鍋爐集箱管座機(jī)器人焊接試驗(yàn)工作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳遠(yuǎn)強(qiáng)，羅文國(guó)，付 俊 ，陳 弈，黃安立

1.東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院，四川 成都 611731

2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001

0 前言

集箱是鍋爐中關(guān)鍵承壓部件之一，其主要作用是匯集、混合工作介質(zhì)并重新分配到其他管道中，保證工作介質(zhì)均勻分配和加熱，其焊接質(zhì)量直接影響電站的安全運(yùn)行。提升智能制造、降本增效是鍋爐制造業(yè)的必經(jīng)之路，智能化焊接在鍋爐制造中的應(yīng)用是未來(lái)趨勢(shì)所向。目前國(guó)內(nèi)幾大發(fā)電設(shè)備制造商中，上海鍋爐廠(chǎng)已經(jīng)采用了半自動(dòng)埋弧焊專(zhuān)機(jī)焊接集箱管座，但自動(dòng)化程度較低；哈爾濱鍋爐廠(chǎng)在20世紀(jì)90年代也引進(jìn)了日本三菱的機(jī)器人工作站焊接集箱，但因工件問(wèn)題未能成功應(yīng)用。數(shù)字化車(chē)間是智能裝備制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，數(shù)字化焊接技術(shù)的應(yīng)用推廣，將有利于提升焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。而隨著互聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、人工智能等新興學(xué)科與焊接設(shè)備的緊密結(jié)合，必將促使焊接技術(shù)向智能化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展［1-8］。

本文研制的鍋爐集箱管座機(jī)器人焊接試驗(yàn)工作站可用于集箱長(zhǎng)管座、短管座或大管座的機(jī)器人焊接離線(xiàn)編程排道及焊接工藝試驗(yàn)。在制造環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化裝配與焊接制造、工業(yè)級(jí)傳感等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理等環(huán)節(jié)的一體化、數(shù)字化與智能化，提升集箱管座焊接生產(chǎn)制造水平；在質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，建立制造全過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿(mǎn)足產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中的質(zhì)量追溯，保障產(chǎn)品質(zhì)量，避免質(zhì)量事故。在管理環(huán)節(jié)，建立鍋爐集箱產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)集箱工藝、排產(chǎn)、制造全過(guò)程信息化，為實(shí)際生產(chǎn)制造提供優(yōu)化方案。

1 鍋爐集箱管座智能焊接試驗(yàn)工作站的構(gòu)建

1.1 硬件組成

鍋爐集箱管座智能焊接試驗(yàn)工作站的布置如圖1所示。硬件包括：安川HP20D型6軸工業(yè)機(jī)器人及軌道，DX100型控制柜，基恩士LJ-G200型2D激光傳感器，測(cè)量范圍為（200±50） mm，支持機(jī)器人全數(shù)字控制的焊接電源，最大焊接電流為350 A，首尾雙座式旋轉(zhuǎn)變位機(jī)，頭尾座均為3爪自定心卡盤(pán)，頭座為主動(dòng)軸，尾座為從動(dòng)軸。主動(dòng)軸配置為焊接機(jī)器人的外部軸，能夠與機(jī)器人協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。

圖 1 工作站組成布置Fig.1 Workstation composition and layout

1.2 項(xiàng)目難點(diǎn)

（1）機(jī)器人在大型鍋爐焊接制造上的應(yīng)用問(wèn)題。

目前機(jī)器人焊接絕大多數(shù)應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械等成批量的標(biāo)準(zhǔn)件上，在中厚板焊接的應(yīng)用上還處于摸索階段，尤其是集箱這類(lèi)整體尺寸和坡口變化大、不規(guī)則的產(chǎn)品。為解決自動(dòng)焊問(wèn)題，本文在機(jī)器人上采用了3D視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)對(duì)焊道的定位，結(jié)合管座坡口的尺寸參數(shù)自動(dòng)規(guī)劃焊道。

試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如不同品牌和氣體成分的焊絲成形情況不同。但建立一套標(biāo)準(zhǔn)的智能工藝規(guī)劃軟件需要大量的試驗(yàn)積累，目前針對(duì)技術(shù)協(xié)議上所要求的管座進(jìn)行了工藝儲(chǔ)備。

