如何高效开采地下400m以下区域的煤炭储量？随着机器人焊接技术的发展，机器人智能焊接技术的推广和采用已成为研究热点和发展趋势。为此，分析刮板输送机自动化焊接技术的需求，探讨刮板输送机结构件机器人焊接关键技术的研究现状和未来发展趋势，为未来焊接施工提供理论依据。
我国是世界最大的煤炭生产国和销售国，但我国97%的煤炭储量位于地下400m以下，必须采用专门的井下采煤设备进行开采。2019年，我国煤矿机械化率达到85%，但与美国相比仍有较大差距。因此，使用高效、本质安全的采煤设备是提高生产效率、保障安全开采的重要手段之一[1]。
经过多年的发展钢结构自动焊接机器人，我国煤矿机械制造业现已具备设计、制造煤矿各类机械设备的能力，其中现代化综合采煤设备、综合掘进设备、大型高效露天“剥采运支”成套设备在大中型煤矿得到广泛应用。但从目前国际煤矿发展现状来看，我国煤矿开采技术装备总体水平还比较低，我国采煤机械化程度总体落后于煤炭生产快速发展的实际需要，与我国煤炭产量占世界总产量45%左右的产煤大国地位不相符。目前，我国煤机成套设备的生产能力、技术性能、研究应用规模与发达国家还有较大差距，主要表现在大型煤机设备的制造可靠性方面。 煤机设备零部件在制造过程中存在结构复杂、焊接工艺繁琐、多品种小批量等问题，通过传统手工或专用焊机进行焊接不仅达不到预期的效果，而且也未能明显提高周期效率。为此，广大煤机制造企业开始与机器人企业合作，进行煤机智能焊接技术与装备的研发与应用，期待进一步提高焊接效率与质量。
1、刮板输送机自动焊的技术要求
刮板输送机是煤矿机械中的重要设备。国内外刮板输送机正向大容量、长距离、大功率、高强度、长寿命、高可靠性方向发展。目前国外综采工作面最大的刮板输送机容量为6000t/h，装机功率为4×800kW，输送距离为450m(即刮板输送机长度)。我国自主研制的刮板输送机容量已达到3500t/h，输送距离为350m。刮板输送机的典型结构如图1所示。
图1 典型刮板输送机结构
中部槽是刮板输送机的本体和载料机构（见图2），也是日常使用中磨损最严重的部件，其材料性质和焊接质量直接影响刮板输送机的可靠性和使用寿命。通常每台刮板输送机有100多段中部槽，其重量占输送机总重量的70%以上。刮板输送机的故障也大多是由于中部槽过度磨损或断裂引起的，因此中部槽的使用寿命是衡量整机寿命的重要指标。另外，槽侧（铲板挡板）与中板以及槽侧与底板的焊接约占刮板输送机总焊接工作的80%。由于手工焊接劳动强度大、效率低，每个焊工每天通常只能焊接1.5个中部槽。 随着先进制造与自动化技术的蓬勃发展，采用机器人自动焊接成为提高焊接效率和质量的有效手段。近年来，国内企业在刮板输送机中部槽结构焊接中开始采用机器人焊接生产线或工作站，如中煤张家口煤矿机械有限公司、山东能源重型装备集团、宁夏天地奔牛实业集团有限公司等。采用机器人自动焊接不仅能有效改善焊接外观和质量，而且焊接效率也大大提高。例如，配备双丝双枪焊机的机器人焊接系统，其效率比手工半自动CO2单丝焊接提高6倍，焊缝外观和整体质量均得到改善[2]。
图2 中槽结构
总体来看，作为煤矿井下工作面担负运输煤炭重任的刮板输送机，其质量可靠性将严重影响煤矿企业的煤炭产量、生产效率以及井下矿工的生命安全。因此，如何进一步提高我国煤矿机械刮板输送机大型结构件中部槽整体焊接可靠性，已成为“十四五”期间我国煤矿装备制造企业的重点攻关方向。在我国大部分刮板输送机制造企业中，手工焊接仍是主流焊接操作方式。在手工焊接过程中钢结构自动焊接机器人，焊工经常受到心理、生理状态变化及周围环境的影响，在高负荷劳动强度和恶劣的工作条件下，操作人员容易疲劳，难以长时间保持焊接工作的稳定性和一致性，最终导致焊接质量不稳定。
2 关键技术研究现状
