馬曉磊 ，張 靜 ，徐 山 ，薛 龍 ，黃繼強(qiáng) ，黃軍芬

（1.中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100；2.北京石油化工學(xué)院 光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617）

0 前言

盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。盾構(gòu)機(jī)在制造過程中，焊接工作耗費(fèi)時(shí)間多，且對盾構(gòu)機(jī)的質(zhì)量起決定性作用。目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)多采用手工焊接，生產(chǎn)效率低、質(zhì)量一致性差，成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要瓶頸。采用焊接機(jī)器人進(jìn)行自動化焊接能夠有效提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1-3]，但是盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對焊接機(jī)器人的現(xiàn)場安裝及其可達(dá)性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本研究針對盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)了適用于盾構(gòu)機(jī)的集焊接/切割為一體的全自動焊接/切割機(jī)器人。該機(jī)器人焊接規(guī)律性強(qiáng)、可達(dá)性好，并具有質(zhì)量小、可移動性好、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)要求

盾構(gòu)機(jī)主要由九部分組成，分別是盾體、刀盤、刀盤驅(qū)動、雙室氣閘、管片拼裝機(jī)、排土機(jī)構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備[4]。盾體主要包括前盾、中盾和后盾，盾殼厚度可達(dá)40 mm，屬于厚板焊接。盾體焊接涉及的焊縫有后盾大長立縫、各類盾體的大環(huán)縫和前盾復(fù)雜單元體焊縫，如圖1所示。基于盾體焊縫的特點(diǎn)，要求焊接機(jī)器人能夠提供橫焊、平焊、立焊三種焊接方式，可達(dá)性好，且能夠?qū)崿F(xiàn)多層多道焊接。另外對于后盾體的四條大型焊縫（見圖1a），其工序?yàn)橄瓤v向切割，產(chǎn)生四條焊縫，由于目前常用的焊縫切割設(shè)備過于簡易，很難達(dá)到良好的機(jī)械化切割標(biāo)準(zhǔn)，給后續(xù)機(jī)器人焊接造成了很多麻煩，為此，所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人增加了切割功能，并集成示教技術(shù)，以滿足后盾體焊縫切割要求。

圖1 盾構(gòu)機(jī)盾體焊縫

基于上述盾構(gòu)機(jī)盾體焊縫特點(diǎn)及加工要求，設(shè)計(jì)了焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)由焊接小車、控制箱、觸摸屏、手控盒等組成，其主要特點(diǎn)為：同時(shí)具備焊接/切割功能，只需更換相應(yīng)的槍頭，即可實(shí)現(xiàn)焊接或切割功能；有橫焊、平焊、立焊三種方式供選擇，適應(yīng)不同場合的焊接需要；可根據(jù)需要建立橫焊、平焊、立焊三種參數(shù)表，并分別存儲多種焊接參數(shù)；特有的坡口規(guī)劃功能可存儲坡口內(nèi)每個(gè)焊道的位置信息，從而在焊接過程中實(shí)現(xiàn)自動排道；具有軌跡存儲功能，可記憶焊縫位置偏差及焊槍高度偏差，因而在焊接過程中自動調(diào)節(jié)焊槍以適應(yīng)焊縫的變化，實(shí)現(xiàn)焊縫軌跡跟蹤；提供焊接電源控制接口，可控制外部焊接電源的電流、電壓及焊槍開關(guān)動作，從而實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人與焊接電源的成套化；手控盒與觸摸屏控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊車運(yùn)動參數(shù)與焊接參數(shù)的智能化控制。

圖2 焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)

2 焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 焊接小車結(jié)構(gòu)

焊接小車主要由行走機(jī)構(gòu)、左右移動機(jī)構(gòu)、上下移動機(jī)構(gòu)、擺動機(jī)構(gòu)及車載送絲機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，如圖3所示。焊接小車采用齒輪嚙合傳動方式驅(qū)動、鋼軌導(dǎo)向的行走方式。焊接機(jī)器人焊槍夾持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示，如將割炬安裝在夾持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，如圖5所示，即可進(jìn)行切割操作。

圖3 焊接小車

圖4 焊槍夾持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.2 焊接方式選擇和多層多道焊參數(shù)設(shè)定

圖5 割炬安裝及調(diào)整

焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)提供基于觸摸屏的人機(jī)交互界面，如圖6所示，在控制系統(tǒng)中設(shè)置有橫焊、平焊、立焊三種位置的焊接數(shù)據(jù)庫，每個(gè)數(shù)據(jù)庫中層數(shù)、道數(shù)可靈活設(shè)置并保存。模式選擇界面如圖7所示，主要用于設(shè)置焊接機(jī)器人的工作模式，包括焊接模式、焊接位置等，以及設(shè)置焊接機(jī)器人工作狀態(tài)。在分層設(shè)定界面（見圖8）中，輸入需要焊接的層數(shù)和各層道數(shù)，對應(yīng)參數(shù)表按照所輸入層數(shù)和各層道數(shù)建立。參數(shù)監(jiān)控界面（見圖9）有當(dāng)前橫焊參數(shù)、當(dāng)前平焊參數(shù)、當(dāng)前立焊參數(shù)三套參數(shù)顯示。

