蛇形管屏附件焊接機器人系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳 弈，付 俊，羅文國，黃安立，盛仲曦，李 浩

1.東方電氣集團有限公司 中央研究院，四川 成都 611731 2.東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001

0 前言

裝備制造企業(yè)目前還是以離散制造為主。很多企業(yè)的技術改造重點是建立自動化生產(chǎn)線、裝配線和檢測線。為了提高生產(chǎn)效率，工業(yè)機器人、吊掛系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)線上應用越來越廣泛[1-8]。

蛇形管是火電鍋爐重要組成部分之一，如東方鍋爐廠內每年蛇形管管屏出產(chǎn)量約3萬噸，為幾根鋼管彎曲成蛇形形狀，并在管屏上有大量的焊接附件。現(xiàn)有的支撐塊焊接方式均為手工焊接，其主要工藝流程為：裝配工在裝配平臺上對支撐塊進行裝點→行車吊運至焊接平臺→電焊工對一面進行焊接→行車翻面→焊工焊接。根據(jù)車間提供數(shù)據(jù)，車間每月完成蛇形管屏約1 600屏，由于焊接工作量巨大，單個焊工每班僅能完成5～6個單面M塊焊接，須安排23名焊工對M塊進行焊接才能完成生產(chǎn)任務，工人勞動強度非常大，已經(jīng)形成了車間產(chǎn)量和質量的瓶頸。目前的加工方式主要存在以下缺點：加工效率低，依賴行車配合翻面，等待時間長；勞動強度大，職業(yè)健康危害大；焊接質量及一致性無法保證。

目前日本三菱日立公司在蛇形管屏上研發(fā)實現(xiàn)了附件雙面自動焊接，但僅限于低等級材料規(guī)則焊縫的焊接，并未在高等級材料（如M塊12Cr18Ni 9）上實現(xiàn)雙面智能自動（機器人）焊接。

目前國內鍋爐行業(yè)暫未開發(fā)出進入實用階段的類似設備。結合車間生產(chǎn)實際需求，通過研究和應用先進軟硬件技術提高焊接自動化程度和裝備智能化水平，是響應集團智能制造發(fā)展的必然要求，同時，通過焊接裝備的自動化，充分解放勞動力，降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)質量和效率，也是制造企業(yè)改革發(fā)展的必然要求。

針對上述問題，對蛇形管附件自動焊接的關鍵技術難點逐一突破，成功研發(fā)了一套蛇形管附件焊接機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上下料緩沖扶正平臺、工件移動定位臺架、機器人龍門行走機構、機器人焊接系統(tǒng)、機器人焊縫激光掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、上位機軟件系統(tǒng)等組成。上位機配置具有自主知識產(chǎn)權的蛇形管附件焊現(xiàn)場管理系統(tǒng)，以滿足產(chǎn)品參數(shù)計算、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)存儲等功能需求，能夠對不同規(guī)格的產(chǎn)品進行模型繪制，配合控制系統(tǒng)完成現(xiàn)場焊接任務管理。

1 系統(tǒng)組成

蛇形管附件焊接機器人系統(tǒng)用于蛇形管附件焊縫自動焊接，是一條功能集成的自動化焊接生產(chǎn)線。蛇形管工件預先由人工按要求對M塊進行裝配點焊，然后整體吊裝到工裝平臺上。工裝平臺進行工件壓平壓緊后，各機器人在預設程序控制下分別對各自負責的焊縫區(qū)域進行激光掃描定位、自動焊接。蛇形管附件焊接機器人系統(tǒng)外觀如圖1所示。系統(tǒng)組成包含硬件和軟件兩個部分。具體組成如表1所示。

圖1 系統(tǒng)外觀Fig.1 System appearance

表1 系統(tǒng)組成Table 1 System composition table

1.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)組成包含焊接機器人系統(tǒng)、上/下龍門架、工裝及定位裝置、控制系統(tǒng)等。各硬件的系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 工作站組成布置Fig.2 Workstation composition and layout

（1）焊接機器人系統(tǒng)。

焊接機器人系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，包括機器人本體、機器人外部軸、線激光傳感器和焊接電源。

其中機器人選用FANUC M-10iD/12L通用型機器人，最大負載12 kg，位置重復精度±0.03 mm；采用直線導軌形式的外部軸實現(xiàn)機器人的橫向移動，提升作業(yè)的靈活性，外部軸電機采用FANUC標準伺服電機，配以行星輪減速機，通過齒輪齒條傳動，驅動移動機構在直線導軌上滑行；線激光傳感器采用賽融的FUJI-CAM，用于焊接基準位置的尋位。焊機采用福尼斯TPS5000CMT焊機，可實現(xiàn)焊接參數(shù)、控制程序、送絲速度的全數(shù)字化控制。