（2）理論模型與實(shí)際產(chǎn)品的誤差問(wèn)題。

目前系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)來(lái)源都是通過(guò)人工輸入產(chǎn)品特征尺寸，再由系統(tǒng)自動(dòng)生成模型。此模型為理想模型，離實(shí)際產(chǎn)品仍有一定差距，可能會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作流程。如：因?yàn)楣芸着c筒身相對(duì)位置的誤差，導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法找到第一個(gè)管孔位置；在分段焊接過(guò)程中，由于段和段之間距離較遠(yuǎn)，管孔間距有誤差，導(dǎo)致無(wú)法找到下一段的管孔位置；管座坡口角度變化導(dǎo)致填充量不夠；坡口尺寸變化影響焊縫成形等。

（3）系統(tǒng)邏輯復(fù)雜。

系統(tǒng)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮各種情況的處理邏輯，涉及自動(dòng)、半自動(dòng)、各種順序模式等。

1.3 工藝調(diào)試流程

鍋爐集箱管座智能焊接試驗(yàn)工作站的工藝調(diào)試流程如圖2所示。

圖2 工藝調(diào)試流程Fig.2 Process debugging process

（1）定位。

系統(tǒng)基于變位機(jī)標(biāo)尺值和待焊工件信息，計(jì)算出機(jī)器人相機(jī)的最佳拍照位置。焊接機(jī)器人從此處連續(xù)進(jìn)行三次視覺(jué)定位（一次初始定位、一次水平位置調(diào)整、一次角度測(cè)量），計(jì)算出待焊孔位的空間位置及傾斜角度，作為焊接基準(zhǔn)。裝配機(jī)器人重復(fù)同樣過(guò)程，獲得裝配及打磨基準(zhǔn)。

該視覺(jué)定位功能會(huì)根據(jù)實(shí)際環(huán)境和工件表面狀況，自動(dòng)調(diào)整曝光時(shí)間以達(dá)到最佳圖像質(zhì)量，并根據(jù)已焊管座的實(shí)際位置自動(dòng)微調(diào)待焊孔位的拍照位置，以消除尺寸誤差和焊接變形的影響。

（2）裝配。

系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫(kù)中的管座信息，計(jì)算出裝配機(jī)器人的料盤(pán)抓取位置。機(jī)器人抓取管座時(shí)可通過(guò)稱(chēng)重判斷是否抓取成功，并基于力覺(jué)傳感自動(dòng)裝配。裝配成功后，持續(xù)施加50 N壓緊力等待點(diǎn)焊。如果裝配失敗，機(jī)器人自動(dòng)把管座放回料盤(pán)，并放棄該孔位，跳到下一個(gè)孔位的裝焊。

裝配方向有兩種方式，一種按完全根據(jù)視覺(jué)判斷的角度進(jìn)行裝配，一種按規(guī)定角度進(jìn)行裝配。

（3）點(diǎn)焊。

焊接機(jī)器人根據(jù)不同的管座尺寸自動(dòng)生成點(diǎn)焊程序，在不發(fā)生干涉的4點(diǎn)鐘和6點(diǎn)鐘位置先后點(diǎn)焊。點(diǎn)焊完成后，裝配機(jī)器人撤離。

（4）弧焊。

焊接機(jī)器人根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送的工藝和軌跡點(diǎn)信息自動(dòng)生成弧焊程序，每道參數(shù)分40段可調(diào)。為減小單個(gè)管座的焊接變形，不同道次的起弧點(diǎn)可以在兩側(cè)肩部位置交替變化，焊接方向亦可以自由選擇。

（5）打磨。

起弧失敗后，焊接機(jī)器人撤離剪絲，裝配機(jī)器人基于焊接軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行打磨。打磨過(guò)程通過(guò)力覺(jué)傳感控制，可適應(yīng)外觀(guān)成形不同的各道焊縫，打磨工具頭沿焊縫表面斜向上并橫向來(lái)回移動(dòng)，為保證打磨成功率，此處設(shè)置打磨4次。

（6）清槍。

系統(tǒng)工作時(shí)，可設(shè)置每焊一定數(shù)量的管座自動(dòng)撤回清槍?zhuān)瑱C(jī)器人回到清槍位置待人工清理完畢后，可繼續(xù)后續(xù)流程。亦可在焊接過(guò)程中臨時(shí)從操作臺(tái)發(fā)出清槍指令，該情況下，機(jī)器人在繼續(xù)焊完該道焊縫后才會(huì)撤回到清槍位置。

