方鋼支架自動焊裝備系統(tǒng)設(shè)計

王世培 馮英超 孫秋陽 劉金平 王象元 閆燦燦 賀金甲

摘? 要：為解決在建的“華龍一號”核電站電纜橋架安裝中存在大量方鋼與預(yù)埋板的焊接問題，研制了一種結(jié)構(gòu)巧妙，針對性強(qiáng)，制造成本低，適合作為專機(jī)使用的方鋼支架自動焊裝備。裝備采用運(yùn)動板卡控制，通過運(yùn)動學(xué)分析和插補(bǔ)運(yùn)算有效的保證了焊接機(jī)頭在圓形軌道上實現(xiàn)矩形軌跡運(yùn)動?？焖賷A持機(jī)構(gòu)與環(huán)形軌道的設(shè)計，顯著的減少裝備在現(xiàn)場裝配的時間，進(jìn)而縮短了建造的周期。

關(guān)鍵詞：自動焊? 方鋼支架? 裝備設(shè)計? 快速裝夾

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0038-03

Abstract： In order to solve the welding problem of a large number of square steel and embedded plates in the installation of the cable tray of the "Hualong No. 1" nuclear power plant under construction， the author has developed an automatic welding equipment for square steel support with ingenious structure， strong pertinence and low manufacturing cost. The equipment adopts motion board control， through kinematic analysis and interpolation calculation， it effectively ensures that the welding head realizes rectangular trajectory movement on the circular orbit. The design of the quick clamping mechanism and the circular track significantly reduces the time for equipment on-site assembly， thereby shortening the construction cycle.

Key Words： Automatic welding; Square steel support; Equipment design; Quick clamping

目前，在建的“華龍一號”核電站電纜橋架安裝存在大量的方鋼管與預(yù)埋板的焊接，焊縫主要為仰角和平角焊縫。據(jù)統(tǒng)計，每個在建的核電機(jī)組方鋼支架焊口數(shù)量約為2萬道。目前方鋼的焊接主要采用手工焊條電弧焊，因方鋼焊接位置多變和焊工施工難度大等原因容易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)未熔合、夾渣等缺陷。且由于狹小空間和仰焊位置的大量存在，導(dǎo)致焊工工作強(qiáng)度大，進(jìn)而使得焊工存在嚴(yán)重的抵觸心理。

同時，手工焊工是一種對職業(yè)技能要求較高，工作強(qiáng)度大，而且工作環(huán)境比較惡劣的職業(yè)，近年來，手工焊工人員的人數(shù)在逐年下降，人們對該行業(yè)的從業(yè)興趣也在逐年降低。在不久的將來，手工焊工數(shù)量的匱乏，將會是影響核電安裝進(jìn)度的直接原因。

為解決這些問題，針對方鋼支架鋼管板仰角、平角焊縫焊接工藝特點設(shè)計了一套自動化焊接裝備系統(tǒng)。該自動焊裝備系統(tǒng)采用MIG/MAG焊接方式，熔滴采用短路過渡，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，采用運(yùn)動板卡進(jìn)行控制，可完成方鋼支架仰角和平角位置的自動焊焊接。焊接速度快，效率高，焊接過程穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量好，極大的降低了施工人員的勞動強(qiáng)度，且有效的提高了焊接效率。

1? 方鋼支架自動焊裝備系統(tǒng)構(gòu)成

方鋼支架自動焊裝備系統(tǒng)硬件部分主要由焊接電源、送絲機(jī)、快速夾持機(jī)構(gòu)、環(huán)形軌道、焊接機(jī)頭、專用焊槍和控制箱組成。

該系統(tǒng)中，焊接電源、送絲機(jī)和控制柜安裝于地面，快速夾持機(jī)構(gòu)、環(huán)形軌道、焊接機(jī)頭和專用焊槍安裝固定在待焊的方鋼支架上（見圖1）。

1.1 焊接電源

焊接電源是焊接系統(tǒng)的最重要的組成部件，焊接電源為焊接過程提供能量。焊接電源性能的好壞將直接影響到方鋼支架焊接的質(zhì)量。本套自動焊設(shè)備采用數(shù)字化控制的逆變電源，電源具有以下優(yōu)點：（1）體積小重量輕，便于施工現(xiàn)場的移動;（2）系統(tǒng)內(nèi)置智能化參數(shù)組合，采用一元化調(diào)節(jié)模式，極大地簡化操作;（3）配備與之匹配的送絲系統(tǒng)和水冷系統(tǒng);（4）電源可提供設(shè)備集成所需要的通信接口和開放的通信協(xié)議。

1.2 快速夾持機(jī)構(gòu)

快速夾持機(jī)構(gòu)對稱的兩件L型結(jié)構(gòu)，可通過對接固定于方鋼之上?？焖賷A持機(jī)構(gòu)含有伸出的4個圓柱，用于固定環(huán)形軌道;快速夾持機(jī)構(gòu)符合夾持部分的受力要求，同時滿足裝卡時間短和穩(wěn)定可靠的特點。

1.3 環(huán)形軌道

環(huán)形軌道系統(tǒng)為鉸接在一起的對稱2件C型結(jié)構(gòu)組成，需滿足方鋼尺寸100～180mm的要求。環(huán)形軌道上需有快速夾持機(jī)構(gòu)相對應(yīng)的緊固裝置和與機(jī)器人本體相對應(yīng)的滾輪槽體。

