焊工师傅教机器人技能

2010年，美国焊接协会(AWS)报告称缺少20万名焊工。许多高级焊工正在退休或离开该行业从事其他追求，他们正在带着焊接专业知识。由于焊工越来越少，技能差距将继续扩大。随着缺口的扩大，美国焊接协会估计，到2026年，焊工缺口预计将达到372,000人。

目前尚不清楚这是否是真正的短缺。我们真的会怀念那些焊工吗，尤其是随着焊接越来越自动化?其他技术会取代焊接吗?这些问题的答案目前还不清楚。

很明显的是，他们将失去对这一过程的掌握。如果没有焊工师傅，下一代焊工将如何发展，机器人将如何改进?专家会告诉你，幸运的是，最好的焊工可以被教成最好的焊接机器人程序员。焊工所展示的精度、一致性和控制能力与焊接机器人所需要的品质是相同的。

Zane Michael, CWI/CWE，机器人制造商Yaskawa Motoman的热业务开发总监。Michael拥有近40年的焊接经验，是美国焊接协会认证焊接检查员(CWI)和认证焊接教育家(CWE)。1979年，迈克尔开始了他的职业生涯，任教于俄亥俄州特洛伊市的霍巴特焊接技术学院。

Michael经常前往建筑、农业和采矿设备行业的客户设施，他亲眼目睹了制造商每天面临的挑战。

“当我拜访客户时，我会问他们为什么对机器人感兴趣。你想解决什么问题?十次有九次他们告诉我，我找不到合格的焊工，或者我留不住焊工。”这是全国上下的情绪。这种困境的解决方案通常来自于自动化。

最好的焊工可以成为最好的机器人程序员

使用机器人灵活的焊接自动化就像克隆最好的焊工的焊接知识和专业知识。懂行的人会说，教别人给机器人编程比教别人焊接要容易得多。Michael说，要成为一名在多个工艺和多个岗位上获得认证的合格焊工，需要9个月的全职培训。他说，相比之下，教一个有经验的焊工如何给机器人编程要比教一个程序员焊接的细微差别容易得多。

“在不到两周的时间里，我可以让你编写一个机器人。但是当我给你一个焊接件，并让机器人像打印显示的那样进行焊接，如果你不理解焊接过程，如果你不能正确地手工完成，那么你就没有很好的机会成功地使用机器人。任何人的机器人都能把焊枪放在一个接头上，打开电弧，然后焊接。这很简单，”迈克尔说。“但了解所有关键的焊接变量以产生高质量的焊接却不是。程序员的负担就是要很好地理解焊接过程。”迈克尔目前在代顿大学教授焊接工艺课程。

“我告诉这些学生，焊接就像做苹果派。你有一个你必须遵循的食谱。你有这么多苹果，这么多糖，你在特定的温度下烘烤，你可以保证每次苹果派的味道都是一样的。焊接没有什么不同，除了有更多的变量，如旅行角度，安培和突出。所有这些关键变量必须排列起来，以产生预期的质量结果，这被称为焊接程序规范(WPS)。”

对于气体金属电弧焊(GMAW)，或通常称为MIG焊接，这五个关键变量是:

• 电极的大小
• 当前的
• 弧长或电压
• 旅行速度
• 焊条角度。

“当他们在焊接时，手工焊工会看到水坑，”迈克尔说。“例如，他们可以改变他们的突出，以增加或减少焊接电流，以帮助控制水坑，产生高质量的焊接。”

在MIG焊接过程中，突出是与工作距离相适应的尖端。

“这些都是机器人程序员必须知道的因素。我告诉我的客户，如果你派给我一个机械或电气工程师，并期望他们成为焊接机器人的程序员，而这个人从来没有焊接过，这将是一场灾难。”

学习焊接工艺

焊接，无论是手工还是自动化，都是特定于工艺的。了解这一过程对于克隆机器人至关重要。

“机器人——我不在乎它是谁的品牌——很容易编程。这是一个过程，”迈克尔说。“即使我们将非焊接工作自动化，比如操作员在带式砂床上打磨铸件或锻件，我们也会研究操作员的动作和角度，因为我们基本上必须用机器人复制这一过程。”

如何这个过程是至关重要的。只能从实际经验中获得的专业知识。

Genesis Systems Group有限责任公司虚拟解决方案工程师Brendan Brown表示:“每当我们开始一个新流程，或处理一个新部件时，很多时候我们都是从手动流程接手的。“他们都是我们最好的拥护者。这些人多年来一直在手工焊接这些零件。他们如何处理焊接的顺序，首先焊接什么，合适的角度，以及所有的推力和速度。这是我们一直想收集的信息。谁会比焊接它的人更了解这个部分呢?”

布朗是一名线下程序员，在Genesis公司拥有近20年的机器人焊接经验，他同意迈克尔关于看到整个过程的看法。

“我们在第一次使用机器人的用户中看到的一件事是，他们已经自动化了这个过程，但你必须看看你是如何制造零件的，你是如何把零件钉在一起的。我们经常有客户自己制作工具或外包夹具。他们不一定控制适当的基准或适当地固定部件。即使是最好的焊工也必须观察整个焊接过程。”

捷恩斯位于达文波特的总部设有一个培训实验室和两间私人教室，客户的程序员和机器操作员可以在那里获得实践经验和指导。布朗帮助教授基础和高级训练班。

“我们的大多数学生都有一定的焊接背景，无论是手动焊接他们准备自动化的部件，还是只是公司的焊接工程师，他们将监督机器，需要了解如何润色。当他们来上课时，我们说这是机器人，你的新工具，”布朗说。“我们不需要教授正确的推力和工作角度。”

