船舶管系焊接機器人應用

郭世祥

摘 要：介紹船舶管系焊接機器人系統(tǒng)及其應用，提高管系焊接效率和質(zhì)量，減輕工人勞動強度，在保證船舶管系加工進度的同時，達到節(jié)能減排目的。

關(guān)鍵詞：高效焊接；機器人；船舶管系；節(jié)能減排；

中圖分類號：U671.8 文獻標識碼：A

1 概述

在造船殼、舾、涂管理日趨完善的前提下，提高船舶管系加工生產(chǎn)效率，縮短管系的焊接周期和確保焊接質(zhì)量，是船舶企業(yè)急需解決的一個重要課題。

船舶管系被喻為船舶的“血管”，承擔著水、氣、動力燃料的供給，是確保船舶動力裝置、甲板設(shè)備、壓載系統(tǒng)、生活設(shè)施等設(shè)備正常運轉(zhuǎn)和安全航行的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。如果聯(lián)接高溫、高壓設(shè)備的管系，焊縫出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問題，將會造成船舶的災難性事故。

國內(nèi)船企在管系加工中，一般是以CO2氣體保護手工焊為主，其生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量均有待提高，而應用焊接機器人，可以起到縮短生產(chǎn)周期和提高焊接質(zhì)量的作用。

2 管系焊接機器人應用現(xiàn)狀

焊接技術(shù)是造船的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，各船舶企業(yè)都在推廣應用焊接新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，其中焊接機器人得到特別的青睞。船舶管系焊接機器人，是指在直管-法蘭（套管）生產(chǎn)中使用的焊接機器人。

應用船舶管系焊接機器人時，必須考慮以下幾方面因素：

（1）管子的管徑、壁厚、管長等規(guī)格繁多；

（2）管子表面公差：橢圓度、壁厚、長度；管子與法蘭裝配間隙和定位偏差；

（3）作為管系生產(chǎn)流水線的組成部分，必須要有接收上道工序數(shù)據(jù)的通信功能；

（4）設(shè)備的穩(wěn)定性、操作簡易性等。

3 管系焊接機器人系統(tǒng)的管徑范圍

船舶管系焊接機器人，可以用于不同管徑的直管-法蘭（套管）焊接。但受到夾緊系統(tǒng)的卡盤張合范圍的制約，最好分成小徑管、中徑管、大徑管等規(guī)格。其中，適用性最好的是中徑管焊接機器人。

文船的中徑管船舶管系焊接機器人，其焊接系統(tǒng)程序預設(shè)了5種管徑：Φ114、Φ140、Φ168、Φ219、Φ273 mm，管壁厚為：4.5～13 mm，共19種組合；管子長度在0.8～6 m的直管法蘭焊接和直管套管焊接。船企也可根據(jù)自己的管系生產(chǎn)實際情況，提出預設(shè)適合自己的具體規(guī)格組成需求。

4 管系焊接機器人系統(tǒng)的組成

焊接機器人系統(tǒng)采用兩端雙機器人結(jié)構(gòu)、自動上下料、自動定位和夾緊、管子兩端同步焊接的全自動化生產(chǎn)方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由焊接機器人系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制與通信系統(tǒng)、工件夾緊與定長系統(tǒng)構(gòu)成。

焊接機器人系統(tǒng)主要包括：機器人、焊接電源、輔助裝置等。

機器人的選擇著重考慮穩(wěn)定性、功能性、性價比等，還要考慮售后服務有保證、操作方便、中文示教界面等；

焊接電源是系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，由于采用管子兩端同步焊接，對電源的引弧成功率要求很高，要避免斷弧引起焊接質(zhì)量問題，并配置相應的機器人專用焊槍；

輔助裝置包括：焊槍自動清理、噴油、剪絲系統(tǒng)。

機器人焊接對被焊工件的尺寸和裝配精度要求較高：（1）被焊工件的尺寸和裝配偏差造成的定位偏差應≤0.5 mm；（2）管子與法蘭（套管）的裝配間隙：壁厚5～8 mm，裝配間隙≤1 mm；壁厚8～13 mm，裝配間隙≤1.5 mm；（3）長度偏差：下料長度偏差≈±1 mm，裝配長度偏差≈±1 mm；（4）自動上料位置偏差≈±5 mm。

