盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)及工藝設(shè)計(jì)與開發(fā)

胡繩蓀，申俊琦，王志江，楊輝，吳定勇

1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300054

2.天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 天津 300354

3.中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司 江蘇蘇州 215557

1 序言

盾構(gòu)機(jī)號(hào)稱“工程機(jī)械之王”，是集機(jī)、電、光、液、通信和控制等技術(shù)于一身的先進(jìn)智能化大型工程裝備[1]。使用盾構(gòu)機(jī)修建隧道，具有高度自動(dòng)化、施工污染小、人力資源占用少、施工效率高及受氣候影響小等許多優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道和市政隧道等各類工程建設(shè)中[3]。

盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機(jī)及管片拼裝機(jī)等多個(gè)部件組成。其中，盾體是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)圓柱體組件，由前、中、尾三部分組成；作為盾構(gòu)機(jī)的核心部件，其主要作用是支撐新挖的尚未襯砌的隧洞段[4]。

由于盾構(gòu)機(jī)零部件均具有較大的板厚，因此通常需要使用多層多道焊接進(jìn)行制造。而目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)部件的焊接生產(chǎn)多采用手工藥芯焊絲氣體保護(hù)半自動(dòng)焊接，生產(chǎn)效率低，是盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)的瓶頸之一[5]。因此，如何實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)零部件焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化，成為盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)制造中亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

焊接自動(dòng)化是將自動(dòng)化與智能化控制系統(tǒng)、焊接胎夾具與裝夾定位、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三部分有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)、低成本的焊接生產(chǎn)[6]。從形式上，焊接自動(dòng)化主要分為焊接專機(jī)及焊接機(jī)器人[7]。由于盾構(gòu)機(jī)零部件種類繁多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，例如，盾體中的盾就由刀箱、二聯(lián)刀箱、三聯(lián)刀箱、吊耳、撐靴、車輪架、止轉(zhuǎn)裝置安裝座、鉸鏈液壓缸及鉸鏈液壓缸支撐底座等多個(gè)零部件焊接而成，因此使用柔性化焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)零部件的焊接自動(dòng)化生產(chǎn)成為首選。

焊接機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人在各行業(yè)的應(yīng)用最為典型的代表之一，在各國投入使用的工業(yè)機(jī)器人中所占比例高達(dá)40%～60%[8]。使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接生產(chǎn)，不僅能夠提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，同時(shí)還可以在很大程度上改善焊工的工作環(huán)境，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，并可以適當(dāng)降低對(duì)焊工的焊接操作技術(shù)要求。

為了適應(yīng)不同的隧道地質(zhì)條件，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)均采用針對(duì)性設(shè)計(jì)，從而使得盾構(gòu)機(jī)零部件不僅形狀、尺寸、質(zhì)量差異較大，而且結(jié)構(gòu)形式也有較大不同。為了完成多樣化的生產(chǎn)任務(wù)，如何將盾構(gòu)機(jī)零部件合理歸類并建立與之對(duì)應(yīng)的焊接機(jī)器人工作站，以盡可能地提高焊接工作站的柔性水平成為盾構(gòu)機(jī)機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。同時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件通常由厚板構(gòu)成，因此制定合理的焊接工藝是需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

2 盾構(gòu)機(jī)零部件焊接機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)

由于盾構(gòu)機(jī)中的零部件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故很難使用單一的機(jī)器人焊接工作站來滿足所有零部件的焊接需求。因此，可以將盾體內(nèi)零部件按照尺寸、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等特征進(jìn)行分類，在相應(yīng)的零部件焊接工作站進(jìn)行焊接生產(chǎn)。此時(shí)，各個(gè)零部件焊接工作站完成盾體零部件的預(yù)制工作，可減小盾體拼焊與組裝工作站的編程量，同時(shí)解決原位拼裝時(shí)難以避免的可達(dá)性問題；而盾體拼焊與組裝工作站主要進(jìn)行盾體中環(huán)體的橫縫和縱縫的焊接，并組裝焊接預(yù)制的零部件。兩類機(jī)器人焊接工作站具有不同的功能，發(fā)揮不同作用，可以使盾構(gòu)機(jī)零部件的機(jī)器人焊接更加方便可行，從而提高焊接生產(chǎn)效率[9]。

