郭 欣 肖鐵忠② 黃 娟

(①四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)618000；②四川怡海精密機(jī)械有限公司，四川德陽(yáng)618000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水電資源理論蘊(yùn)藏量年發(fā)電量為6.08萬(wàn)億千瓦時(shí)，1912年4月，總裝機(jī)容量為480 kW的云南石龍壩水電站的建成揭開(kāi)了我國(guó)水電開(kāi)發(fā)史[1-3]。截至2017年底，中國(guó)水電裝機(jī)容量和發(fā)電量分別歷史性地突破3億千瓦和1萬(wàn)億千瓦時(shí)，穩(wěn)居世界第一，成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能減排的主力軍[4-6]?？梢?jiàn)水力發(fā)電已是未來(lái)可再生能源的重要發(fā)展方向。水利發(fā)電機(jī)組在工作的過(guò)程中，過(guò)流部件往往會(huì)受到不同程度的氣蝕、磨蝕[7]，故水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)行周期都要停機(jī)進(jìn)行檢修[8-9]。我國(guó)有大中型水電站230多座，每座水電站一般有機(jī)組4～20臺(tái)，3到5年需要進(jìn)行4個(gè)多月的停機(jī)維修，所以每年有幾百臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組需要大修，其中，每個(gè)機(jī)組有導(dǎo)葉20多片，修復(fù)量特別大[10-11]。目前，過(guò)流零部件以手動(dòng)修復(fù)為主，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、修復(fù)效率低、合格率只有80%左右，且修復(fù)后零件的機(jī)械加工量也大，一個(gè)導(dǎo)葉需要半天工時(shí)，因此對(duì)水輪機(jī)過(guò)流零部件進(jìn)行高效率修復(fù)已是急需解決的行業(yè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

本文提出了受損零件汽蝕部位自動(dòng)三維建模、自動(dòng)規(guī)劃工藝路徑及自動(dòng)焊接修復(fù)的全新工藝及設(shè)備方案，實(shí)現(xiàn)了除人工上下料之外的全自動(dòng)化，使單個(gè)導(dǎo)葉修復(fù)時(shí)間為40 min左右，機(jī)械加工時(shí)間為30 min左右，很好的解決了前述各項(xiàng)問(wèn)題。

1 技術(shù)要求

水輪機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)幾年后，就會(huì)在導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)等過(guò)流零部件的表面產(chǎn)生“蜂窩”狀的汽蝕凹坑，以活動(dòng)導(dǎo)葉為例，其形狀如圖1所示。

由圖1知，活動(dòng)導(dǎo)葉使用后會(huì)在其過(guò)流表面形成較深的汽蝕凹坑，并進(jìn)一步加快其損壞速度，最后影響整個(gè)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。為防止上述情況的發(fā)生，發(fā)電機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，需進(jìn)行修復(fù)處理。修復(fù)過(guò)程的主要技術(shù)要求總結(jié)如下:

(1)過(guò)流表面清潔處理。

(2)修復(fù)部位判定。

(3)修復(fù)工藝的確定。

(4)汽蝕部位焊補(bǔ)修復(fù)。

(5)機(jī)械加工。

綜上，工件過(guò)流表面汽蝕部位及程度完全不一致，目前以人工修復(fù)為主，主要存在修復(fù)質(zhì)量不穩(wěn)定、弧光及有害氣體對(duì)工人身體傷害大、合格率低等缺點(diǎn)。為解決上述缺陷，需采用全新的工藝及裝備對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，技術(shù)難度較大。

2 工藝分析

目前，針對(duì)此類(lèi)工件汽蝕缺陷部位的修復(fù)，主要以人工堆焊修復(fù)為主，其優(yōu)點(diǎn)是靈活性高，缺點(diǎn)是修復(fù)質(zhì)量完全取決于工人的技術(shù)水平，使得工件修復(fù)效率、合格率一直無(wú)法提升，極大的制約了修復(fù)質(zhì)量、周期及智能化、自動(dòng)化程度的提升。由于工作環(huán)境惡劣，對(duì)工人身體傷害大等原因使得企業(yè)用人成本居高不下。為有效解決上述問(wèn)題，本文提出了基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)掃描、自動(dòng)建模、自動(dòng)工藝路徑規(guī)劃、自動(dòng)焊補(bǔ)的工藝及裝備技術(shù)。整體工藝及機(jī)器人裝備方案如圖2所示。

