免示教六軸焊接機器人在輸電線路鐵塔塔腳焊接中的應(yīng)用

陳浩， 毛敏， 楊豐全， 包林波, 尚旭冉， 馮明

(1.江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213000；2.上海新時達機器人有限公司，上海 201800)

0 前言

電力建設(shè)是國家經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)，而作為電力建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的輸電線路鐵塔，其加工優(yōu)質(zhì)、高效與否對電力建設(shè)的影響舉足輕重[1]。隨著中電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴展和輸送的及的不斷增加，鐵塔塔腳加工批量增長與工期的縮短是的企業(yè)原有焊工隊伍已不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求，疊加今年焊工資源日趨緊張，對塔腳焊接向自動、智能化的焊接機器人發(fā)展提出了緊迫要求[2-7]。近年來，文中公司及國內(nèi)先進鐵塔制造企業(yè)嘗試使用編程示教焊接機器人及拖曳示教塔腳焊接專機，一定程度上提高了塔腳加工、焊接質(zhì)量和自動化程度。但面對非標(biāo)準(zhǔn)化的塔腳結(jié)構(gòu)，示教編程時間長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；拖曳示教塔腳焊接專機一次拖曳示教一條焊縫，而塔腳共有12條焊縫，亦影響生產(chǎn)效率。

經(jīng)過文中兩家公司合作研發(fā)應(yīng)用，新一代免示教六軸塔腳焊接機器人，針對塔腳工件內(nèi)置三維建模、配合激光視覺達到了免示教自動識別焊縫尋位焊接的功能。

文中針對輸電線路塔腳進行了免示教六軸塔腳焊接機器人全自動GMAW焊接試驗。開展了焊后變形、焊縫外觀、焊縫尺寸檢驗，并對免示教六軸塔腳焊接機器人生產(chǎn)效率與手工焊進行了對比分析。

1 免示教六軸焊接機器人簡介

目前焊接機器人在焊接前必須進行機器人示教作業(yè)，即由操作者引導(dǎo)焊接機器人一步一步按實際任務(wù)操作一遍，焊接機器人在引導(dǎo)過程中自動記憶示教的每個動作位置、姿態(tài)、運動參數(shù)和工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行程序，在完成示教后，啟動焊接程序，焊接機器人將精準(zhǔn)地按示教動作一步一步完成全部操作。

免示教六軸焊接機器人專為塔腳焊接應(yīng)用場景開發(fā)，免去了繁瑣的示教過程，可以大幅提升了非標(biāo)準(zhǔn)塔腳工件的生產(chǎn)效率。由六軸焊機機器人、視覺激光器、一套帶夾具的兩軸變位機、焊接系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、觸摸顯示屏等主要部件組成。

將拼裝好的工件放至變位機夾具平臺，通過觸摸顯示屏，輸入塔腳規(guī)格尺寸生成預(yù)覽模型如圖1所示；

圖1 機器人參數(shù)輸入示意圖

輸入焊接工藝參數(shù)，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、擺動幅值(擺幅)、收弧停留時長等。最后，激光傳感器識別焊縫起始位置及終點位置，機器人根據(jù)輸入的參數(shù)自動進行多層多道焊接，并實時顯示和記錄實際焊接參數(shù)如圖2所示。整個參數(shù)輸入時間約3～5 min，即可開始焊接。

圖2 機器人實時信息顯示界面

2 應(yīng)用試驗

塔腳試件主要由底板、主靴板、副靴板拼裝點焊而成，如圖3所示。塔腳工件，母材為Q355B，焊接填充材料為φ1.2 mm的ER50-6型實心焊絲?；瘜W(xué)成分見表1，焊接保護氣體為80%Ar+20%CO2。

圖3 塔腳工件示意圖

表1 塔腳母材與焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

通過機器人觸摸屏輸入焊接工藝參數(shù)如圖2所示。建立塔腳焊接信息數(shù)據(jù)庫，后續(xù)相近規(guī)格塔腳可以直接調(diào)用或參數(shù)微調(diào)。機器人對于參數(shù)配方能夠保存并通過USB存儲介質(zhì)導(dǎo)出EXCEL表格為以后工藝參數(shù)做參考，同樣也能夠預(yù)先在EXCEL中編輯好的參數(shù)表直接導(dǎo)入焊接機器人系統(tǒng)中，焊接工藝參數(shù)輸入示意見表2。

為控制焊接變形，以免影響后期輸電鐵塔安裝，塔腳焊縫焊接順序如圖4所示，按照1至12的順序，先焊接安裝角鋼主材處的平焊縫(序號1)以減少焊縫變形對安裝的影響。針對不同塔型的塔腳，諸如單拼、雙拼平焊縫數(shù)量位置的不同，可對焊接順序進行調(diào)整。

