輥孔自動堆焊技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

李建亮 李 萌 劉占平

（1.安鋼自動化軟件股份有限公司； 2.安陽鋼鐵建設(shè)有限責任公司）

0 引言

鋼鐵企業(yè)在鋼材煉軋生產(chǎn)線的連鑄機上會用到大量中間穿軸的的金屬輥，生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)時間長了之后，這些金屬輥因軸孔磨損需要更換下來。通過對磨損的輥孔堆焊修復(fù)層再車修后，這些更換下來的金屬輥就能夠被再次利用，可以節(jié)省大量設(shè)備成本。此前，多數(shù)企業(yè)對金屬輥輥孔的修復(fù)是靠焊工師傅手工堆焊完成的。手工堆焊采用二氧化碳氣體保護焊方式，焊機電流設(shè)定在三百多安的大電流檔，這樣近距離的堆焊會產(chǎn)生大量煙塵和弧光輻射，再加上長時間盯著弧光觀察，對操作人員的健康會造成極大危害。人工堆焊一根金屬輥用時1 h 左右，一天需要連續(xù)焊接幾個小時，高強度勞動產(chǎn)生的疲勞會導(dǎo)致堆焊質(zhì)量的不穩(wěn)定。大電流也使焊槍手把的損壞量較大。針對這種情況，筆者考慮通過技術(shù)革新，采用自動化設(shè)備代替人工方式來完成。

1 設(shè)計思路

現(xiàn)有一臺日本OTC 品牌的標準工業(yè)六軸機器人可以利舊，本方案是在這臺機器人的基礎(chǔ)上進行配置設(shè)計的。機器人需要加裝自動焊機并采用定制焊槍，才能實現(xiàn)對小孔徑金屬輥輥孔的自動堆焊。

要實現(xiàn)對金屬輥圓形孔壁的堆焊，一種思路是金屬輥固定不動，機器人焊槍旋轉(zhuǎn)移動；另一種思路是讓金屬輥轉(zhuǎn)動起來，配合機器人完成一圈一圈的堆焊。本方案采用金屬輥轉(zhuǎn)動的設(shè)計。

為了讓機器人、焊機、樣件轉(zhuǎn)動機構(gòu)以及自動清槍站等部件能夠形成一個自動化整體設(shè)備，還需要配置一個PLC 控制系統(tǒng)，才能實現(xiàn)聯(lián)動控制。

2 解決方案

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成：（1）工業(yè)六軸機器人；（2）自動焊機焊槍；（3）金屬輥轉(zhuǎn)動臺；（4）自動清槍站；（5）PLC 控制柜；（6）操作箱；（7）輔助設(shè)備如氣泵、氣瓶、除煙機和配電箱等。

2.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

使用中所涉及的金屬輥樣件品種，按照輥徑、長短和孔徑等尺寸參數(shù)分為3 類，共13 個規(guī)格，部分金屬輥的規(guī)格見表1。

表1 部分金屬輥的規(guī)格

13 個規(guī)格的金屬輥材質(zhì)接近，形狀相似，用途相仿，因此可以設(shè)計為共用一種焊材、共用轉(zhuǎn)動滾輪架的方式。本方案采用Er50-6 材質(zhì)、線徑1.2 的盤式焊絲，配合自動送絲機和可控滾輪架實現(xiàn)自動堆焊。

方案設(shè)計為對金屬輥兩端的輥孔堆焊由機器人自動連續(xù)完成，且能夠選擇保留鍵槽。

2.2.1 滾輪架和鍵槽檢測器

在實現(xiàn)金屬輥轉(zhuǎn)動的方式上，可以選用焊接輔助變位機，但這種設(shè)備成本較高，且對兩端輥孔的堆焊不能夠一次完成；另一種設(shè)備是滾輪架，但對于金屬輥樣件，市面上成品滾輪架缺乏精確定位機構(gòu)，且存在轉(zhuǎn)動時會沿軸向躥移的問題。

本方案對滾輪架進行了重新設(shè)計改造：一是加裝了一套能夠使金屬輥一端精確定位的機械機構(gòu)；二是在滾輪架的底座位置添加部件，使金屬輥自動靠頂在定位機構(gòu)上。這樣就使金屬輥轉(zhuǎn)動時不再出現(xiàn)軸向移動，滿足了使焊槍自動化軌跡能夠重現(xiàn)的要求。

對于需要保留的孔內(nèi)鍵槽，特別設(shè)計制作了一套鍵槽檢測器。檢測器的信號送入機器人和PLC，使系統(tǒng)在鍵槽位置停焊，過了鍵槽再繼續(xù)堆焊，從而實現(xiàn)保留鍵槽的目的。

2.2.2 PLC 控制系統(tǒng)和HMI

系統(tǒng)控制器選用西門子PLC。PLC 與OTC 機器人之間涉及編碼、啟停、運行、報警等通訊信號；PLC 與觸摸操作屏HMI 之間涉及功能切換、運行參數(shù)、編碼選擇、系統(tǒng)設(shè)定等信息交換；PLC 與滾輪架之間通過RS485 接口進行電機調(diào)速變頻器的控制。

