管道插接專(zhuān)用焊接機(jī)器人系統(tǒng)

任福深，董 峰，侯永強(qiáng)，王 晶，任永良

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶，163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江大慶，163414） ①

·設(shè)計(jì)計(jì)算·

管道插接專(zhuān)用焊接機(jī)器人系統(tǒng)

任福深1，董 峰2，侯永強(qiáng)1，王 晶1，任永良1

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶，163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江大慶，163414）①

針對(duì)管道插接焊縫的特殊焊接工藝要求，研制了一款專(zhuān)用的開(kāi)放式焊接機(jī)器人系統(tǒng)。在對(duì)焊接任務(wù)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了管道插接專(zhuān)用的5軸焊接機(jī)器人，建立了焊縫位置模型、焊接速度模型。采用IPC＋PMAC控制模式，建立機(jī)器人的開(kāi)放式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中以在IPC機(jī)中開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行管理，以多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC作為焊接機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制核心，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制。焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，該焊接機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)管道插接焊縫的焊接工藝。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)；相貫線焊縫；專(zhuān)用；開(kāi)放式

在石油化工、鍋爐等行業(yè)中，管道插接是普遍采用的接管形式，也構(gòu)成油氣長(zhǎng)輸管道的重要組成部分［1］。由于焊縫特征是厚壁大管徑的相貫線焊縫，因此焊接周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。現(xiàn)有從國(guó)外引進(jìn)的焊接機(jī)器人，均采用了封閉式控制器結(jié)構(gòu)，開(kāi)放性差，很難針對(duì)管道插接焊縫的特殊焊接工藝進(jìn)行工藝設(shè)置。本文針對(duì)管道插接的特種焊接工藝，研制了一種開(kāi)放式管道插接焊接機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC（Programmable multi－axis controller）作為焊接機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制核心，采用IPC機(jī)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行管理。焊接過(guò)程中，焊接機(jī)器人以管道內(nèi)壁作為錨固對(duì)象，以管道軸線為旋轉(zhuǎn)中心，在不采用變位機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)了管道插接相貫線焊縫的焊接工藝。

1 焊接任務(wù)及運(yùn)動(dòng)分析

1.1 焊接任務(wù)分析

管道插接模型如圖1，R和r分別為主管和支管的半徑（通常R為主管的內(nèi)徑，r為支管的外徑）；θ為相貫角；σ為偏心距。

圖1 管道插接模型

焊縫是由2個(gè)不同半徑的管道插接而成的相貫線焊縫，焊接過(guò)程中要求焊槍具有很好的位置特性和姿態(tài)特性；此外，在實(shí)際工況中是多個(gè)支管與主管相交，因此焊縫周?chē)臻g受限，要求焊接機(jī)器人具有較小結(jié)構(gòu)尺寸以避免同其他焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)干涉；由于該種焊接工況不易采用變位機(jī)，因此要求機(jī)器人能夠相對(duì)管道移動(dòng)，即機(jī)器人具有便攜特性；在機(jī)器人與焊縫進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，要使機(jī)器人與焊縫位置是確定的，較為適宜的方式是利用支管內(nèi)壁對(duì)機(jī)器人進(jìn)行錨固。

1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

焊接過(guò)程中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可分為3類(lèi)。

1） 以支管軸線為轉(zhuǎn)動(dòng)中心的焊接機(jī)器人腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)闄C(jī)器人安裝在管道頂部并以支管內(nèi)壁為錨固的對(duì)象，因此腰部轉(zhuǎn)動(dòng)中心與管道同心，要求機(jī)器人具有一個(gè)腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自由度。

2） 焊接機(jī)器人焊槍相對(duì)焊縫位置的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合焊接機(jī)器人的腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此處需要機(jī)器人具有2個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

