螺旋鋼管埋弧焊預(yù)焊焊縫跟蹤系統(tǒng)研制

中圖分類號(hào)：TG456.7；TP23

Development of a weld seam tracking system for submerged arc pre-welding of spiral steel pipes

LI Hongtao，YANG Zhanli，F(xiàn)EI Dakui，LI Rong，YANG Zekun，F(xiàn)U Ao，QIN Weitao （Harbin WeldingInstituteLimited Company，Harbin 15oO28，China）

Abstract：To address the issues of low tracking accuracy and excessive manual intervention during the submerged arc pre-welding process of spiral steel pipes，this study designed a real-time weld seam tracking system based on visual sensing and adaptive control technology.This system has effctively improved the accuracy and stability of weld seam tracking in pre-welding equipment，reduced weld deviation rates，minimized welding defects，and enhanced both welding quality and production efficiency.

Key words： pre-welding; laser tracking sensor; weld seam tracking; automatic tracking

0 前言

鋼管廣泛應(yīng)用于石油（天然氣）、化工、電站（核電）、機(jī)械制造、汽車(chē)、船舶、航天等領(lǐng)域，是國(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)和重大裝備制造所需的關(guān)鍵鋼鐵材料[1-3]。螺旋鋼管作為關(guān)鍵輸送和結(jié)構(gòu)材料，其生產(chǎn)質(zhì)量與效率需求日益提升。螺旋管制造核心工藝之一是預(yù)焊環(huán)節(jié)，其焊接質(zhì)量直接影響管材的力學(xué)性能、密封性及使用壽命。然而，在連續(xù)高速生產(chǎn)過(guò)程中，螺旋管的動(dòng)態(tài)成型特性（如管徑變化、帶鋼跑偏、焊縫空間軌跡復(fù)雜等）對(duì)焊接精度突出嚴(yán)峻考驗(yàn)。傳統(tǒng)人工監(jiān)控依賴經(jīng)驗(yàn)判斷、響應(yīng)速度慢及抗干擾能力弱等問(wèn)題，難以滿足高精度、高可靠性的焊接要求，導(dǎo)致焊縫偏移、熔合程度低等缺陷，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率與成品合格率。

焊縫跟蹤系統(tǒng)作為螺旋管預(yù)焊自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心模塊，成為突破技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵因素。該系統(tǒng)通過(guò)集成高精度傳感技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法及自適應(yīng)控制策略，能夠動(dòng)態(tài)感知焊縫位置偏差并實(shí)時(shí)修正焊槍軌跡，確保焊接過(guò)程與預(yù)設(shè)路徑保持高度一致性。所以，深人研究并推廣焊縫跟蹤系統(tǒng)在螺旋管預(yù)精悍控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)螺旋管制造行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1焊縫跟蹤系統(tǒng)工作原理

焊縫跟蹤系統(tǒng)由META跟蹤系統(tǒng)和機(jī)頭滑板控制系統(tǒng)兩部分共同組成[4]。META 跟蹤系統(tǒng)由激光跟蹤傳感器、跟蹤主機(jī)控制器，跟蹤信號(hào)處理工控機(jī)、西門(mén)子1500PLC控制器及觸摸屏顯示器等元件組成，其系統(tǒng)跟蹤主界面如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)激光跟蹤傳感器采集焊縫的圖像信號(hào)，將采集到的模擬量傳遞到1500PLC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與分析處理，根據(jù)觸摸屏上預(yù)先設(shè)定的跟蹤方式與跟蹤參數(shù)，按特定的算法進(jìn)行換算，將最終控制指令通過(guò)PLC發(fā)送給預(yù)焊控制系統(tǒng)，預(yù)焊控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滑板運(yùn)行，滑板將焊槍移動(dòng)并最終實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤。

1.1 焊縫跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)原理

圖2所示激光焊縫跟蹤傳感器采用激光三角反射式原理，即激光束被放大形成一條激光線投射到試件表面上對(duì)焊縫位置和高度進(jìn)行檢測(cè)，傳感器跟蹤頭有一個(gè)攝像頭及兩個(gè)激光器，激光器為光源，發(fā)出一束激光線到傳感器頭下方的試件表面。激光束以變化的角度照到試件表面后被試件表面反射回。在攝像頭前部裝有濾光片，濾光片能讓激光穿過(guò)，但是會(huì)濾掉焊接弧光以及其他類型的光源，來(lái)采集激光束。

META跟蹤監(jiān)控原理如圖3所示，從圖中可得出，假如試件距離傳感器很近，激光跟蹤傳感器會(huì)調(diào)整激光束的角度，照射在試件上的激光位置將自動(dòng)向前移動(dòng)，相反，調(diào)整激光束角度讓其落在試件表面的位置自動(dòng)向后移動(dòng)。攝像頭直接觀察激光線，因此能測(cè)量激光傳感器同其下試件的距離。通過(guò)試件上的紅線形狀，也能觀察出試件表面的輪廓，還有焊縫位置，因此是傳感器頭能測(cè)量焊縫到邊緣的具體位置。