因此，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)中不同零部件的焊接自動(dòng)化生產(chǎn)需求，在機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)中需使用變位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)零部件的機(jī)器人焊接以及機(jī)器人的大范圍移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)盾體拼焊與組裝的機(jī)器人焊接。

2.1 零部件機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)盾構(gòu)機(jī)零部件的分析，初步設(shè)計(jì)了相應(yīng)的零部件機(jī)器人焊接工作站。該類機(jī)器人焊接工作站主要由變位機(jī)、立柱支架、焊接機(jī)器人、焊機(jī)及控制柜等組成。

（1）機(jī)器人選用 選用KUKA公司生產(chǎn)的最大負(fù)載為5kg的KR 5 arc型6軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人，機(jī)器人倒掛在立柱支架的橫梁上，從而節(jié)省占地面積并方便地面物件的流動(dòng)。

（2）變位機(jī)選用 選用雙軸變位機(jī)，位于機(jī)器人的前下方。變位機(jī)翻轉(zhuǎn)軸固定在底座的側(cè)立柱上，此軸用于實(shí)現(xiàn)變位機(jī)轉(zhuǎn)支架的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸固定在變位機(jī)轉(zhuǎn)支架上，此軸用于實(shí)現(xiàn)變位機(jī)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。變位機(jī)可以通過兩變位軸的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)待焊工件至合適的焊接位置進(jìn)行焊接，這樣增加了機(jī)器人工作空間與工件位置的協(xié)調(diào)配合性，從而可以減小焊接工藝難度，提高焊接質(zhì)量。

（3）承載能力設(shè)計(jì) 通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)小型零部件的分析與歸類，分別設(shè)計(jì)了承載能力為1t的機(jī)器人焊接工作站以及承載能力為2t的機(jī)器人焊接工作站。對(duì)于承載能力為2t的機(jī)器人焊接工作站，增加了機(jī)器人沿立柱上下移動(dòng)的自由度，從而可更好地滿足此工作站內(nèi)零部件的焊接自動(dòng)化生產(chǎn)需求。兩種承載能力的小型零部件機(jī)器人焊接工作站的設(shè)計(jì)模型如圖1、圖2所示。

圖1 承載能力為1t的小型零部件機(jī)器人焊接工作站模型

圖2 承載能力為2t的小型零部件機(jī)器人焊接工作站模型

（4）機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬 在完成零部件機(jī)器人焊接工作站的初步設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行了機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬，從而解決機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。工作站設(shè)備相對(duì)位置模擬，可解決工作站布局安裝問題；焊接可達(dá)性模擬，可解決焊縫焊接位置、焊槍可達(dá)性等問題。特別是當(dāng)機(jī)器人焊接工作站結(jié)構(gòu)及布局確定之后，針對(duì)不同零部件的焊接可達(dá)性進(jìn)行模擬，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際機(jī)器人焊接生產(chǎn)，提出可提高機(jī)器人焊接可達(dá)性方法具有重要的意義。實(shí)際承載能力分別為1t、2t的零部件機(jī)器人焊接工作站如圖3所示。

圖3 零部件機(jī)器人焊接工作站

2.2 盾體機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)

因?yàn)槎荏w質(zhì)量大、體積大，不易采用變位機(jī)構(gòu)使其運(yùn)動(dòng)，故以盾體固定、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)了C形構(gòu)架移動(dòng)式盾體機(jī)器人焊接工作站。該機(jī)器人工作站由兩套機(jī)器人系統(tǒng)組成，每套機(jī)器人系統(tǒng)由C形機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人、弧焊機(jī)以及地軌等組成。機(jī)器人具有9個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)盾體（圓筒形）直縫、環(huán)縫的自動(dòng)焊接。兩套機(jī)器人可以進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成盾體的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。如前所述，利用初步設(shè)計(jì)的C形構(gòu)架移動(dòng)式機(jī)器人焊接工作站模型，進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬、設(shè)備相對(duì)位置模擬、焊接可達(dá)性模擬等，最終確定了該機(jī)器人焊接工作站的實(shí)際尺寸與布局，如圖4所示。

圖4 C形構(gòu)架移動(dòng)式盾體機(jī)器人焊接工作站

整個(gè)盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)由兩套承載能力為1t的小型零部件機(jī)器人焊接工作站、3套承載能力為2t的小型零部件機(jī)器人焊接工作站和1套C形構(gòu)架移動(dòng)式盾體機(jī)器人（兩套機(jī)器人焊接系統(tǒng)）焊接工作站組成，如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)