（2）上/下龍門架。

上下龍門架可實現(xiàn)縱向和橫向的直線運動，配合機器人精確到達作業(yè)區(qū)域。其主要由機器人升降立柱、橫梁、精密減速機、移動機構、傳動、導向部分、爬梯、拖鏈、軌道等組成。

（3）工裝及定位裝置。

工裝及定位裝置用于工件的固定、扶正及初始定位，在系統(tǒng)左右兩側各分布了1套。每套工位工裝抬架由1個固定胎架和2個移動胎架構成，固定胎架上裝備2套可移動軸向定位機構、1套扶正機構和1支導向滾筒，扶正機構快速定位由絲桿傳動，扶正用液壓缸/氣動頂移。單個移動胎架上各裝配1套橫向移動大滾子鍵條（降低摩擦力）和1套扶正機構。

（4）控制系統(tǒng)。

采用西門子系列PLC s7-1500作為主控制器，由PLC管理整個系統(tǒng)運行，包括機器人與龍門軌道電機的協(xié)調關系、節(jié)拍控制、操作管理、安全管理以及通訊。機器人外部控制總線與PLC總線均采用ProfiNet，抗干擾能力強。人機界面主要包括每個工位外的觸摸屏、按鈕板、信號燈、控制柜旁的主控制平臺三個部分。

1.2 軟件系統(tǒng)

蛇形管附件焊接生產(chǎn)屬于典型的離散型制造，結合蛇形管生產(chǎn)制造產(chǎn)品類型規(guī)格多、涉及工序多、工作流程復雜的特點。綜合考慮管理的高效性、質量的穩(wěn)定性、生產(chǎn)故障的可追溯性等，開發(fā)了蛇形管附件焊接作業(yè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括WEB數(shù)據(jù)維護系統(tǒng)、現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫服務器三部分。WEB數(shù)據(jù)維護系統(tǒng)采用B/S架構，工藝員通過瀏覽器遠程登錄，實現(xiàn)系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)的維護以及歷史追溯?，F(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)布置在車間現(xiàn)場的上位機上，直接與系統(tǒng)主控PLC通信，由現(xiàn)場工人操作，一鍵完成焊接參數(shù)配置，啟動系統(tǒng)即可完成整個焊接作業(yè)。數(shù)據(jù)庫服務器用于存儲系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，布置在信息中心的服務器上。系統(tǒng)軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)架構Fig.3 Software system architecture diagram

數(shù)據(jù)庫服務器/Web服務器、工控機都通過工業(yè)以太網(wǎng)相互連接。工控機與PLC通過西門子OPCS ERVER進行通訊連接，實現(xiàn)蛇形管焊接作業(yè)安排，包括參數(shù)下傳、焊接工藝參數(shù)控制以及焊接監(jiān)控和故障診斷，并且把獲取的焊接數(shù)據(jù)和運行日志存入數(shù)據(jù)庫服務器。Web系統(tǒng)可以遠程維護和瀏覽工藝信息以及焊接過程的歷史數(shù)據(jù)。PLC與機器人采用CCLINK進行實時連接通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)運行的聯(lián)動控制。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖Fig.4 System network topology diagram

該系統(tǒng)具有適用于蛇形管附件坡口形式的智能規(guī)劃功能，如表2所示。

該軟件已完全代替了機器人的離線編程軟件，與離線編程方式相比，具有如下優(yōu)勢：

（1）通過專家系統(tǒng)自動設計焊接參數(shù)，并具有學習功能，根據(jù)產(chǎn)品情況實時更新。

（2）自動根據(jù)坡口生成機器人軌跡，避免操作人員逐個對點方式較大的編程工作量。

（3）參數(shù)化建模，能夠通過產(chǎn)品模型獲得基礎模型，在此基礎上實現(xiàn)流程規(guī)劃。

軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面Fig.5 Software interface diagram

2 系統(tǒng)作業(yè)流程設計

蛇形管屏附件焊接機器人系統(tǒng)的工藝調試流程如圖6所示。

圖6 工藝調試流程Fig.6 Process debugging process

蛇形管附件焊的主要特點有：（1）工件規(guī)格：最大工件尺寸7 112 mm（長）×4 335 mm（寬），材質為碳鋼、合金鋼和不銹鋼。（2）組對情況：人工拼裝點焊位置基本固定，組對間隙對接焊縫≤2 mm。（3）工件工藝要求：所有焊縫為連續(xù)焊縫，不得有夾渣、燒穿、未熔合、焊縫間斷等缺陷；焊后MT探傷。針對這些特點，研究自動焊接系統(tǒng)的主要難點是：（1）產(chǎn)品尺寸變化大；（2）附件位置不確定；（3）附件由人工點焊裝配；（4）管子伸出位置不確定；（5）管屏中間有隨機位置槽鋼；（6）需要實現(xiàn)仰焊，以避免行車翻身，影響裝配和焊接質量。

