機(jī)器人在螺旋埋弧焊管引熄弧板切割及試樣制取中的應(yīng)用

黃 海， 譚 赟， 王 剛， 茹 翔，張生武， 周 超， 王振華

（1. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞 721008；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008）

0 前 言

在螺旋埋弧焊管的“兩步法” 生產(chǎn)中， 引熄弧板的作用就是保證管端在焊接時(shí)電弧的連續(xù)性和穩(wěn)定性， 以確保管端焊接質(zhì)量。 在精焊前， 需要在鋼管的兩端進(jìn)行引熄弧板的焊接工作， 所以制備引熄弧板是一項(xiàng)必不可少的工序[1]。 目前，螺旋埋弧焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線， 引熄弧板的制取過程是使用燃?xì)飧罹咴诠芏紊锨懈钜粋€(gè)管環(huán)， 再由人工分段切割形成引熄弧板。 該工藝存在切割耗時(shí)長、 切割質(zhì)量不穩(wěn)定、 作業(yè)環(huán)境差、 工人勞動強(qiáng)度大等問題。

螺旋焊管生產(chǎn)中取樣分為焊縫取樣和母材取樣。 目前， 現(xiàn)場采用的制取方式是工人手持燃?xì)飧罹撸?按照粉筆繪制的取樣形狀進(jìn)行切割， 同樣存在勞動強(qiáng)度大、 切割質(zhì)量不穩(wěn)定、 安全風(fēng)險(xiǎn)較高等問題。 機(jī)器人自動切割能夠有效提高切割質(zhì)量， 降低人員勞動強(qiáng)度， 改善工作環(huán)境， 提高信息化水平[2-3]。

因此， 本研究對實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動制取引熄弧板以及螺旋焊管焊縫取樣進(jìn)行了研究與探討， 設(shè)計(jì)了基于機(jī)器人的自動切割系統(tǒng)， 以工業(yè)機(jī)器人替代人工制取的方式， 達(dá)到降低勞動強(qiáng)度、 提高生產(chǎn)效率的目的。

1 切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 引熄弧板和焊管試樣

引熄弧板的形狀為上凸的曲面， 長度一般為200 mm， 厚度與鋼管相同。 焊管取樣主要用于力學(xué)性能檢驗(yàn)， 包括拉伸試驗(yàn)、 夏比沖擊試驗(yàn)、金相組織分析等。 焊管試樣是在焊縫周邊取樣，形狀為不規(guī)則的上凸曲面條狀， 根據(jù)試驗(yàn)要求有不同的試樣規(guī)格[4-6]。

1.2 設(shè)計(jì)原理

1.2.1 引熄弧板制取

使用激光輪廓儀對放置到切割工位的鋼管進(jìn)行示教， 目的是建立工具坐標(biāo)系， 準(zhǔn)確找到機(jī)器人攜帶割具到達(dá)起始點(diǎn)。 工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)在管端中心位置， 也即圓心位置， 記為o。

引熄弧板的制取需要確定規(guī)格， 記周向長度為x、 軸向長度為y。 建立工具坐標(biāo)系后， 每一次切割都需要與縱向或軸向保持平行， 保證引熄弧板質(zhì)量。 引熄弧板邊緣有4 個(gè)點(diǎn)， 分別記為a、 b、 c 和d， 每一點(diǎn)的坐標(biāo)為 （xi， yi， zi） （i=a， b， c， d）。 如圖1 所示， 將點(diǎn)a 作為起切點(diǎn)，點(diǎn)d 作為切割的終點(diǎn)。 引熄弧板長度x 決定了圓心角θ， 二者的關(guān)系是

圖1 引熄弧板切割過程角度變化示意圖

式中： L——引熄弧板周向長度， 即弧長；

l——鋼管周長， l=2πr， r 為鋼管外徑。

根據(jù)圖1， 可以將點(diǎn)b 由點(diǎn)a 的坐標(biāo)表示出來。 由于第一次切割是沿著x 軸正方向， 所以點(diǎn)b （xb， yb， zb） 的坐標(biāo)為（xa+y， ya， za）。 圖1 顯示了從點(diǎn)b 到點(diǎn)c 切割過程的角度變化， 因此可以由點(diǎn)a 坐標(biāo)表示出點(diǎn)c。