1.2焊縫跟蹤信號(hào)控制與處理

激光跟蹤傳感器的主機(jī)控制器與一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)PROFINET通訊協(xié)議鏈接，PLC控制器首先讀取輸人端的信號(hào)狀態(tài)并存人與輸入端子數(shù)自對(duì)應(yīng)的寄存器中[5]，將檢測(cè)到的模擬量信號(hào)傳遞給工業(yè)計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行處理。操作人員可在工業(yè)計(jì)算機(jī)觸摸屏跟蹤軟件界面對(duì)跟蹤參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如焊縫類型、焊縫寬度、跟蹤模式等。跟蹤系統(tǒng)計(jì)算機(jī)將采集到的焊縫信息，根據(jù)設(shè)定的跟蹤參數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)的算法計(jì)算，將跟蹤的控制信號(hào)傳遞至PLC系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)化為 ±10 V的模擬量信號(hào)發(fā)送給預(yù)焊焊接控制系統(tǒng)，以控制跟蹤滑板。設(shè)定參數(shù)界面如圖4所示。

2 預(yù)焊焊槍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

2.1 焊槍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

預(yù)焊機(jī)組內(nèi)焊、外焊的焊槍分別安裝在內(nèi)、外焊的三維驅(qū)動(dòng)滑板上，隨著驅(qū)動(dòng)滑板實(shí)時(shí)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管焊縫的跟蹤。驅(qū)動(dòng)滑板共分為高度移動(dòng)滑板和縱向移動(dòng)滑板，控制內(nèi)、外焊槍的高度跟蹤和位置跟蹤。驅(qū)動(dòng)滑板是由西門(mén)子S120伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。焊槍驅(qū)動(dòng)滑板如圖5所示。

2.2 焊接控制系統(tǒng)組成

預(yù)焊機(jī)組焊接控制系統(tǒng)由西門(mén)子S7－1500PLC、S120伺服控制器、研華UNO-2484G工業(yè)計(jì)算機(jī)等控制元件組成。以跟蹤系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的處理與運(yùn)算，通過(guò)S120伺服電機(jī)運(yùn)行來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)頭。

由于跟蹤傳感器安裝在焊槍附近，隨著焊槍同時(shí)運(yùn)行，所以跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)到的偏差量可以等同于焊槍的實(shí)際偏差量。

在實(shí)際焊接過(guò)程中，焊縫跟蹤可以選用手動(dòng)跟蹤與自動(dòng)跟蹤兩種工作模式，而且可以自由切換。在手動(dòng)模式下，操作人員通過(guò)十字手柄對(duì)機(jī)頭的高度和縱向進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的手動(dòng)跟蹤，手動(dòng)跟蹤的速度設(shè)定要按照提前設(shè)定好的速度運(yùn)行，設(shè)定速度在工控機(jī)Wincc界面上的輸入框進(jìn)行設(shè)定。

自動(dòng)跟蹤模式下，焊槍滑板運(yùn)行完全由激光跟蹤系統(tǒng)控制，自動(dòng)對(duì)焊接位置和焊槍高度進(jìn)行調(diào)整。在成型不好和坡口不理想的情況下，自動(dòng)跟蹤不能準(zhǔn)確的識(shí)別焊縫，需要將控制模式切換到手動(dòng)。

由于焊槍與激光跟蹤傳感器安裝在同一滑板上，手動(dòng)進(jìn)行干預(yù)后，跟蹤的示教點(diǎn)也會(huì)隨之改變。這時(shí)想要恢復(fù)自動(dòng)跟蹤，就要在跟蹤系統(tǒng)軟件上重新進(jìn)行示教點(diǎn)的設(shè)定，再將跟蹤方式切換至自動(dòng)模式后系統(tǒng)將從新以新的示教點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。內(nèi)外焊槍如圖6所示。