最好的焊工了解这个过程的细微差别。

迈克尔说:“这就是为什么让有经验的焊工教他们使用机器人要容易得多，也更成功。”“当我的客户问，‘我们派谁去培训?’我说，我要你们最好的焊工。”

效率并不总是意味着更快

关于机器人焊接的一个常见误区是，人们认为你会焊接得更快。这不是真的。

“机器人会在一天结束的时候给你更多的零件，但它的物理焊接速度不会更快，”迈克尔说。“当一名手工焊工放下头盔，划起弧线时，假设焊接时他的前进速度是每分钟20英寸。机器人基本上会以相同的速度焊接。这就是秘方。就像妈妈的苹果派食谱一样。烤到450度30分钟。你不会在900华氏度的温度下烤15分钟苹果派。为了生产高质量的焊缝，一个重要的变量是移动速度。如果给一个部件注入太多热量，就会产生问题。”

焊接机器人不一定更快。他们更有效率。

“手动焊机的效率约为20%，”迈克尔说。“这意味着，在你支付给手动焊机的8小时中，电弧只开了大约20%的时间。焊工抬起他的头盔，重新放置他的椅子，或者清理焊缝。在我做下一个焊件之前，有很多时间让我感到舒服。”

然而，机器人的效率约为85%。

“机器人可以更快地从一个电弧到下一个焊缝，下一个焊缝。如果焊机需要15分钟来完成该部件，机器人将在大约不到4分钟的时间内完成。

“当我走过一个工厂，我看到三到四个焊工，我想那可能是一个机器人，”迈克尔说。“并不是说一个机器人会取代他们的工作，但我可以让这些焊工做机器人不能做的更关键的工作。”

自适应控制的好处

伊利诺伊州大型油脂收集系统和储油罐制造商Onken Inc.几十年来一直依靠一支经验丰富的焊工团队来制造其防漏罐。随着焊工短缺的加剧，他们更难找到优质的焊工。这就是机器人的用武之地。

Onken采用了双区工作单元、可伸缩机器人，并对焊工进行了一些培训，可以减少多达20个小时的生产时间，只需3名焊工而不是5名焊工即可完成相同数量的工作。这两名被解放的焊工可以在其他项目上工作，减少对合同焊工的需求，进一步节省成本。

为Onken的坦克生产创建的MIG焊接单元是一个定制设计的工作单元，有两个区域。这使得操作员可以在一个区域装载和卸载罐，而机器人则在另一个区域焊接罐。焊接机器人具有内置的自适应控制，因此它们能够根据需要调整移动速度、伸出距离以及火炬和移动角度。先进的焊缝检测和跟踪工具被用于精确定位和跟踪这些120- 500加仑储罐上的各种类型的焊缝。

“机器人是非常可重复的，”迈克尔说。“你编程一条从a点到B点的路径，机器人会一整天都沿着这条路径前进，根据机器人的规格，误差为±千分之五英寸。为了做出高质量的焊缝，焊缝的位置必须在焊缝直径的正负一半左右。”如果我使用0.045直径的MIG线，对于焊接接头的重复性要求来说，这稍微超过正负20千分之一英寸。”焊接通常会产生变形，这是机器人可以通过编程来克服的挑战。

“我们正在加热金属，所以它想向我们移动。在较大的焊件中(如Onken的坦克)，变形更为主要。如果焊接接头的重复性不能令人满意，我们必须为机器人使用传感器，这样它就可以在焊接过程中改变程序路径，以匹配该部件的焊接位置。”

触摸感应用于定位油箱顶部的一个大的圆形法兰和几个较小的螺纹联轴器。一旦每个组件被定位，编程路径将自动移动，以匹配该容器的焊接接头位置。过弧焊缝跟踪设计是为了使机器人在焊接过程中能够改变路径，使焊缝水坑保持在焊缝内。

当机器人焊接接头时，其中包括轮廓滚动角，激光传感器提供实时焊缝发现和跟踪，就在焊接炬之前。这使机器人能够改变其路径，以弥补任何变化的部分配合。准确定位和跟踪焊缝也消除了昂贵的复杂工具的需要。

“我们最近邀请了一位客户来参观我们的工厂，”运营经理J.R. Onken说。“他说他有10分钟的空余时间去参观。有一次他看到我们的机器人焊接室在工作，他研究了30分钟。他从小就是一名焊工，无法相信我们从自动化中获得的质量。焊接过程的自动化确保了我们的公司还能再生存二三十年，”Onken说。“这保障了我们的未来。”

利用知识

有人说，人工智能(AI)总有一天会让我们下载我们的经验，为后代数字化，并克隆我们的记忆。或者至少是我们无限的脑力，尽管我们的身体是有限的。但这还有很长的路要走。

目前，我们需要捕捉和传播这些知识，否则将永远失去它们。这不是理论或教科书上的智慧。这是几十年来积累的实际经验。难以用文字和图表说明的知识。它因工艺的不同而不同。

在人工智能达到顶峰之前，只有我们和机器人，主人和工具。不好好利用这个机会就太浪费了。

Tanya M. Anandan是特约编辑机器人工业协会(RIA)和机器人在线．RIA是一个非营利性的行业协会，致力于通过机器人技术和相关自动化来提高北美制造业和服务业的区域、国家和全球竞争力。本文最初发表于RIA网站．RIA是先进自动化协会(A3)是CFE Media的内容合作伙伴。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 公司正在转向让机器人向焊工师傅学习焊接，以弥补日益增长的技能差距。
• 机器人是在焊接方面比人类更有效率，可以提高公司的整体生产力。
• 机器人也可以学会在焊接过程中补偿潜在的问题，如变形和其他变化。

考虑一下这个

其他行业面对技能缺口短缺，机器人可以从学习高效所需的流程中受益吗?

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