圖6 觸摸屏控制系統(tǒng)主界面

2.3 坡口規(guī)劃和軌跡存儲

坡口規(guī)劃和軌跡存儲功能由焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部件控制箱實(shí)現(xiàn)。坡口規(guī)劃功能即在所需焊接的坡口中存儲每個(gè)焊道的焊接位置信息，在焊接過程中，每完成一道焊接，焊槍自動調(diào)整到下一焊道進(jìn)行焊接，直至完成整個(gè)焊接過程。坡口規(guī)劃功能是智能焊接機(jī)器人的一個(gè)很重要功能，通過它易于實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過程的自動化[5-6]。

圖7 參數(shù)監(jiān)控界面

圖8 分層設(shè)定界面

圖9 參數(shù)設(shè)定界面

在焊縫坡口不規(guī)則、變化較大的情況下，若不對焊縫坡口進(jìn)行跟蹤控制，焊接過程中需要焊工手動調(diào)節(jié)以適應(yīng)焊縫坡口的變化，很難實(shí)現(xiàn)全自動焊接。而焊縫軌跡存儲功能能夠有效解決這一問題。通過焊縫軌跡示教操作，依據(jù)焊縫坡口的變化情況，在焊縫突變的地方進(jìn)行焊槍位置的記憶存儲，在焊接過程中自動調(diào)整焊槍的高度和水平位置，從而使焊接機(jī)器人適應(yīng)焊縫坡口的高度位置和水平位置變化。充分利用焊縫軌跡存儲功能，使焊接機(jī)器人完成各種不規(guī)則焊縫的焊接。焊縫軌跡示意如圖10所示，其中A點(diǎn)為焊縫示教起點(diǎn)，B、C、D、E為焊縫軌跡的突變點(diǎn)，F(xiàn)為焊縫示教終點(diǎn)。焊縫軌跡示教流程如圖11所示。

圖10 焊縫軌跡示意

圖11 焊縫軌跡示教流程

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

利用所研發(fā)的焊接/切割機(jī)器人進(jìn)行焊縫切割及多層多道焊試驗(yàn)。圖12a為機(jī)器人進(jìn)行盾體坡口自動切割試驗(yàn)，切割試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。由圖12b可見，切割坡口為X型坡口，角度45°，坡口表面光滑美觀。圖13a為利用機(jī)器人對盾體試板進(jìn)行多層多道立焊試驗(yàn)，試板厚度30 mm，試板規(guī)格400 mm×150 mm，開V型坡口，1～4層采用單焊道焊接，5～6層采用雙焊道焊接，相應(yīng)焊接參數(shù)如表2所示。圖13b為機(jī)器人進(jìn)行盾體試板焊接得到的焊縫，且成形美觀，滿足盾體焊縫焊接要求。

4 結(jié)論

（1）研制了一套全自動焊接/切割機(jī)器人，同時(shí)具備焊接/切割功能，適用于盾構(gòu)機(jī)盾體后盾大長立縫、各類盾體的大環(huán)縫以及前盾復(fù)雜單元體焊縫的多層多道自動焊接，以及后盾大長立縫的自動切割。

圖12 盾體坡口切割試驗(yàn)及結(jié)果

表1 盾體焊縫切割試驗(yàn)參數(shù)

圖13 盾體試板多層多道立焊試驗(yàn)及焊縫

表2 多層多道立焊焊接參數(shù)

（2）在焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)中針對橫焊、平焊、立焊三種位置建立了相應(yīng)的焊接數(shù)據(jù)庫，每個(gè)數(shù)據(jù)庫中層數(shù)、道數(shù)可靈活設(shè)置，為不同位置焊接提供合理的多層多道焊參數(shù)。開發(fā)了用于存儲每個(gè)焊道焊接位置信息的坡口規(guī)劃功能及用于進(jìn)行焊縫軌跡示教的軌跡存儲功能，能夠完成不規(guī)則焊縫的多層多道焊接。

（3）進(jìn)行了盾體焊接及切割試驗(yàn)，獲取了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所研發(fā)焊接/切割機(jī)器人應(yīng)用于盾體焊縫自動焊接及切割的可行性。

[1]陳華斌，黃紅雨，林濤，等.機(jī)器人焊接智能化技術(shù)與研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2013,43（4）：8-15.

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[3]曾孔庚，李永剛.新一代焊接機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展[J].電焊機(jī)，2009，39（4）：14-17.

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