經(jīng)計(jì)算， 點(diǎn)c 的坐標(biāo)為 （xa+y， ya-rsinθ，za-（r-rcosθ））。 同理得到點(diǎn)d 坐標(biāo)為 （xa， yarsinθ， za-（r-rcosθ））。 因此已知點(diǎn)a 的坐標(biāo)， 就能夠依次計(jì)算出點(diǎn)b、 c、 d 的坐標(biāo)， 從而得到引熄弧板在工具坐標(biāo)系下， 對應(yīng)在管環(huán)上各點(diǎn)的位置。 以此為依據(jù)， 可以編輯在程序中機(jī)器人執(zhí)行各點(diǎn)位的程序命令， 最終完成引熄弧板的制取。

1.2.2 焊管焊縫取樣切割

焊縫取樣是指在焊縫附近切割出大小不同共計(jì)5 類7 個(gè)樣品， 分別是2 個(gè)彎曲樣， 1 個(gè)拉伸樣， 2 個(gè)沖擊樣， 1 個(gè)金相樣和1 個(gè)化學(xué)分析樣。切割過程中， 需要保證焊縫位于試樣的中線上，那么實(shí)際的切割軌跡則平行或垂直于焊縫[7-10]。 因此， 焊縫取樣的軌跡規(guī)劃非常重要。

焊縫取樣切割軌跡如圖2 所示， 圖中紅色曲線表示焊縫， 藍(lán)色線條表示部分取樣切割軌跡，拐點(diǎn)以數(shù)字1 至8 表示， β 表示鋼管的成型角。切割前也需要使用激光輪廓儀示教初始點(diǎn)、 建立工具坐標(biāo)系。 每個(gè)試樣都有固定的規(guī)格， 將垂直于焊縫的軌跡長度記為Dz， 平行于焊縫的軌跡長度記為Dp。 焊縫取樣切割的步驟如下： ①人為示教機(jī)器人到鋼管最高點(diǎn)； ②在點(diǎn)1 預(yù)熱， 預(yù)熱完畢后程序開始從點(diǎn)1 到點(diǎn)2， 行走過程中，圓心角也發(fā)生了變化， 以o 點(diǎn)為圓心， 沿著鋼管表面逆時(shí)針（從x 軸正方向看去） 旋轉(zhuǎn)角度θ 到達(dá)點(diǎn)2； ③以同樣的方式到達(dá)點(diǎn)3 和點(diǎn)4， 并回到點(diǎn)1； ④切割下一個(gè)試樣， 重復(fù)步驟②后， 步驟③中只執(zhí)行點(diǎn)2 到點(diǎn)5 的過程后， 再次預(yù)熱；⑤點(diǎn)5 預(yù)熱完畢后， 程序以同樣的原理到達(dá)點(diǎn)6， 重復(fù)7 次。

圖2 焊縫取樣切割軌跡示意圖

其中， 由示教點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)1 的圓心角計(jì)算方法與制取引熄弧板一致。 點(diǎn)1 到點(diǎn)2 的路徑既有x軸方向的位移， 也有圓心角的變化， 那么在軌跡規(guī)劃過程中， 需要考慮到焊縫試樣邊緣由一點(diǎn)到下一點(diǎn)圓心角該如何計(jì)算。

將水平方向的螺距記為Lj， 與焊縫垂直方向上的螺距記為Lz。 在一個(gè)平面上， 成型角、 鋼管周長和水平螺距三者的關(guān)系可表示為

公式（4） 和公式（6） 分別可以計(jì)算出圓心角和前進(jìn)距離的變化。 由此可以通過程序編制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從點(diǎn)1 到點(diǎn)2 的路徑規(guī)劃。

點(diǎn)2 到點(diǎn)3 的路徑是垂直于焊縫的， 與點(diǎn)1到點(diǎn)2 最大的不同在于垂直方向上螺距Lz和弧長L23的計(jì)算。 垂直方向螺距的計(jì)算方式為

聯(lián)立公式（7） 和公式（8）， 并結(jié)合公式（5），可以得到點(diǎn)2 到點(diǎn)3 在x 軸方向的前進(jìn)距離為

其余點(diǎn)的路徑可按照公式 （4） 和公式 （9）計(jì)算出圓心角， 公式 （6） 和公式 （10） 計(jì)算出x 軸方向距離的變化。 經(jīng)過計(jì)算推導(dǎo)， 可以規(guī)劃出適當(dāng)?shù)那懈盥窂健?/p>