3 焊接工藝開發(fā)

采用機(jī)器人對(duì)盾構(gòu)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，通常由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)空間狹窄導(dǎo)致焊槍無法到達(dá)坡口的根部，尤其是根焊。例如，盾構(gòu)機(jī)中的車輪架和止轉(zhuǎn)裝置安裝座結(jié)構(gòu)中采用大量單V形45°坡口，其坡口尺寸通常超過20mm。通過對(duì)尺寸為22mm的坡口進(jìn)行實(shí)際的焊槍可達(dá)性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)焊絲的干伸長達(dá)到了22mm。焊槍干伸長的增加必然使焊接電流出現(xiàn)下降，從而影響到焊縫質(zhì)量。

因此，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件的焊接尤其是根焊，采用能夠根據(jù)干伸長變化實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)變化的焊機(jī)顯得尤為重要。通過結(jié)合機(jī)器人自動(dòng)化焊接，一方面省去了極大的人力消耗，另一方面可以針對(duì)干伸長變化及時(shí)修整焊接參數(shù)，可有效解決焊接過程中的熔深變化問題。

針對(duì)上述盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件機(jī)器人厚板焊接存在的問題，進(jìn)行了基于脈沖多重控制（Pulse Multi Control，PMC）電弧工藝及其恒熔深控制的機(jī)器人自動(dòng)焊接工藝開發(fā)，并就實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行焊接試驗(yàn)。所設(shè)計(jì)開發(fā)的盾構(gòu)機(jī)零部件的焊接均采用福尼斯TPS 500i焊接電源、規(guī)格為φ1.0mm的ER50-6焊絲以及混合保護(hù)氣（80%Ar+20%CO2，氣體流速為20L/min）進(jìn)行實(shí)芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝研究。

基于前期厚板焊接工藝探索試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于零部件中平焊與橫焊位置的焊接，分別采用了PMC焊接工藝中的通用特性（Universal）、脈沖控制噴射（Pulse Controlled Spray，PCS）以及電弧推力（Dynamic）三種工藝進(jìn)行了對(duì)比探究；而對(duì)于零部件中的立焊位置焊接，則分別采用了PMC焊接工藝中的通用特性（Universal）與混合特性（Mix）兩種工藝進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件的機(jī)器人焊接生產(chǎn)，采用Dynamic（打底）+Universal（填充、蓋面）工藝進(jìn)行多層多道平焊；采用Dynamic（打底）+PCS（填充、蓋面）工藝進(jìn)行多層多道橫焊；采用Mix工藝進(jìn)行多層多道立焊，焊后零部件的焊縫成形良好，無未熔合及咬邊等焊接缺陷，可以滿足實(shí)際焊接需求[10]。利用所制定的機(jī)器人工藝獲得的盾構(gòu)機(jī)典型零部件焊接樣件如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)機(jī)典型零部件焊接樣件

在進(jìn)行盾體縱縫和環(huán)縫拼裝和組裝焊接過程中，由于板厚較大，坡口較寬，因此在上述焊接工藝的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)器人的擺動(dòng)，從而增加焊縫寬度。針對(duì)平焊、立焊和橫焊位置進(jìn)行的厚板長直焊縫機(jī)器人焊接樣件如圖7所示?；趦?yōu)化后的機(jī)器人焊接工藝方案，利用盾體機(jī)器人焊接工作站實(shí)現(xiàn)了盾體結(jié)構(gòu)焊接拼裝及預(yù)制零部件焊接組裝等的機(jī)器人焊接生產(chǎn)（見圖8）。

圖7 厚板長直焊縫焊接樣件

圖8 盾體焊接總貌

4 結(jié)束語

1）針對(duì)盾構(gòu)機(jī)零部件種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及非標(biāo)性等特點(diǎn)，通過總結(jié)分類，設(shè)計(jì)開發(fā)了盾構(gòu)機(jī)小型零部件機(jī)器人焊接工作站以及盾體機(jī)器人焊接工作站，從而構(gòu)成了盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)。

2）開發(fā)了滿足不同焊接位置的機(jī)器人焊接工藝方案，這為盾構(gòu)機(jī)零部件的焊接自動(dòng)化及智能化焊接生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。