根據(jù)以上的特點和難點，系統(tǒng)作業(yè)方式采用“激光尋位+在線跟蹤+平焊仰焊結合”的方式進行。龍門倒掛機器人+移動平臺正立機器人，單焊接工位雙轉運平臺交替焊接作業(yè)。具體工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程Fig.7 System workflow

系統(tǒng)工作流程：人工錄入工件關鍵規(guī)格參數(shù)并選擇上料工位→上料工位工件臺架自動調整位置→緩沖扶正裝置升起就位→行車人工吊放工件→工件自動轉運到焊接工位→焊接機器人按照設定焊接順序對各管屏附件分別掃描定位并焊接→自動完成焊接→工件自動轉運到原上料工位→行車人工下料→另一側上料工位工件自動轉運到焊接工位（此前已按照前面的方式完成上料）→自動完成焊接→自動轉運回原上料工位并人工下料→兩工位交替上料并焊接。

3 焊接試驗結果

3.1 試驗條件

按照預設的全自動流程，錄入產(chǎn)品參數(shù)后進行全自動焊接，焊接方法為全自動熔化極氣體保護焊（MAG）仰焊，弧焊電源為SKS焊接系統(tǒng)，LSQ5（一元化調節(jié)），焊接氣體分別為CO2（純度99.99%，用于不銹鋼的焊接）和φ（Ar）80%+φ（CO2）20%（用于合金鋼的焊接），焊材分別為E309LT1-1A（不銹鋼藥芯焊絲，Φ1.2 mm，北京金威）和H08CrMoV（合金鋼焊絲，Φ1.2 mm，大西洋焊材）。

進行了兩種材質平焊和仰焊位置總共4組焊接試驗，如表3所示，各組的焊接參數(shù)如表4所示。

表3 試驗條件Table 3 Test condition

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameter

3.2 試驗結果

試驗過程如圖8所示，系統(tǒng)運行流暢，激光尋位精準，焊接過程穩(wěn)定。試驗完成后，焊縫成形和宏觀金相分別如圖9、圖10所示，焊腳尺寸合適，焊縫成形平滑均勻，起弧收弧位置高低合適，經(jīng)PT均無缺陷，滿足產(chǎn)品質量要求。

圖8 試驗現(xiàn)場Fig.8 Test site

圖9 15GrMo材質附件平焊及仰焊Fig.9 Welding materials 15GrMo accessories flat welding and overhead welding

圖10 12CrlMoV材質附件平焊及仰焊Fig.10 Welding materials 12CrlMoV accessories flat welding and overhead welding

4 結論

基于該項目的研制和投產(chǎn)，探索了蛇形管管屏自動物流控制、自動焊接的技術問題，完成了一定的技術儲備和經(jīng)驗積累，為后續(xù)同類產(chǎn)品的移植復制和市場開拓夯實了基礎。本系統(tǒng)的優(yōu)點在于：

（1）設備通用性強，滿足工作范圍內同類產(chǎn)品及其他規(guī)則形狀且有一定規(guī)律的蛇形管附件焊縫的自動焊接工藝要求。

（2）整個結構采用模塊化設計，定位精確、穩(wěn)定可靠，焊接質量優(yōu)異。

（3）自動化程度高，減少人工成本，提高生產(chǎn)效率。

（4）采用雙移動龍門、雙移動平臺的結構，并設置兩組工件支撐臺架運轉平臺，形成雙面、單焊接工位雙運轉平臺交替焊接的作業(yè)形式，提高生產(chǎn)效率。

（5）支撐單元增設緩沖定位裝置，定位精確。

（6）采用伺服驅動控制系統(tǒng)，精密齒輪齒條傳動，運行平穩(wěn)，提高焊接質量。

（7）結構模塊化設計，設備通用性強。

（8）本系統(tǒng)是一套集成通信技術和先進制造技術于一體的智能化蛇形管屏附件焊接系統(tǒng)，是鍋爐領域管子自動生產(chǎn)智能制造轉型目標的重要實踐，提升了車間裝備自動化、智能化水平。

下一步需要優(yōu)化的部分如下：

（1）系統(tǒng)目前采用的激光尋位方式是針對單個附件的單條焊縫分別進行掃描，掃描時間長，效率低。后續(xù)可考慮采用大線寬的線激光傳感器對蛇形管屏進行整體掃描，并進行三維重構，最后基于三維重構的數(shù)模整體進行附件焊接順序和路徑的規(guī)劃。

（2）由于蛇形管管屏附件類型多，數(shù)量多，分布無規(guī)律，參數(shù)化建模所需的數(shù)據(jù)非常多，使得數(shù)據(jù)錄入工作量較大，后續(xù)可優(yōu)化為采用二維CAD圖紙直接導入識別的方式進行建模。