2 工藝專(zhuān)家軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 軟件總體方案

根據(jù)集箱管座自動(dòng)化焊接作業(yè)流程，開(kāi)發(fā)焊接作業(yè)管理系統(tǒng)，包括現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理、焊接過(guò)程監(jiān)控、Web遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)、移動(dòng)智能終端和焊接專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)等部分。通過(guò)焊接作業(yè)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)箱體、管座基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)，機(jī)器人工位信息計(jì)算，焊接參數(shù)和程序下傳，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能，提高工人操作效率，減少操作失誤；并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄焊接歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程可追溯。

從系統(tǒng)框架劃分，焊接作業(yè)管理系統(tǒng)包括Web數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三部分，其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口與機(jī)器人控制系統(tǒng)和焊機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。Web數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，技術(shù)人員通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程登錄，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)，包括人員信息、箱體型號(hào)參數(shù)、管座型號(hào)參數(shù)、管座焊接參數(shù)和管座焊接程序等數(shù)據(jù)的添加、修改、查詢(xún)和批量導(dǎo)入，同時(shí)也可通過(guò)Web系統(tǒng)查看焊接參數(shù)歷史記錄。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)布置在焊接現(xiàn)場(chǎng)控制室，直接與機(jī)器人和焊接控制系統(tǒng)通信，由現(xiàn)場(chǎng)工人操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接作業(yè)的管理，包括機(jī)器人工位信息計(jì)算，管座焊接參數(shù)、管座焊接程序的下傳，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，故障信息提示，歷史焊接參數(shù)記錄等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)和Web數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。

其中，Web遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)部分基于SSH架構(gòu)，無(wú)需安裝客戶(hù)端，直接通過(guò)瀏覽器便可進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理和焊接過(guò)程監(jiān)控報(bào)警部分基于微軟的.NET架構(gòu)，采用Visual Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有較好的通用性。工藝仿真采用Flow-3D軟件。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器/Web服務(wù)器、工控機(jī)、機(jī)器人控制柜都通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)相互連接。工控機(jī)通過(guò)與機(jī)器人控制柜的接口實(shí)現(xiàn)集箱管座焊接生產(chǎn)線(xiàn)的作業(yè)安排，包括工位控制、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)存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。Web系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程維護(hù)和瀏覽集箱信息、管座信息以及焊接數(shù)據(jù)。

2.2 軟件系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)管理、參數(shù)化建模、多層多道離線(xiàn)編程和機(jī)器人控制4個(gè)功能模塊，可滿(mǎn)足馬鞍形焊縫的機(jī)器人焊接工藝開(kāi)發(fā)，主界面如圖3所示。

圖3 軟件主界面Fig.3 Software main interface

2.3 數(shù)據(jù)管理

各規(guī)格的管座的離線(xiàn)排道數(shù)據(jù)以Excel文件格式保存。因?yàn)楣ぷ髡镜臋C(jī)器人焊接姿態(tài)受狹窄的管間距影響，每層、每道、每個(gè)點(diǎn)位都不同，無(wú)法通過(guò)自動(dòng)排道獲得，因此提供了三種類(lèi)型坡口的初始排道數(shù)據(jù)。

2.4 參數(shù)化建模

軟件參數(shù)化建模模塊如圖4所示。

圖4 參數(shù)化建模Fig.4 Parametric modeling

（1）管座規(guī)格參數(shù)。

根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件，軟件自動(dòng)識(shí)別出坡口類(lèi)型，并顯示出對(duì)應(yīng)的坡口示意圖（見(jiàn)圖4中①、②、③），同時(shí)將各規(guī)格參數(shù)顯示在⑤“工件尺寸”區(qū)域的文本框內(nèi)。

（2）三維模型。

根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件，自動(dòng)進(jìn)行管座、集箱和焊槍的三維模型建模，并顯示在⑥“三維顯示”區(qū)域內(nèi)。

（3）重新生成三維模型。

當(dāng)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件的管座規(guī)格參數(shù)與即將進(jìn)行離線(xiàn)排道的管座不同時(shí)，可在⑤“工件尺寸”區(qū)域內(nèi)的文本框中修改，然后點(diǎn)擊⑦“重新生成模型”按鈕，即可重新生成正確的三維模型。

2.5 離線(xiàn)排道

點(diǎn)擊圖5中①“離線(xiàn)排道”按鈕進(jìn)入離線(xiàn)排道模塊，整個(gè)界面分為多個(gè)區(qū)域，各區(qū)域功能如圖5所示。