表2 焊接工藝參數(shù)輸入

圖4 塔腳焊接示意圖

3 試驗工件檢驗

3.1 焊接變形檢驗

塔腳焊接后會產(chǎn)生變形，影響安裝質(zhì)量。在焊接前，通過在平焊縫位置點焊短頭角鋼來減少焊接變形，同時平焊縫所在象限為后期角鋼主材安裝位置，可最大程度的減少焊接變形對后期安裝的影響。

以2種規(guī)格塔腳工件開展焊接變形試驗，工件1底板規(guī)格640 mm×640 mm，底板厚50 mm，靴板厚度16 mm；工件2底板規(guī)格600 mm×600 mm，底板厚50 mm，靴板厚度24 mm，各4只塔腳焊接后變形見表3。由表4可見，免示教六軸焊接機器人焊接工件，安裝角鋼主材的平焊縫位置的焊接變形量控制在0.4°以內(nèi)，滿足特高壓及一般輸電線路工程鐵塔加工技術(shù)要求。此外，六軸機器人與人工相比，可消除人為變量，使整體焊接變形更穩(wěn)定。

表3 機器人焊接變形試驗塔腳工件規(guī)格

表4 2組塔腳工件機器人焊接變形量 (°)

3.2 焊縫外觀質(zhì)量

對比機器人焊接(圖5a)和手工焊接(圖5b)焊縫外觀質(zhì)量。可以明顯看出，機器人焊接比手工焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定，焊縫外觀呈現(xiàn)均勻的魚鱗紋、成形好，焊縫與基體金屬間圓滑過渡，焊縫筆直。而手工焊接焊縫整體直線度相對較差，存在少量咬邊的情況。

圖5 焊接機器人和手工焊縫外觀

3.3 焊縫尺寸檢驗

根據(jù)GB/T 2694—2018《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中表8(角焊縫外形尺寸允許偏差)的要求并結(jié)合一般輸電線路工程鐵塔加工技術(shù)規(guī)范，要求焊腳尺寸hf≥靴板厚度。通過設(shè)置合適的焊接工藝參數(shù)，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、擺幅、停留時間。檢測多組規(guī)格塔腳焊縫尺寸見表5，焊縫尺寸允許偏差均能滿足要求。

表5 機器人焊接多種規(guī)格塔腳的焊腳尺寸

4 免示教六軸焊接機器人意義及生產(chǎn)效率

4.1 意義

示教控制是機器人在焊接結(jié)構(gòu)偏差極小的批量工件時的一種常用形式。但是對構(gòu)件形體差異大、批量較小，采用示教跟蹤的方式會占用操作者大量的使用時間，造成機器人工作效率達不到預(yù)期要求或者頻繁示教容易出現(xiàn)精度下降[8]，這點在鐵塔塔腳焊接尤為明顯。

免示教的意義及特點就在于克服了塔腳工件品種多、批量小、工藝復(fù)雜等制約自動焊接設(shè)備應(yīng)用的難題，在面對多塔型、多規(guī)格塔角時，免去示教的人工操作，大幅提升了生產(chǎn)效率。

4.2 生產(chǎn)效率

對比1臺免示教六軸焊接機器人與1個焊工手工焊接不同規(guī)格塔腳的生產(chǎn)效率，見表6和圖6。5號塔腳520 mm×520 mm×540 mm,6號塔腳640 mm×640 mm×680 mm,7號塔腳652 mm×652 mm×680 mm,8號塔腳1 040 mm×1 040 mm×1 250 mm。從表6和圖6可以看出，塔腳規(guī)格較小時，由于機器人上下料、裝夾占用部分時間，導(dǎo)致機器人焊接時間與手工焊接相當(dāng)。但隨著塔腳規(guī)格增大、靴板增厚，機器人相比手工焊接效率提升快速增加。

表6 機器人及手工焊接多種規(guī)格焊腳的焊接工時統(tǒng)計

圖6 焊接工效對比圖

免示教六軸焊接機器人在完成工件裝夾和參數(shù)輸入啟動焊接后，操作工在機器人自動焊接時，可以穿插對其他塔腳的加勁板焊接工作，進一步提升生產(chǎn)效率。從表6來看，1臺免示教六軸焊接機器人整體效率可大致相當(dāng)于1.5名手工焊工。若采取1人雙控2臺免示教六軸焊接機器人的方式，效率還將提升。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過應(yīng)用試驗，免示教六軸焊接機器人可以高效、簡便的用于輸電線路鐵塔塔腳的焊接作業(yè)。克服了原先示教導(dǎo)致額示教頻繁、示教時間長、操作要求高的問題。

(2)基于免示教六軸焊接機器人焊接工藝，塔腳工件焊接變形、焊縫外觀及尺寸滿足技術(shù)要求。

(3)經(jīng)試驗對比，免示教六軸焊接機器人較傳統(tǒng)手工焊接，焊接質(zhì)量更高且更穩(wěn)定，生產(chǎn)效率隨著塔腳規(guī)格增大大幅提高。

(4)免示教六軸焊接機器人的應(yīng)用，為輸電線路鐵塔塔腳焊接自動化、智能化提供了切實可行的方案，將有效緩解焊工資源緊缺的難題。