1.4 焊接機(jī)頭

焊接機(jī)頭由便攜式、模塊化理念設(shè)計的3個直角坐標(biāo)軸機(jī)構(gòu)、1個旋轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)組成。焊接機(jī)頭具有體積小、重量輕的特點，在環(huán)形軌道上安裝后，能夠?qū)崿F(xiàn)360°環(huán)形運(yùn)動，在程序控制下實現(xiàn)圓形軌道運(yùn)動狀態(tài)時焊槍方形軌跡的進(jìn)給補(bǔ)償運(yùn)動、焊槍相對于焊縫的角度調(diào)整、擺弧運(yùn)動及（y、z方向的）補(bǔ)償運(yùn)動。焊接機(jī)頭采用新型的中轉(zhuǎn)矩交流伺服電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高輸出、響應(yīng)快、高可靠性等特點，從而使焊接機(jī)頭本體緊湊靈活，具有較大的運(yùn)動空間、更好的穩(wěn)定性和較高的重復(fù)定位精度。

1.5 專用焊槍

系統(tǒng)中焊槍為專用的熔化極氣體保護(hù)焊水冷焊槍，其可滿足在較小空間工況下的使用，焊槍最大彎曲角度可達(dá)45°，且焊槍可承載的最大焊接電流為500A。

1.6 控制箱

控制箱為自動焊裝備系統(tǒng)的控制核心，控制箱通過控制線纜與焊接電源、焊接機(jī)頭連接，實現(xiàn)了焊接過程的數(shù)據(jù)交互?？刂葡洳捎肈MC5000系列運(yùn)動控制卡作為核心，運(yùn)動控制卡配備了最大5千級指令緩存，實時處理能力強(qiáng)，可控制1-6軸伺服或步進(jìn)電機(jī)，支持2-6軸直線插補(bǔ)、任意2軸平面圓弧插補(bǔ)、任意3軸空間圓弧/螺旋插補(bǔ)，可完美實現(xiàn)焊接機(jī)頭在環(huán)形軌道上走方鋼軌跡的需求。同時，控制箱與焊接電源通過DeviceNet總線通信，實現(xiàn)焊接過程工藝參數(shù)的實時讀取和修改寫入?？刂葡渖吓溆锌刂泼姘?，控制面板主要包括蜂鳴器、顯示屏、急停按鍵、控制線纜接口、通信線纜接口以及電源線纜接口等。主要功能如下：

（1）控制各軸運(yùn)動及其運(yùn)動狀態(tài)顯示;

（2）設(shè)定焊接工藝參數(shù)（焊接電流、焊接速度等）;

（3）顯示機(jī)器人本體、焊接電源等設(shè)備狀態(tài);

（4）報警信息顯示及復(fù)位。

2? 方鋼支架自動焊裝備操作流程設(shè)計

（1）操作人員將待焊方鋼管板仰角和平角焊縫工件進(jìn)行表面清理;

（2）對工件進(jìn)行組對并點焊固定;

（3）將快速加持機(jī)構(gòu)安裝在方鋼之上（需提前使用標(biāo)尺確定固定位置）;

（4）將環(huán)形軌道安裝在快速加持機(jī)構(gòu)伸出的4個圓柱上;

（5）將焊接機(jī)頭安裝于環(huán)形軌道上;

（6）自動焊裝備焊接打底焊縫;

（7）自動焊裝備進(jìn)行焊道規(guī)劃，完成焊縫間隙的填充;

（8）采集與存儲焊接過程參數(shù);

（9）焊接完成，結(jié)束焊接。

3? 方鋼支架自動焊裝備性能特點

方鋼支架自動焊裝備在“華龍一號”核電站方鋼支架仰角和平角焊縫的現(xiàn)場焊接中具有以下特點：

（1）根據(jù)規(guī)劃好的焊接路徑完成焊接，過程中無需人工干預(yù)，自動化程度高;

（2）適用方鋼凈間距需大于500mm;

（3）整體機(jī)構(gòu)設(shè)計緊湊，重量輕，最多需要兩個人可完成設(shè)備的拆裝，對操作人員要求低;

（4）焊接設(shè)備現(xiàn)場裝卡時間小于5min;

（5）焊接速度不低于200mm/min，有效的保障了焊接效率;

（6）可實現(xiàn)機(jī)構(gòu)正、反裝，滿足平角和仰角焊接要求。

4? 模擬件焊接情況

該設(shè)備在實驗室內(nèi)針對壁厚為6mm的方鋼開展仰焊位置焊接實驗，共焊接兩層，分打底和蓋面，焊縫成形如圖2所示。通過模擬件驗證表明，自動焊設(shè)備焊接效率高，焊縫成型美觀且焊縫均勻一致，背面熔透，焊腳尺寸大于6mm，滿足現(xiàn)場驗收要求。

5? 結(jié)語

該方鋼支架自動焊裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)巧妙，針對性強(qiáng)，制造成本低，適合作為方鋼支架焊接專機(jī)使用。裝備采用運(yùn)動板卡控制，通過運(yùn)動學(xué)分析和插補(bǔ)運(yùn)算有效的保證了焊接機(jī)頭在圓形軌道上實現(xiàn)矩形的軌跡運(yùn)動?？焖賷A持機(jī)構(gòu)與環(huán)形軌道的設(shè)計，顯著的減少裝備在現(xiàn)場裝配的時間，進(jìn)而縮短了建造的周期。自動焊裝備在提高焊接效率、焊接質(zhì)量的同時，還能有效的減少焊工勞動強(qiáng)度。

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