3） 焊槍姿態(tài)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)。焊槍姿態(tài)的調(diào)整通常需要3個(gè)自由度，由于焊絲是軸性回轉(zhuǎn)體，因此此處只需要焊接機(jī)器人具有2個(gè)自由度?？梢?jiàn)，該專(zhuān)用焊接機(jī)器人至少需要5個(gè)自由度才能完成管道插接相貫線焊縫的焊接任務(wù)，如表1。

表1 焊接機(jī)器人所需運(yùn)動(dòng)

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要由焊接機(jī)器人、焊接電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3大部分組成。焊接機(jī)器人是根據(jù)焊接任務(wù)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的；焊接電源系統(tǒng)包括焊接電源、送絲系統(tǒng)和送氣系統(tǒng)組成，焊接電源是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的DC400，利用改進(jìn)設(shè)計(jì)的接口裝置，使焊接電源成為了控制系統(tǒng)的一個(gè)受控對(duì)象［2］；控制系統(tǒng)主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC、多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC等硬件設(shè)備及在工業(yè)計(jì)算機(jī)中開(kāi)發(fā)的操作控制平臺(tái)軟件、PMAC中存儲(chǔ)的PLC程序和運(yùn)動(dòng)程序組成，機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)，焊接電源焊接參數(shù)的控制和焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制隸屬于2個(gè)獨(dú)立的控制器，焊接過(guò)程中按照一定的邏輯關(guān)系相互配合來(lái)完成焊接任務(wù)。本文設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)采用了IPC＋PMAC系統(tǒng)控制模式，硬件系統(tǒng)平臺(tái)是以工業(yè)控制機(jī)和PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，二者間以PCI總線方式的連接。IPC負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理及與外部其它輔助設(shè)備的連接與通訊。PMAC負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和焊接電源的控制，主要包括機(jī)器人焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接速度和焊接電源參數(shù)及焊接系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)量參數(shù)的監(jiān)控。從控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)可以看出，IPC在整個(gè)系統(tǒng)中只是起到了一個(gè)輔助管理的作用，根據(jù)工況需要，PMAC完全可以脫開(kāi)IPC而獨(dú)立完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和焊接過(guò)程控制，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)的互換性和可移植性，滿(mǎn)足開(kāi)放式控制系統(tǒng)在硬件方面所要求的互換性和可移植性的功能，使控制系統(tǒng)具有較好的開(kāi)放式性能。

2.2 專(zhuān)用焊接機(jī)器人

專(zhuān)用焊接機(jī)器人主要由5部分組成：錨固機(jī)構(gòu)、自定心手腕機(jī)構(gòu)、腰部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)和2自由度位移機(jī)構(gòu)，如圖3。各個(gè)機(jī)構(gòu)以機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)軸線為中心對(duì)稱(chēng)分布，降低了由于載荷不均衡而使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)的因素。將送絲機(jī)構(gòu)也安裝在機(jī)器人上，讓其隨腰部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以避免機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)帶來(lái)的纏繞問(wèn)題。在焊接過(guò)程中，通過(guò)機(jī)器人的錨固機(jī)構(gòu)將整個(gè)機(jī)器人固定在支管內(nèi)壁上，焊槍軌跡的控制通過(guò)兩自由度位移機(jī)構(gòu)和腰部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，焊槍姿態(tài)的調(diào)整通過(guò)自定心手腕機(jī)構(gòu)來(lái)控制［3］。

2.3 開(kāi)放式控制系統(tǒng)

2.3.1 硬件結(jié)構(gòu)

焊接機(jī)器人的控制主要由控制機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器、控制焊接參數(shù)的控制器和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元組成，共同完成機(jī)器人機(jī)構(gòu)按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下焊接任務(wù)。此外，在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，焊接電壓的控制是通過(guò)PAMC的軸通道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此焊接電源電壓成為了PMAC中的一個(gè)虛擬軸，而焊接電流是通過(guò)調(diào)整送絲速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是PMAC對(duì)送絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)焊接電流控制?？梢?jiàn)，在PMAC控制器中，實(shí)際上是對(duì)包括機(jī)器人5個(gè)自由度在內(nèi)的7個(gè)自由度進(jìn)行的控制，其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 焊接機(jī)器人

