雙槍焊接機器人技術(shù)研究與應(yīng)用*

陳曉明 孟凡全 盛林峰 黃繼強

1.上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；2.北京石油化工學院 北京 102617

1 工程概況

昆山市中環(huán)高架跨線橋橋面標準寬為22 m，跨徑44 m+70 m+36 m，橋箱梁采用單箱三室斜腹板截面，頂板寬22 m，底板寬14 m，箱梁懸臂長2.5 m。鋼箱梁頂板厚16 mm，中支點15 m范圍內(nèi)頂板加厚為20 mm。橋箱梁本體總質(zhì)量約3 500 t（圖1）。

圖1 鋼箱梁斷面

B線橋、C線橋橋跨長度為36 m+70 m+44 m，均分為26 聯(lián)，每聯(lián)箱梁頂推到位后進行焊接連接，頂板單條對接焊縫長近21 m，共50 條（圖2），累計焊縫長度超過1 000 m。由于跨線鋼橋承受動載荷，焊縫質(zhì)量要求等級為一級，需進行100%無損探傷。由于人工焊接該條長焊縫時，每米要移動一次工位，就會產(chǎn)生一個焊接接頭，長21 m的焊縫將有20 處接頭，由于接頭處是焊接缺陷易發(fā)部位，會導(dǎo)致返修焊時對母材金屬力學性能造成不利影響。為保證工程質(zhì)量，實現(xiàn)焊接過程不間斷，減少接頭數(shù)量，避免焊工主觀因素和現(xiàn)場客觀條件影響焊接質(zhì)量，采用雙槍焊接機器人技術(shù)，優(yōu)質(zhì)地完成了跨線橋橋面對接焊接。

圖2 橋面焊縫布置

2 雙槍全位置焊接機器人組成

上海機施集團與北京石油化工學院合作開發(fā)全位置雙槍自動焊接機器人，通過平行于焊縫的前后2 把焊槍同時焊接，并配合可鋪設(shè)于待焊軌跡的軌道，實現(xiàn)復(fù)雜軌跡全位置高效自動焊接。全位置焊接機器人采用模塊化開發(fā)路線，新型智能化焊接機器人整套裝備主要包括控制箱、觸摸屏、手控盒焊接小車和導(dǎo)軌（圖3）[1]。

2.1 控制箱

控制箱是自動堆焊機器人控制系統(tǒng)的核心部件，裝有包括電源接口、手控接口、聯(lián)機接口、驅(qū)動接口、信號接口在內(nèi)的多個接口，分別連接手控盒、焊接電源和焊接小車，通過接收手控盒和觸摸屏的指令，控制焊接小車的動作和焊接電源的啟停，從而實現(xiàn)不同的焊接模式、運動控制方式以及不同參數(shù)控制方式下的智能化焊接[2]。

2.2 觸摸屏

觸摸屏位于控制箱頂部的黑色小箱中，通過它可以選擇焊接模式、根據(jù)工件狀況設(shè)定焊接層數(shù)和道數(shù)，并可在參數(shù)表中輸入車速、電流、電壓等焊接參數(shù)，實現(xiàn)對厚板坡口的多層多道自動焊接，并可在焊接中實時監(jiān)控電流、電壓等焊接參數(shù)，在必要時還可以通過它來進行焊接機器人的啟停操作。

圖3 焊接機器人系統(tǒng)組成

2.3 手控盒

手控盒是堆焊機器人重要的控制部件，通過手控盒可以實現(xiàn)對焊接機器人各種焊接操作的控制。調(diào)整焊槍位置、選擇擺動方式、調(diào)整焊車行走速度、行走方向，調(diào)整焊槍擺速、擺幅及左右滯時等焊槍運動和擺動參數(shù)； 執(zhí)行“軌跡存儲”，對焊縫軌跡進行記憶存儲；執(zhí)行“坡口規(guī)劃”，對坡口形狀進行記憶存儲；與觸摸屏配合，進行選擇不同的焊接方式；控制焊接電源的啟停，調(diào)整焊接電流和電壓。

3 雙槍全位置焊接機器人特點

新型雙槍焊接機器人是一種具有參數(shù)記憶、坡口規(guī)劃、軌跡存儲等功能的智能化焊接專用設(shè)備，主要用于厚板的橫焊、立焊及堆焊，雙槍同時焊接可以大幅提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。在現(xiàn)場焊接時，將焊接機器人安裝在磁吸式軌道上，在行走機構(gòu)的帶動下，沿軌道行走。當2 把焊槍處于同一狀態(tài)時，可成倍提高焊接效率。當進行打底焊或其他僅需要單只焊槍工作的場合，可控制單只焊槍進行焊接[3]。它的主要特點包括：

1）可根據(jù)需要建立橫焊、堆焊、立焊3 種參數(shù)表，并分別存儲多種焊接參數(shù)，適應(yīng)不同場合的焊接需要；

2）特有的“坡口規(guī)劃”功能，可將坡口內(nèi)每個焊道的位置信息進行存儲，從而實現(xiàn)厚板坡口的自動焊接；

3）具有“軌跡存儲”功能，可記憶焊縫位置偏差及焊槍高度偏差，因而在焊接過程中自動調(diào)節(jié)焊槍以適應(yīng)焊縫的變化；

4）特有的“坡口偏差自動校正”功能。對于兩端寬度不同的坡口，只需輸入坡口起點寬度、終點寬度以及焊縫長度等數(shù)據(jù)，機器人可自動完成該坡口的焊接；

5）提供焊接電源控制接口，可協(xié)調(diào)控制2 組焊接電源的焊接電流、電壓，實現(xiàn)焊接過程的聯(lián)動控制，提高焊接質(zhì)量和效率；

