回轉(zhuǎn)體內(nèi)部自動焊接裝置總體設(shè)計

陳江

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

航行體內(nèi)部特征（如環(huán)形筋、縱向筋、橫向筋等）是整個航行體的關(guān)鍵部分，其作用不可小覷，如圖1所示。該種零部件一般采用鑄造成型、機加工、焊接方式成型，但是對于尚處于樣機開發(fā)階段、殼體長徑比（L/D）較大的零部件，機加工及普通的焊接技術(shù)一般很難成型，若采用鑄造成型，其制造成本太高，效率低。結(jié)合上述情況，本文提出采用自動焊接技術(shù)可實現(xiàn)該類型的回轉(zhuǎn)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的成型，將會提高成型效率和降低生產(chǎn)成本和勞動強度。該種技術(shù)具體的優(yōu)點如下：1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量．保證其均一性；2）提高勞動生產(chǎn)率，可以24 h連續(xù)生產(chǎn)：3）改善工人勞動條件；4）降低對工人操作技術(shù)的要求；5）可在極限條件下完成人工難以進行的焊接作業(yè)；6）為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)；7）可降低樣機的研制成本；8）焊接過程中采用監(jiān)控設(shè)備，提高產(chǎn)品一次加工合格率。

圖1 回轉(zhuǎn)體類零部件結(jié)構(gòu)示意圖

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

適用于管道焊接的自動化方式可分為管內(nèi)焊接和管外焊接兩種，到目前為止，管內(nèi)焊接主要用于石油管道焊接施工過程中組對管口，完成根焊，美國CRC公司、英國Noreast在20世紀(jì)60年代就率先研制出較成熟的自動化產(chǎn)品，國內(nèi)中石油天然氣管道局特機所也研制出了PAW2000管道全位置自動焊機［1］，已經(jīng)能夠?qū)⒃摲N技術(shù)應(yīng)用于管道焊接，焊接管線長度達到上千米。但是上述技術(shù)僅適用于大口徑管道（900 mm以上），對于航行體內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外尚未出現(xiàn)較成熟的技術(shù)，針對這種情況，主要本文提出一種面向回轉(zhuǎn)體類零部件的智能自動焊接技術(shù)。

2 技術(shù)構(gòu)成及工作原理

智能自動焊接技術(shù)，涉及到的核心技術(shù)有自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、焊槍運動軌跡控制技術(shù)、焊接過程中的信息傳感技術(shù)、焊接過程的知識建模、焊接過程質(zhì)量控制以及自動化設(shè)備的集成和控制技術(shù)，圖2表示自動焊機智能化技術(shù)構(gòu)成。

自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)涉及到離線的焊接任務(wù)規(guī)劃，其中包含知識庫和焊接專家系統(tǒng)；施焊前的機器視覺技術(shù)對焊接宏觀環(huán)境的識別以避障，焊接初始位置的識別以用于導(dǎo)引機器人焊槍接近初始焊位；焊接過程中對焊縫的精確識別以控制機器人焊槍實時對中焊縫，即焊縫跟蹤；對焊接動態(tài)過程的智能傳感，如焊接熔池變化特征的實時計算與信息反饋；根據(jù)焊接質(zhì)量的要求、熔池的動態(tài)變化采用實時的智能控制策略，即調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)和機器人焊槍運動姿態(tài)，控制適當(dāng)?shù)娜凵?、熔寬、表面高度以實現(xiàn)焊接成形的高質(zhì)量。

如圖3所示，結(jié)合航行體殼體（工件）的結(jié)構(gòu)特點，該智能化自動焊接的結(jié)構(gòu)由控制系統(tǒng)、送絲裝置（送絲盤、送絲器等）、焊槍移動結(jié)構(gòu)（豎直、水平）、監(jiān)控系統(tǒng)、焊槍、弧長跟蹤系統(tǒng)、焊槍角度調(diào)整機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成。焊接時需要設(shè)置散熱機構(gòu)，更好地輔助自動焊接過程，將焊接過程中過多的熱量及時散出，另外設(shè)置中心托架便于工件支撐和定位。

圖2 自動焊機智能化技術(shù)構(gòu)成

圖3 智能化自動焊機結(jié)構(gòu)組成圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

1）初始位置識別及導(dǎo)引。焊槍能否準(zhǔn)確地進行焊位識別并導(dǎo)引，是自動焊接技術(shù)的關(guān)鍵問題，本文案采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對焊接過程中焊接位置信息進行采集處理，并向相應(yīng)的信息傳遞給中央控制器，中央控制器對該信息進行處理并做出決策，從而控制焊槍進行施焊。焊接機器人根據(jù)傳感信息自動完成尋找初始焊接位置，并自動導(dǎo)引焊槍端點移動到初始焊接位置，開始焊接工作，從而使焊接機器人具有更大的自主能力和智能化水平，如圖4所示。

圖4 焊機位置識別及導(dǎo)引結(jié)構(gòu)框圖

圖5 焊縫跟蹤實時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2）焊縫跟蹤實時控制系統(tǒng)。由于加工、裝配過程中存在的誤差以及焊接過程中熱變形等因素會影響焊接精度及質(zhì)量，因此要求自動焊機能夠?qū)崟r檢測并實時調(diào)整焊接路徑以及焊槍的姿態(tài)和與焊縫的位置，從而保證焊接質(zhì)量的可靠性和準(zhǔn)確性如圖5所示。

4 實現(xiàn)過程

實焊之前，將焊接工件放置于預(yù)先放好的中心托架上，固定好位置。將焊接的筋特征按照設(shè)計圖紙擺放于工件內(nèi)部指定位置并固定，之后啟動焊機進行相應(yīng)工藝參數(shù)的設(shè)定，規(guī)劃焊槍的實施路徑，利用仿真模擬軟件并進行事先模擬，檢查模擬過程是否可以達到預(yù)期效果。若決策可進行焊接，操控焊機進行焊接，焊接過程中需要根據(jù)工件特制相應(yīng)的焊接工裝，將需要的焊接特征依次放置于殼體內(nèi)部。

5結(jié)語

本文針對回轉(zhuǎn)體（航行體殼體）內(nèi)部的特征成型困難問題，進行實施方案的設(shè)計，并對關(guān)鍵技術(shù)進行了分析和系統(tǒng)設(shè)計，為同類型零部件加工提供參考。

［1］ 劉楊申.管道全位置自動內(nèi)焊機的總體方案及機械系統(tǒng)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2004.

［2］ 起重機設(shè)計手冊編寫組.起重機設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1980.

［3］ 徐灝.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［4］ 趙興仁.機械設(shè)備安裝工藝學(xué)［M］.重慶：科學(xué)技術(shù)文獻出版社重慶分社，1985.

［5］ 成大先.機械設(shè)計手冊-單行本-軸承［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.