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3.2 伺服控制

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程的載荷是不斷變化的，慣性力、耦合反應(yīng)力和重力等載荷會(huì)對(duì)機(jī)器人的機(jī)械手的位置精度和速度精度都會(huì)產(chǎn)生影響。采用動(dòng)力學(xué)方法是較為理想的控制方法，然而會(huì)影響控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)中將機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的非線性耦合，按照機(jī)器人力矩、速度為內(nèi)環(huán)，位置為外環(huán)的3層閉環(huán)控制方法進(jìn)行控制，其原理如圖5。

系統(tǒng)中電流閉環(huán)依靠伺服放大器的內(nèi)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)；操作者可以根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)調(diào)整比例常數(shù)Kvp和積分常數(shù)Tvi來(lái)獲得滿(mǎn)意速度閉環(huán)特性；位置閉環(huán)控制則由PMAC來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作者可以手動(dòng)設(shè)置PMAC控制器的系統(tǒng)I變量，也可以通過(guò)PMAC提供的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的確定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置精度的調(diào)整。

圖5 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制原理

2.3.3 控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)體系影響著控制系統(tǒng)的開(kāi)放性能，各個(gè)功能模塊的獨(dú)立性越好，接口功能越完備，系統(tǒng)的開(kāi)放特性也就越明顯。按照開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了分層遞階結(jié)構(gòu)的焊接機(jī)器人的軟件體系，結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 焊接機(jī)器人軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)根據(jù)載體的不同，可以分為上位機(jī)軟件和PMAC內(nèi)置軟件2大塊。在Windows環(huán)境下，利用C＋＋Builder開(kāi)發(fā)平臺(tái)在上位機(jī)中開(kāi)發(fā)了焊接機(jī)器人管理平臺(tái)，軟件中的各個(gè)功能完全按照模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用PAMC應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具中提供的PComm32.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與PMAC底層庫(kù)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的傳輸。軟件平臺(tái)主要包括：系統(tǒng)設(shè)置模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、專(zhuān)家系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、在線指令模塊和通訊模塊7個(gè)功能模塊。這些模塊屬于數(shù)據(jù)管理類(lèi)程序和輔助類(lèi)程序，并不直接與外部設(shè)備通訊。在PMAC內(nèi)，PLC程序、運(yùn)動(dòng)程序都是基于PAMC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，是真正直接和外設(shè)進(jìn)行通訊和控制的程序。這些程序可以在上位機(jī)中開(kāi)發(fā)，然后通過(guò)接口程序下載到PMAC中，也可以通過(guò)PMAC工具窗口開(kāi)發(fā)，然后直接下載到PMAC中。

在實(shí)際作業(yè)中，可以采用2種控制方式。

1） 系統(tǒng)通過(guò)傳感器等外部設(shè)備，不斷獲取外部信息數(shù)據(jù)，然后通過(guò)上位機(jī)處理后，產(chǎn)生新的控制數(shù)據(jù)。新的控制數(shù)據(jù)通過(guò)通訊接口下載到PAMC卡中，由PMAC卡直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。這種情況多數(shù)是在外部環(huán)境和控制參數(shù)未定的情況下進(jìn)行的，根據(jù)不斷變化的外部環(huán)境來(lái)確定新的控制數(shù)據(jù)。

2） 上位機(jī)預(yù)先設(shè)定好參數(shù)和控制程序，然后將參數(shù)和程序下載到PAMC卡中，由根據(jù)不斷獲取外部信息數(shù)據(jù)和PMAC的內(nèi)部程序來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)控制。第2種控制方案可移植性好和具有較低的開(kāi)發(fā)成本，應(yīng)用較多，然而也要求PMAC內(nèi)部程序具有很好的可靠性和通用性。