6）手控盒與觸摸屏控制相結(jié)合，實現(xiàn)焊車運動與焊接參數(shù)的智能化控制。

4 雙槍焊接機器人現(xiàn)場焊接工藝參數(shù)設(shè)置

4.1 現(xiàn)場焊接工藝參數(shù)優(yōu)化、存儲

在全位置焊接施工中，由于焊接位置不同，焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊槍擺動速度、焊槍傾斜角度等都有較大變化，需要根據(jù)不同焊接位置調(diào)節(jié)各種焊接參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。采用人工手動調(diào)節(jié)各種焊接參數(shù)的方式難以適應(yīng)全位置全自動焊，將成熟的焊接工藝參數(shù)存儲于系統(tǒng)中，并在焊接過程中進行實時調(diào)用，能有效解決這一難題。

在采用焊接參數(shù)程序控制之前，必須通過焊接工藝試驗，獲得滿足焊接工藝要求的各焊接工藝參數(shù)，并通過控制箱上的液晶觸摸屏將這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中。在焊接過程中，系統(tǒng)將能夠自動判斷焊接機器人所處的焊接位置，并調(diào)用與該位置相對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，通過控制系統(tǒng)輸出，去控制焊接機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作，以滿足焊接過程中對多種參數(shù)實時調(diào)節(jié)的需要。

我們采用雙槍全位置焊接機器人系統(tǒng)進行了大量焊接工藝試驗，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。經(jīng)超聲檢測和力學性能測試，該焊縫外觀和內(nèi)部質(zhì)量均達一級焊縫標準，力學性能優(yōu)于規(guī)范標準要求。

4.2 現(xiàn)場焊接軌跡規(guī)劃

昆山市中環(huán)跨線橋現(xiàn)場焊接施工，焊縫數(shù)量多，橋面板對接焊縫皆為長21 m的直焊縫，在雙槍焊接機器人中運用在線焊縫軌跡示教功能，使焊接機器人能夠快速適應(yīng)此類焊縫的施工。

首先通過手控盒上的控制按鈕來啟動在線焊縫軌跡示教操作。該操作將焊接機器人定位于焊縫起始點，并記憶焊接機器人所在位置信息。記憶完第一點后將焊接機器人移動至下一記憶點，再次記憶該點所在的位置信息，直至記憶到焊縫終點的位置信息為止。在記憶完焊縫位置信息后將焊接機器人定位于焊縫起始點，同時系統(tǒng)將所記憶的相鄰焊縫點位置信息進行分段線性化，從而擬合出焊接機器人焊縫跟蹤運動軌跡。在焊縫軌跡示教成功后退出在線焊縫軌跡示教模式，該焊接機器人便可按示教的運動軌跡來進行焊接操作。該示教控制可實現(xiàn)多點的分段線性化，而適應(yīng)復(fù)雜多變的不規(guī)則焊縫的機器人自動焊接。

5 現(xiàn)場焊接機器人工程應(yīng)用

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人可沿著固定軌道往復(fù)運行，軌跡重復(fù)性高，易于實現(xiàn)跟蹤控制，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效率較高，適用于預(yù)制及現(xiàn)場全位置焊接。可解決建筑工程中厚壁、長焊縫、多種焊接位置的鋼結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場自動化焊接問題[4]。

雙槍焊接機器人成功應(yīng)用于昆山市中環(huán)跨線橋現(xiàn)場焊接施工中，在相同位置和條件下，與手工焊接方法相比較，具有明顯的優(yōu)勢：

1）采用長10 m焊接軌道，使整條焊縫的焊接接頭大幅減少90%；

2）焊接質(zhì)量優(yōu)異，表面成形美觀，焊縫與母材過渡平滑，無損檢測合格率達100%；

3）焊接效率高，在焊接的同時，焊工可以完成焊縫的焊渣清理等工作，焊接過程可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。與氣保焊、手工焊接相比，焊接效率提高100%以上；

4）工人勞動強度低，焊接機器人操作焊工只需調(diào)整好焊接參數(shù)，完成焊縫的示教工作，焊接機器人可以自動進行焊縫的往復(fù)焊接。

實踐表明，該全位置焊接機器人系統(tǒng)操作方便，可控性好，焊接工作過程穩(wěn)定，焊縫成形好，焊接質(zhì)量高，能滿足鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場自動焊接施工作業(yè)的需要（圖4）。

圖4 焊縫外觀效果

6 結(jié)語

全位置雙槍焊接機器人具有在線焊縫軌跡示教、全位置焊接參數(shù)示教、離線焊接參數(shù)設(shè)置等智能控制手段，可適應(yīng)不規(guī)則焊縫的軌跡跟蹤、實現(xiàn)多層多道焊及全位置焊的自動化焊接，并可靈活方便地完成多臺焊接電源的焊接參數(shù)設(shè)置，將焊接機器人應(yīng)用于工程焊接中，不僅可以實現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動化，大幅度提高焊接質(zhì)量和效率，降低勞動強度，提高鋼結(jié)構(gòu)工程的品質(zhì)和可靠性。而且在各類鋼結(jié)構(gòu)工程焊接施工中加以推廣應(yīng)用，可以極大提高企業(yè)自動化裝備技術(shù)水平，增加企業(yè)的競爭能力。