HMI 設(shè)備選用一塊10 英寸工業(yè)控制觸摸屏，結(jié)合啟停、功能切換、急停、選碼等按鈕和狀態(tài)指示燈，嵌入單獨設(shè)立的一個站立式操作箱。在日常工作中操作人員通過簡單幾步按鈕操作，即可實現(xiàn)所有支持規(guī)格金屬輥樣件的自動堆焊工作，同規(guī)格的甚至能做到“一鍵操作”。

2.2.3 焊機、焊槍與清槍站

由于與機器人同品牌的專用焊機價格較高，出于成本考慮，本方案選用一臺普通焊機。焊機與機器人的匹配通過信號改造來實現(xiàn)。

針對金屬輥有較小孔徑規(guī)格，焊槍需要深入孔內(nèi)長時間堆焊的特點，本方案選用了特別定制的短槍頭水冷焊槍。

在連續(xù)堆焊過程中，飛濺的焊渣會堵住焊槍保護嘴，必須及時清理。本方案選用清槍、剪絲、噴油集多功能于一體的清槍站，程序控制機器人在堆焊過程中自動清槍，做到全自動流程不間斷。

2.2.4 信號連接

機器人與PLC、焊機、HMI、清槍站等設(shè)備之間的信號控制，需要一一對應(yīng)匹配。

（1）機器人與PLC。機器人與PLC 之間需要交換的信號包括系統(tǒng)急停、啟動、準備、運行、報警、規(guī)格編碼、響應(yīng)反饋等。因方案使用的這臺OTC機器人型號不具備常規(guī)的設(shè)備間通訊方式，只能采用數(shù)據(jù)輸入輸出端口、逐個信號分立收發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)交換，接線如圖1 所示。

圖1 OTC 機器人與PLC 之間的接線

（2）機器人與HMI。機器人與交互操作箱之間主要涉及系統(tǒng)急停、焊點坐標微調(diào)以及狀態(tài)顯示等信號。

（3）機器人與清槍站。清槍站外接口的連接線中有9 根有效線，分別是鉸刀轉(zhuǎn)動、夾緊、噴油、剪絲、動作到位以及公共COM。

2.2.5 機器人編程

對這臺OTC 機器人采用示教器編程，焊槍軌跡采用手動示教和坐標偏移相結(jié)合的方法。

機器人自動堆焊主程序的流程如圖2 所示。程序會先接收從主控PLC 發(fā)送過來的規(guī)格編碼，判斷編碼有效后，調(diào)取相應(yīng)的坐標點和軌跡參數(shù)，引導(dǎo)焊槍自動完成金屬輥樣件A、B 兩端輥孔的堆焊。在需要保留鍵槽的一端，會依據(jù)所選開關(guān)信號和鍵槽檢測器信號，使焊槍停焊跳過鍵槽一段。在自動堆焊過程中，機器人還能夠自行完成對焊槍保護嘴上飛渣的清理、焊絲剪切、槍頭噴防飛濺油三個動作。整個堆焊流程完成后，機器人回到原點開始位置，等待下一個樣件。

圖2 機器人程序流程

2.2.6 機器人急停返回處理

在系統(tǒng)異常情況被處理后，機器人需要返回到一個正常準備狀態(tài)。這一功能機器人本身是沒有的，需要編程開發(fā)者自行設(shè)計。本方案設(shè)計了一個獨立的急停返回程序，操作人員通過操作箱上的功能切換和啟動按鈕激活程序，就能使機器人自動返回。

3 應(yīng)用效果

本套輥孔自動堆焊機器人調(diào)試完成后即投入生產(chǎn)使用。操作人員只需要上電、吊裝放樣、插入鍵槽檢測器、按鈕轉(zhuǎn)動滾輪使輥樣定位、選規(guī)格編碼、啟動、等待完成、吊裝下樣等幾個動作即可完成一根金屬輥的堆焊工作。在機器人自動堆焊過程中，操作人員可以躲在保護板后面的防護區(qū)，避免了煙塵吸入和弧光輻射帶來的健康危害。操作時，吊裝金屬輥采用工具協(xié)助，勞動強度也大為降低。

在工作效率上，輥孔自動堆焊機器人至少比人工堆焊提高了1.6 ～2.1 倍。之前手工堆焊每根樣件的完成時長在40 min ～1 h，而采用輥孔自動堆焊機器人，每根樣件用時在20 min 左右，同輥徑規(guī)格的樣件用時基本一致。具體用時比較見表2。

表2 手工堆焊和機器人堆焊用時對比

堆焊機器人在生產(chǎn)投用的幾個月時間里，工作狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定。軌跡動作高度的復(fù)現(xiàn)性使機器人對金屬輥樣件堆焊出的焊層厚度一致、質(zhì)量統(tǒng)一，全部達到使用標準要求。

4 結(jié)論

使用工業(yè)機器人，通過焊機、滾輪架、清槍站等設(shè)備配合，通過PLC 進行系統(tǒng)整體聯(lián)動控制，實現(xiàn)了對連鑄輥輥孔的自動堆焊功能。這證明通過自動化設(shè)備代替工人對連鑄輥進行修復(fù)堆焊完全可行，而且機器人堆焊質(zhì)量好、效率高，能夠為使用單位創(chuàng)造更多的效益，具有在同行業(yè)或其他類似應(yīng)用場景進行推廣的價值。