2.3內(nèi)外焊槍焊縫跟蹤實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在焊接過(guò)程中，激光跟蹤傳感器與焊槍安裝在在同一滑板上，和焊槍一起運(yùn)行，由于螺旋管預(yù)焊焊接過(guò)程為內(nèi)外焊同時(shí)進(jìn)行，內(nèi)焊跟蹤內(nèi)坡口，外焊跟蹤外坡口，然而在生產(chǎn)一些小直徑薄壁管的時(shí)候，由于鋼板原料壁厚較薄，在成型銑邊時(shí)內(nèi)、外坡口形貌很難同時(shí)保證，導(dǎo)致坡口變化很大，對(duì)預(yù)焊焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量影響很大，這就需要伺服電機(jī)配合跟蹤系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行深度調(diào)節(jié)，來(lái)保證正常跟蹤過(guò)程和焊接過(guò)程。安裝在跟蹤滑板上的激光跟蹤傳感器通過(guò)對(duì)內(nèi)、外焊縫進(jìn)行檢測(cè)，將跟蹤信號(hào)傳遞給焊接控制系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算，輸出命令來(lái)控制跟蹤滑板運(yùn)行，跟蹤滑板帶動(dòng)跟蹤傳感器移動(dòng)，保證系統(tǒng)對(duì)焊縫位置的跟蹤與定位。在高度、縱向跟蹤滑板驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)上安裝有編碼器，用以實(shí)現(xiàn)跟蹤偏差位置信號(hào)的采集與分析，保證焊槍對(duì)焊縫的跟蹤?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖7所示。

3內(nèi)外焊槍高度、縱向跟蹤實(shí)現(xiàn)

3.1內(nèi)外焊槍跟蹤與控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系

在成型與銑邊坡口正常的情況下，焊縫跟蹤可指導(dǎo)內(nèi)焊、外焊滑板進(jìn)行高度跟蹤作業(yè)，但在特殊的鋼管型號(hào)（如薄壁管）生產(chǎn)中避免不了成型與銑邊坡口不理想的條件下，會(huì)造成跟蹤不穩(wěn)定、偏離焊縫，這就需要額外增加傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。具體方案是在焊槍安裝的高度跟蹤滑板上加裝一個(gè)高度傳感器（SICK高度檢測(cè)傳感器），用來(lái)具體檢測(cè)焊槍距鋼管表面的高度，傳感器把檢測(cè)到的實(shí)際距離信號(hào)轉(zhuǎn)化為 4～20mA 的模擬量信號(hào)，傳遞給預(yù)焊控制系統(tǒng)1500PLC的模擬量輸人模塊 6ES7531-7KF00-0AB0 。模擬量模塊把4～20mA 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0～27648 范圍內(nèi)的數(shù)字量信號(hào)，通過(guò)數(shù)字濾波與運(yùn)算，可以的到焊槍的實(shí)際高度。通過(guò)與工控機(jī)上Wincc控制界面上設(shè)定的跟蹤參數(shù)進(jìn)行比較，利用西門(mén)子1500PID功能塊進(jìn)行比列積分調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)焊槍高度的自動(dòng)跟蹤，

3.2內(nèi)外焊縫跟蹤的優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)內(nèi)、外焊激光跟蹤，能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的捕捉焊縫位置并動(dòng)態(tài)調(diào)整焊槍軌跡，顯著減少人工十預(yù)，提高焊接精度和一致性，避免人為因素造成的焊縫缺陷，系統(tǒng)響應(yīng)敏捷，能快速針對(duì)焊縫變化做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，無(wú)需像人工焊接頻繁中斷進(jìn)行位置調(diào)整，縮短了焊接周期。

但面對(duì)復(fù)雜的工況（如鋼管成型不理想的情況）不規(guī)則且無(wú)規(guī)律可循的坡口和焊縫，以及材料特性差異極大的組合焊接時(shí)，當(dāng)前自動(dòng)跟蹤技術(shù)還存在局限性。所以螺旋預(yù)焊鋼管成型質(zhì)量仍然是預(yù)焊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤與提高焊縫質(zhì)量的一個(gè)比較重要的因素。

4 實(shí)際應(yīng)用

螺旋鋼管預(yù)焊機(jī)組已在山東曲阜東宏管業(yè)有限公司落地生產(chǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景如圖8、圖9所示。機(jī)組設(shè)計(jì)的一種基于視覺(jué)傳感與自適應(yīng)控制技術(shù)的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，有效提高了預(yù)焊機(jī)組焊縫跟蹤的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。降低了焊縫偏差率，減少焊接缺陷，探傷合格率達(dá)到 99.8% ，極大提升焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

5結(jié)論

（1）焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)是保證預(yù)焊焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素，通過(guò)實(shí)時(shí)感知與動(dòng)態(tài)糾偏的深度融合，實(shí)現(xiàn)了焊接質(zhì)量從“人工干預(yù)”到“自主優(yōu)化”的跨越式發(fā)展。

（2）隨著機(jī)器視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)算法與多源信息融合技術(shù)的持續(xù)突破，焊縫位置信息捕捉愈發(fā)精準(zhǔn)，系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速且智能，選擇合理的跟蹤方式，對(duì)預(yù)焊焊接質(zhì)量的提高與實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接具有重要意義。

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收稿日期：2025-03-19

李洪濤簡(jiǎn)介：1988年出生，本科，電氣高級(jí)工程師，主要從事直縫鋼管、螺旋鋼管埋弧焊設(shè)備、機(jī)器人智能設(shè)備的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。