因此，焊接機器人系統(tǒng)必須要有焊縫起弧點的自動尋找和焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)。可采用接觸式焊縫起始位置尋找傳感系統(tǒng)，通過焊絲與工件接觸方式讓機器人獲取焊縫偏差數(shù)據(jù)后，自行調(diào)整焊縫起弧點位置。焊縫跟蹤采用擺動式電弧跟蹤系統(tǒng)，通過采集焊縫電流電壓，機器人計算焊槍高度和對中的偏差，自行調(diào)整焊槍位置。

至于管子橢圓度、管徑偏差、管子與法蘭（套管）的裝配間隙和同心度等問題，只能通過加強上工序的質(zhì)量控制，或采用法蘭較裝機裝配管子，來滿足機器人對管子裝配精度的要求。

焊接機器人系統(tǒng)的工況是：多種管徑、不同壁厚、不同管長的混流生產(chǎn)方式，控制系統(tǒng)既要滿足焊接過程的管理、控制、監(jiān)視，又要滿足混流生產(chǎn)的協(xié)調(diào)、識別、通信等要求，對總控制系統(tǒng)的要求非常高，因此采用的是多級控制系統(tǒng)。第一級，用工控機作為主控計算機，接收上工序：管徑、壁厚、管長、法蘭（套管）規(guī)格、轉(zhuǎn)角等信息數(shù)據(jù)，經(jīng)計算處理后，產(chǎn)生相關(guān)控制信息，傳給下一級；第二級，由邏輯控制模塊接收上級傳入的控制信息，完成定位、上下料和焊接過程控制，將控制信息轉(zhuǎn)換成相應控制代碼，控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成小車定位和夾緊機構(gòu)，同時將控制代碼傳送給機器人控制系統(tǒng)；第三級，機器人控制系統(tǒng)，自動選擇相應的運行程序，通過傳感系統(tǒng)自行完成焊縫檢測和跟蹤，由邏輯控制模塊發(fā)出引弧指令，同時控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)管子，并控制焊接速度，協(xié)調(diào)控制完成焊接過程。

整個生產(chǎn)過程中，邏輯控制模塊負責故障監(jiān)控、保護、協(xié)調(diào)和管理工作。多級控制系統(tǒng)的優(yōu)點是充分發(fā)揮每級控制器的優(yōu)勢，保證總控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。多級控制系統(tǒng)，如圖1所示。

為克服管子的橢圓、撓曲、裝配間隙等問題，采用自動卡盤和伺服電氣傳動方式。針對管長范圍0.8～ 6 m特點，采用基于控制信息的小車伺服定長系統(tǒng)，自動適應不同管長。

船舶管系焊接機器人已經(jīng)在文船生產(chǎn)應用，見圖2根據(jù)焊接工藝的要求，對不同壁厚的管子，內(nèi)角焊采用1-2層焊接，外角焊采用1-3層焊接，并按不同的焊角要求，采用不同的焊接工藝參數(shù)。

管件焊接所需數(shù)據(jù)、指令，從操作臺上的彩色觸摸液晶屏上可直接輸入。

船舶管系焊接機器人加工效率：該系統(tǒng)配備2名管銅工和1名焊工，年產(chǎn)管子20000根。按每人每月生產(chǎn)100根管子計算，相當于16名管銅工、焊工的工作量，并節(jié)省了大量的打磨工時。

節(jié)能減排效果和經(jīng)濟效益分析：應用管系焊接機器人系統(tǒng)，管子焊縫成形好，不用打磨；減少了管子吊運次數(shù)，即節(jié)省了起重機吊運次數(shù)；同時節(jié)約了打磨機的能耗。

船舶管系焊接機器人系統(tǒng)，按年產(chǎn)管子20000根、人工成本7萬元/年計算，3個人做了16個人的活，可節(jié)省人工成本91萬元；同時節(jié)約起重機、打磨機的能耗，每年折算為3萬度電，可節(jié)省電費3萬元。

6 結(jié)語

船舶管系焊接機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了管子-法蘭（套管）自動化焊接生產(chǎn)，質(zhì)量保證，焊縫美觀，生產(chǎn)效率高，節(jié)約大量的焊接工時和打磨等后續(xù)處理工時，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。同時，減少了焊接中對焊工生產(chǎn)技能的依賴，只要有基本技能，憑借設(shè)備輔助，就能夠達到管系焊接的工藝、質(zhì)量要求。另外，船舶管系焊接機器人系統(tǒng)，能夠為船企的節(jié)能減排作出貢獻。

參考文獻

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