（1）中厚板焊接变形预测与控制技术 钢结构在焊接后会发生一定的形状变化，即焊接变形。变形的基本类型有横向收缩、纵向收缩、角变形、弯曲和波浪变形等。与汽车生产中的点焊和薄板电弧焊相比，煤矿机械的焊接过程主要是中厚板结构件的电弧焊，对焊接自动化设备的控制水平和各种校正、自适应功能要求较高，焊接自动化的难度也较大。因此，预测中厚板焊接变形是大型钢结构施工中发挥作用的关键[3]。常用的变形预防措施有：合理选择焊接方法和焊接参数、焊缝围绕结构中性轴均衡布置、合理选择焊接顺序、采用分段退焊和间断焊、预设反向变形、刚性固定等。对于已经发生的变形，常采用机械和火焰校正方法[4]。这些变形预防措施和校正过程主要依靠经验和有限的试验数据，不能适应复杂多变的结构形式和焊接方法。 此外，焊接变形的矫正极其费时费力，甚至可能导致产品报废。焊接数值模拟可以模拟复杂或不可观测的焊接现象，预测极端情况下的未知规律。因此，数值模拟作为一种强有力的定量研究方法，不仅可以帮助理解焊接现象的本质、预测残余应力与变形，还可以用于研究残余应力的控制与降低、优化焊缝质量[5]。
（2）焊缝定位、跟踪与纠偏技术 电弧传感器检测焊接件的位置偏差，系统处理控制信号后驱动执行器使焊枪返回焊接位置，从而保证焊接起点始终位于焊缝坡口的中心。焊缝跟踪的作用是在焊接过程中实时检测焊缝偏差，实时调整焊接路径和焊接参数，从而保证焊接质量。焊缝跟踪系统中的传感器决定了整个系统对于焊缝的跟踪精度，在焊接过程中，它们必须准确检测出焊缝坡口的位置和形状。跟踪传感器的类型有接触式传感器、光电传感器和电弧传感器。在弧焊机器人中经常使用电弧传感器和视觉传感器，其中电弧传感器使用最多，而视觉传感器被认为是最有前途的焊缝跟踪传感器[6-8]。
（3）机器人离线编程技术离线编程技术可应用于机器人选型与场地布置、焊接夹具选择与焊接点可达性验证、路径优化、干涉区设定、程序编写与节拍预测等方面。目前，国内外相关研究机构针对弧焊参数制定、机器人与变位机协调焊接等问题开展了弧焊离线编程与仿真技术研究，并开发了原型系统。随着CAD软件的发展，出现了集成功能强大的CAD软件的离线编程系统，真正实现了CAD/CAM一体化。商品化的离线编程系统在弧焊方面取得了长足的进步，实现了非接触焊接路径自动生成、焊缝自动编程等功能。
（4）车间智能物流技术车间内部物流系统管理是对物料（包括原材料、半成品、产成品、消耗品）的装卸、搬运、移动及信息相关活动的综合管理。加强车间内部物流系统的优化管理是降低成本、提高效率、提高质量的必要方法和手段，是提高企业综合竞争力的有效途径[9]。车间内部物流系统的优化需要解决现有布局规划、物流设备选型、物流信息处理、质量管理、搬运技术、在制品库存管理等一系列问题。
（5）车间智能调度与控制技术目前，车间动态调度主要有反馈调度、自适应调度、实时调度和在线调度等形式，要求对生产扰动事件做出及时、有效、合理的响应。反馈调度和实时调度体现了生产扰动事件驱动的调度思想，自适应调度强调在稳健调度方案的基础上最小化波动的影响。以上几种形式均属于在线调度。如何快速响应车间生产扰动是车间动态调度的核心内容。在线、实时、自适应是动态调度的具体要求[10]。
3 未来研究趋势
（1）3D视觉技术机器人3D焊接视觉系统由焊接专用相机、焊接视觉软件、控制器组成。视觉技术代表机器人的眼睛和大脑，视觉将使机器人智能化成为现实。可与各种主流焊接机器人配合使用，实现复杂焊缝特征提取、轨迹定位、工件找正定位等功能。
（2）焊丝传感技术奥地利Fronius公司开发的WireSense是一种可以提高机器人焊接效率的辅助系统。该系统以焊丝作为传感器，在每次焊接前检查工件的位置。通过检测板材边缘的实际高度和位置，不仅可以补偿误差，而且可以获得理想的焊接效果，基本上消除了返工和工件报废的现象。不需要额外的光学测量设备，可以节省大量的时间和成本。
（3）数字孪生技术 数字孪生是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，以模拟其在现实环境中的行为。它也被称为“数字镜像”、“数字孪生”或“数字映射”。通过构建集成制造过程的数字孪生生产系统，可以将机器人焊接从仿真系统设计、生产规划到制造执行的整个过程数字化，从而将产品创新水平、制造效率和效益提高到一个新的水平。
4。结论
近年来，在国家科技政策的持续支持下，制约机器人焊接推广应用的诸多关键技术如机器人、焊缝跟踪、智能物流运输、智能焊接工艺、MES系统、自动控制技术等均取得了重大突破。同时，3D视觉技术、焊丝传感器、Arc-eye传感器、数字孪生等新技术的开发研究也取得了突破。因此，作为重要输煤设备之一的刮板输送机结构件机器人焊接已具备在市场上大规模推广应用的条件。
参考：