2 切割系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

除了工業(yè)機(jī)器人自身的系統(tǒng)， 整個(gè)切割系統(tǒng)最主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)是火焰割具與機(jī)器人第六軸的連接， 在第六軸添加法蘭盤方式作為割具與機(jī)器人相連的載體。 圖3 為連接裝置實(shí)物， 圓形部分為法蘭盤， 其設(shè)計(jì)尺寸與機(jī)器人第六軸尺寸一致， 保證二者可以完美契合； 下端焊接一個(gè)向外延伸的平臺， 平臺下方固定了一個(gè)可以承載割具的基座， 基座前方設(shè)置有固定割具的部件。該機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠解決火焰割具與機(jī)器人的關(guān)聯(lián)問題， 機(jī)器人和割具可以獨(dú)立工作、 互不影響，作為整體又能共同運(yùn)行， 達(dá)到了機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

圖3 切割系統(tǒng)機(jī)械連接裝置實(shí)物圖

2.2 硬件系統(tǒng)

引熄弧板自動制取硬件系統(tǒng)主要包括工業(yè)機(jī)器人、 GCE 火焰割具、 激光輪廓儀、 電氣與外圍控制設(shè)備和工控機(jī)。 其中工業(yè)機(jī)器人、 GCE 火焰割具、 激光輪廓儀構(gòu)成前端制取系統(tǒng)， 電氣和外圍控制設(shè)備與工控機(jī)構(gòu)成主系統(tǒng)的運(yùn)動控制系統(tǒng)。

在引熄弧板制取中， 需重復(fù)定位工業(yè)機(jī)器人完成制取工作， 目的是保證每一次制取的引熄弧板規(guī)格相同。 本試驗(yàn)采用安川工業(yè)機(jī)器人， 型號MOTOMAN-ES165N， 載重165 kg， 其基本性能參數(shù)能夠滿足現(xiàn)場取樣的條件。 這款工業(yè)機(jī)器人適用于機(jī)器人弧焊、 切割工作， 能夠在本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制下， 攜帶割具對不同規(guī)格和型號的鋼管進(jìn)行切割[11]。

GCE 火焰割具能夠均勻切割， 使每塊引熄弧板切邊光滑均勻。 該割具使用天然氣和丙烷， 使用氧氣作為助燃?xì)怏w， 切割氣體使用丙烷[12]。

激光輪廓儀通過掃描不同規(guī)格的鋼管外周輪廓來建立不同用戶坐標(biāo)系， 同時(shí)還能完成割具與鋼管表面距離的測量。 激光輪廓儀選用了德國米銥LT2900-50 型， 該設(shè)備已經(jīng)集成了數(shù)據(jù)變送與采集系統(tǒng)， 只需要通過網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)連接， 使用配套的軟件就可以直接讀取輪廓儀的實(shí)測數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)安裝了一套控制割具點(diǎn)火的開關(guān)， 用于點(diǎn)火的電氣控制。 工控機(jī)需要配套安裝相應(yīng)的軟件， 硬件配置上需要兩個(gè)可以同時(shí)工作的網(wǎng)口，一個(gè)網(wǎng)口用于與工業(yè)機(jī)器人連接， 一個(gè)網(wǎng)口用于與輪廓儀連接。

2.3 軟件系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件組成主要以Motocom32和LabVIEW 作為程序開發(fā)工具。 其中， Motocom32 是用于在上位機(jī)和安川工業(yè)機(jī)器人控制柜之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖_發(fā)包或者軟件組件[13]。 通過RS232 線纜或者以太網(wǎng)線將上位機(jī)與安川工業(yè)機(jī)器人連接起來， 可以實(shí)現(xiàn)二者機(jī)器人指令文件（JOB 文件） 的相互傳輸、 控制指令的傳送（機(jī)器人啟停等）、 I/O 信號讀寫、 離線編程等功能。 軟件部分流程圖如圖4 所示。

圖4 切割系統(tǒng)軟件部分流程圖

LabVIEW 是一種程序開發(fā)軟件， 在上位機(jī)中起核心控制作用。 LabVIEW 軟件采用的圖形化編輯式語言， 能夠很好地建立起機(jī)器人和用戶之間的聯(lián)系[14-15]。 在LabVIEW 中編寫好切割程序后，用戶可以在前面板輸入引熄弧板的尺寸， 進(jìn)而控制機(jī)器人按照該尺寸下的路徑完成切割。