圖5 離線(xiàn)排道Fig.5 Offline routing

3 工件測(cè)量尋位

激光傳感器安裝于機(jī)器人末端軸上，傳感器與機(jī)器人的相對(duì)位置已標(biāo)定，通過(guò)對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)變換可獲得測(cè)量點(diǎn)在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的值，如圖6a所示。通過(guò)控制機(jī)器人按預(yù)定的至少4個(gè)姿態(tài)的變換，分別測(cè)量管座橫截面圓心和焊縫根部3處位置，獲得X、Y、Z坐標(biāo)，最終建立用于焊接定位的工件坐標(biāo)系。

如圖6b所示，機(jī)器人控制激光傳感器以水平出光方向測(cè)量管座側(cè)壁，可測(cè)得激光投影圓弧的圓心，基于此圓心建立一個(gè)用戶(hù)坐標(biāo)系。

如圖6c所示，機(jī)器人控制激光器以垂直出光方向測(cè)量管座根部圓上三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，并以此計(jì)算出管座根部圓心，從而建立根部坐標(biāo)系，作為焊接軌跡的參考坐標(biāo)系。工件測(cè)量尋位現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖6 工件測(cè)量尋位原理Fig.6 Workpiece measurement and positioning principle diagram

圖7 工件測(cè)量尋位現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Workpiece measurement and positioning site map

4 焊接實(shí)驗(yàn)

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 15CrMoG steel and ER55-B2 welding wire （wt.%）

軟件規(guī)劃軌跡后得出的焊接參數(shù)見(jiàn)表2。為了提高焊接效率，同時(shí)兼顧相對(duì)較小的熱輸入，采用脈沖焊接。為盡量固化參數(shù)，減少需要調(diào)節(jié)的參數(shù)數(shù)量，擬定了幾種焊接電流：較小規(guī)范管座打底層時(shí)150 A，填充時(shí)170 A，蓋面時(shí)150 A；較大規(guī)范管座打底層時(shí)150 A，填充時(shí)200 A，蓋面時(shí)170 A。焊機(jī)設(shè)置為一元化模式，電壓由焊機(jī)根據(jù)電流大小自動(dòng)設(shè)定。為盡量減小焊接時(shí)的飛濺，需要適當(dāng)增加電壓，但過(guò)大的電壓會(huì)造成咬邊，因此焊接過(guò)程中的弧長(zhǎng)修正設(shè)定為0～5（默認(rèn)電壓增益百分比）。單條焊縫為一個(gè)完整的圓，為確保搭接處成形均勻，焊縫的收弧位置搭接在起弧位置往后8 mm，需要對(duì)焊接的起弧和收弧電流參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，才能確保不會(huì)出現(xiàn)接頭處的肥大或弧坑。受管座坡口尺寸限制，干伸長(zhǎng)只能限制在約20 mm。脈沖時(shí)的電流電壓均較大，熔池也較大，有利于焊縫成形，但靠近管座的焊道容易咬邊，故在填充層和蓋面層除靠近管座的焊道外均進(jìn)行擺動(dòng)，擺幅1 mm，擺頻2 Hz。受重力影響，馬鞍形焊道由腹部向肩部爬坡時(shí)的寬度比由肩部向腹部下坡時(shí)窄，為保持焊道寬度一致，爬坡時(shí)焊槍前傾，下坡時(shí)后傾，傾角0°～30°。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫成形均勻平滑，焊道搭接量合適，整體尺寸滿(mǎn)足圖紙要求，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷，如圖8所示。焊接過(guò)程熔合良好、飛濺小，整體滿(mǎn)足產(chǎn)品要求。

圖8 54×9.5管座焊縫成形Fig.854×9.5 tube base weld forming

5 結(jié)論

基于上述試驗(yàn)，將工藝專(zhuān)家軟件應(yīng)用于機(jī)器人焊接編程中，通過(guò)3D視覺(jué)技術(shù)及對(duì)焊道的定位，結(jié)合管座坡口的尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)焊道的自動(dòng)規(guī)劃，提高了焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化水平；建立了鍋爐集箱制造的全過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊接質(zhì)量的追溯，使得焊接工藝流程更加直觀(guān)，保障產(chǎn)品質(zhì)量。借助該工作站，有利于提高企業(yè)集箱產(chǎn)品的焊接試驗(yàn)水平，節(jié)約焊工資源，在企業(yè)焊接試驗(yàn)和工程實(shí)踐培訓(xùn)方面具有示范作用。