部分主要包括总控制程序，视觉定位算法，坡口焊补轨迹在线编程软件，智能焊接云管理系统。
模块 | 模块功能 |
总控制程序 | C#编写控制交互界面，上位机通过以太网控制于PLC、机器人、视觉进行联动控制 |
视觉识别定位算法 | 通过视觉相机拍摄图像，编写图像拟合程序：生成高精度图像数据：识别工件尺寸、工件位置、工件类型 |
坡口焊补在线编程软件 | 软件具有路径规划功能，用来进行机器人轨迹按坡口编程，生成适应当前坡口的焊补轨迹。 |
智能焊接云管理系统 | 利用4G移动通讯网络解决“大数据”的焊接过程监控和管理。实现不断优化工艺。 |
表3 控制和数据处理系统模块及功能
四、系统工作流程
1. 按焊补工艺要求制备需焊补铸件缺陷部位的焊补坡口
2. 吊装摆放待焊补铸件至机器人焊补工作站的有效焊补区域（约2500×1500）；
3. 标识需铸件上的各焊补坡口，确定坡口焊补顺序；
4. 启动焊补工作站系统，录入必要的信息后确定，视觉系统开始工作。自动寻找各焊补坡口并进行焊补轨迹规划。
5. 操作者确认焊补工艺参数和焊补顺序后，系统开始进行逐个坡口的焊补作业，操作者需观察并服务清枪程序运行和更换焊材等；
6. 当前区域内坡口焊补完成后，操作者需进行后续坡口保温等工作。
7. 关闭系统，清理操作现场。
五、系统使用效率
机器人智能焊补系统可替代传统人工焊补工作，实现“集中大缺陷”铸钢件焊补质量优化并可长时间稳定工作，降低生产成本，提升整体生产效率。该系统将操作者从传统的焊补环境中解放出来，通过视觉和机器人系统，还可实现远端监控焊补进程，符合我国产业智能化发展方向。
六、系统预计实现效益
该设备在焊补修复过程中，机器人无暂停运动。整个过程不需要人工干预、示教等，机器人自动定位、自动引弧、送丝、焊接停止。机器人可以根据焊接工艺要求，实现预设的首尾交接长度，断弧续焊功能；可提升焊补操作环境，缓解招工困境；提升焊补工序智能化水平，推进绿色铸造发展。
人工焊补和机器人自动焊补成本及效益比对
（1）机器人焊补成本包含人工、耗材、电费、设备折旧（3-5年）对比可知，约3年可收回全部投资。
（2）初步测算，可以节约焊补厂房面积50%以上。
七、总结
7.1配置更低要求
实现最基础的焊补功能且不增加企业资金压力，机器人智能焊补工作站的配置要求如下：
①主机部分可采用市面常见6轴焊接机器人、搭配三轴龙门架，匹配不同焊接系统（自动清枪系统、熔池监控系统），可适用于不同厚度的碳钢、不锈钢等材料的焊接。
②通过常规PLC总控制柜进行控制，C#编写控制交互界面，用以太网控制与PLC、机器人、视觉进行联动控制。
③系统对工厂场地配套和能源要求都比较低，仅需要大小为6000mm×5000mm，有50HZ-380V三相交流电、能提供压力≥0.6MPa焊接气源的场地即可满足要求，设备主要耗材为焊接气源气体，系统运行花费低。
7.2系统优势
①简易明了的交互模式，实现操作者与系统的交互操作：操作者可选择在交互界面输入工艺参数或使用已验证的默认参数进行焊补，系统通过控制机器人移动参数和PLC控制焊枪相结合，实现焊补运动轨迹。整个过程不需要人工干预、示教等，机器人自动定位、自动引弧、送丝、焊接停止。
②系统维护简单，定期进行焊枪系统检查、线路健康状况评估和工控机内运行环境及冗余清理。
③安全环保：操作者可远离焊接平台，机器人设备稳定可靠，系统基本无排放，杜绝安全和环保风险。
④操作者仅需职业技术学校相关专业学习，或拥有大专以上学历，具有计算机操作能力，通过培训即可快速掌握系统操作方法。
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