Motocom32 機(jī)器人控制軟件 （動態(tài)鏈接庫）已集成到LabVIEW 當(dāng)中， 這樣在上位機(jī)Lab-VIEW 軟件中， 可以直接調(diào)用動態(tài)鏈接庫， 使得程序的開發(fā)更為便利。

3 應(yīng)用效果

以Φ914 mm 的焊管制取樣管為例， 將工業(yè)機(jī)器人和管環(huán)分別放置到相應(yīng)位置， 二者的相對位置如圖5 所示。

圖5 切割現(xiàn)場示意圖

3.1 引熄弧板切割

根據(jù)引熄弧板切割的實(shí)際需要， 以鋼管的最高點(diǎn)為基準(zhǔn)， 能夠?qū)崿F(xiàn)單方向多塊連續(xù)切割和兩個(gè)方向單塊連續(xù)切割。 具體切割步驟如下： 人為示教機(jī)器人到鋼管最高點(diǎn)， 控制機(jī)器人在管端向機(jī)器人y 方向（yoz 平面） 旋轉(zhuǎn)一定的角度， 即引熄弧板周向尺寸對應(yīng)的圓心角； 再沿鋼管軸向向x 方向前進(jìn)引熄弧板的軸向距離； 然后沿y 方向反向旋轉(zhuǎn)引熄弧板周向尺寸對應(yīng)的圓心角角度；最后， 沿鋼管軸向x 方向反向前進(jìn)引熄弧板軸向距離， 完成一塊引熄弧板的切割。 單個(gè)方向多塊連續(xù)切割是指在管環(huán)的x 軸方向上依次切割， 而兩個(gè)方向單塊連續(xù)切割則是指以工具坐標(biāo)系xoz平面（y=0） 為分界面， 在管環(huán)分界面的兩側(cè)沿y軸方向做連續(xù)切割， 形成一條“引熄弧板帶”。

圖6 為引熄弧板程序前面板界面， 包括鋼管螺距、 管長、 管徑等參數(shù)的輸入框； 后面板主要是程序的編寫， 以框圖和部件連線為主。

圖6 引熄弧板程序前面板界面

3.2 鋼管取樣切割

在上位機(jī)LabVIEW 軟件應(yīng)用程序中的前面板界面如圖7 所示， 其中包括的參數(shù)輸入內(nèi)容與引熄弧板的程序前面板界面相同， 不同之處在于鋼管取樣切割前面板多了焊縫試樣的幾何尺寸的輸入框以及輪廓儀波形掃描窗口； 后面板則是程序的編寫， 主要以框圖和部件連線為主。

圖7 鋼管焊縫取樣程序前面板界面

進(jìn)行鋼管焊縫試樣切割時(shí)要注意焊縫位置，這使得切割路徑在鋼管表面通過螺旋線形式表現(xiàn)出來。 將試樣按尺寸由大到小進(jìn)行排列， 得到切割順序依次為 “彎曲樣、 拉伸樣、 沖擊樣、 金相樣、 化學(xué)分析樣”。 根據(jù)本文1.2.2 中所敘述的切割步驟， 鋼管焊縫試樣實(shí)際的切割效果如圖8 所示。 從圖8 可以看出， 制取的每個(gè)試樣都能保證焊縫位于中間位置， 切割效果良好， 切邊整齊光滑。

圖8 鋼管焊縫取樣實(shí)際切割效果

4 結(jié)束語

機(jī)器人自動切割系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)完成引熄弧板、 焊縫試樣的自動制取和切割， 運(yùn)行穩(wěn)定。 在未來實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中， 需要對當(dāng)前生產(chǎn)線精整區(qū)工藝、 設(shè)備進(jìn)行改造， 增加布置輥道、 旋轉(zhuǎn)輥等設(shè)備， 輥道將鋼管輸送至切割工位， 通過旋轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)動配合， 機(jī)器人在該處連續(xù)完成切割制取引熄弧板、 焊縫試樣。 從而降低勞動強(qiáng)度、 提高生產(chǎn)效率、 提升生產(chǎn)線的智能化水平， 對螺旋埋弧焊管的高質(zhì)量生產(chǎn)具有重要意義。