2.3.4 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

焊接機(jī)器人以焊槍的位置、姿態(tài)和速度為最終控制目標(biāo)，而焊槍位置和姿態(tài)與焊縫的位置和姿態(tài)直接相關(guān)。針對(duì)管道插接焊縫的通用模型，焊槍的位置模型、焊槍的姿態(tài)模型和焊接速度模型的具體內(nèi)容及求法可以參考文獻(xiàn)［3－4］。

3 焊接試驗(yàn)

焊接機(jī)器人樣機(jī)如圖7。使用該機(jī)器人對(duì)主管直徑?300mm、厚度50mm、支管直徑?180mm、厚度20mm、相貫角為90°、偏心距為零、支管開(kāi)單邊型坡口的試件進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，焊接過(guò)程參數(shù)如表2，焊接效果如圖8。

圖7 焊接機(jī)器人樣機(jī)

表2 焊接參數(shù)

圖8 焊接機(jī)器人焊接的管道插接焊縫

焊接過(guò)程中，機(jī)器人能夠利用支管內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)牢固的錨固，焊接機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心線與支管的中心線實(shí)現(xiàn)了很好的同軸度要求，實(shí)現(xiàn)了焊槍位姿的獨(dú)立控制，焊接過(guò)程平穩(wěn)。在相貫線不同位置，焊槍能夠很好地實(shí)現(xiàn)位置精度和速度精度的實(shí)時(shí)控制。上位機(jī)控制軟件與PMAC的通訊良好，能夠完整地記錄焊接過(guò)程數(shù)據(jù)，很好地實(shí)現(xiàn)了管道插接焊接任務(wù)。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)管道插接而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用焊接機(jī)器人系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)管道插接相貫線的焊接任務(wù)。

2） 開(kāi)放式控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和開(kāi)放性，系統(tǒng)中的伺服系統(tǒng)3層閉環(huán)控制和焊接電源與焊接機(jī)器人一體化控制方式完全滿(mǎn)足焊接機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)要求。

［1］ 王 鵬，劉迎來(lái)，吉玲康，等.管道工程用厚壁大口徑X80熱擠壓三通性能試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（10）：63－66.

［2］ 任福深，陳樹(shù)君，管新勇，等.基于PMAC的開(kāi)放式弧焊機(jī)器人系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)［J］.電焊機(jī)，2008，38（12）：62－65.

［3］ 任福深，陳樹(shù)君，管新勇，等.管道插接相貫線專(zhuān)用焊接機(jī)器人［J］.焊接學(xué)報(bào)，2009，30（6）：59－62.

［4］ 任福深，陳樹(shù)君，殷樹(shù)言，等.焊接位姿參數(shù)討論及管道插接建模［J］.焊接學(xué)報(bào)，2008，29（11）：33－36.

Special－Purpose Welding Robot System of Intersecting Pipes

REN Fu－shen1，DONG Feng2，HOU Yong－qiang1，WANG Jing1，REN Yong－liang1
（1.Norcheast Petroleum University，Daqing163418，China；2.No.2 Production Plant，Daqing Oilfield Engineering Co.，Ltd.，Daqing163414，China）

A portable welding robot for the welding of intersected pipes was developed.Based on the analysis of the welding task and motion of welding robot，a five－degree portable welding robot has been designed，and the mathematical model for welding seam of intersecting pipes has also been established.An open architecture arc－welding robot control system was established with the mode of IPC＋PMAC.The software in IPC manages the welding technological parameters and the PMAC controls the robot motion.The welding result indicates that the welding robot system can achieve good welding technology for welding seam of Intersecting pipes

welding robot system；welding seam of intersection；special－purpose；open architecture

1001－3482（2012）01－0020－05

TE973.3

A

2011－07－18

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（11551013）

任福深（1976－），男，遼寧遼陽(yáng)人，副教授，在站博士后，主要從事石油礦場(chǎng)機(jī)械及其控制研究，E－mail：renfushen＠126.com。