其工藝流程如下:將汽蝕工件安裝于專(zhuān)用夾具上，機(jī)器人X、Y、Z三個(gè)軸調(diào)整好工件姿態(tài)及與掃描頭的距離，掃描頭滑臺(tái)帶著掃描頭對(duì)工件掃描，自動(dòng)生成工件三維模型，系統(tǒng)根據(jù)掃描模型按照預(yù)定工藝進(jìn)行堆焊路徑規(guī)劃，最后，機(jī)器人帶著焊槍按照堆焊路徑對(duì)工件進(jìn)行堆焊修復(fù)，完成一個(gè)工件的修復(fù)。

3 專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)如圖1a所示，工件兩端為軸，中間為板體，長(zhǎng)軸端有兩個(gè)軸頸，故選擇其中靠近板體的軸頸、板體的端平面及下平面作為定位基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)如圖3所示的定位機(jī)構(gòu)，其中定位套筒內(nèi)孔限制4個(gè)自由度，套筒端面限制1個(gè)自由度，兩個(gè)浮動(dòng)定位銷(xiāo)限制兩個(gè)自由度，即此機(jī)構(gòu)能對(duì)工件進(jìn)行完全定位。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，正確的定位位置可能會(huì)隨著工件的受力而發(fā)生改變，為使正確的加工位置保持不變，需設(shè)計(jì)合理的夾緊機(jī)構(gòu)，為提高自動(dòng)化程度及降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助機(jī)構(gòu)。本文在分析工件工藝情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、上下料及夾具自動(dòng)化程度等的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖4所示的夾緊機(jī)構(gòu)及輔助機(jī)構(gòu)。由圖4知，專(zhuān)用夾具設(shè)置了兩套夾緊機(jī)構(gòu)及一套輔助下料機(jī)構(gòu)。其工作原理如下:修復(fù)加工工作開(kāi)始時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)兩個(gè)夾緊氣缸通過(guò)頂桿帶動(dòng)上夾緊塊向上移動(dòng)，使夾緊機(jī)構(gòu)處于松開(kāi)位置，定位機(jī)構(gòu)的定位釘通過(guò)氣缸頂桿的作用向下運(yùn)動(dòng)，人工將工件插入定位導(dǎo)向套內(nèi)，使導(dǎo)向套右端面與工件板體左端面接觸，定位釘向上運(yùn)動(dòng)，與工件下表面接觸，使工件完全定位。夾緊機(jī)構(gòu)夾緊塊向下移動(dòng)，夾緊工件。啟動(dòng)自動(dòng)修復(fù)程序，程序控制焊槍按修復(fù)工藝移動(dòng)，對(duì)工件板體上表面缺陷部位進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，修復(fù)完畢后焊槍回到初始位置。定位釘向下運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)夾緊機(jī)構(gòu)，下料氣缸將工件向右頂出，與工人協(xié)同卸下工件。如此循環(huán)，進(jìn)行下一個(gè)工件的裝夾及修復(fù)工作。

4 修復(fù)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)利用庫(kù)卡機(jī)器人帶著視覺(jué)設(shè)備對(duì)汽蝕導(dǎo)葉進(jìn)行三維模型重構(gòu)，如圖5所示。通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的處理，獲得導(dǎo)葉的三維模型，并設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，對(duì)工件進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置主要由三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)、焊槍、專(zhuān)用控制系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將獲得的導(dǎo)葉三維模型導(dǎo)入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)按工藝要求自動(dòng)規(guī)劃程序，而后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行修復(fù)，實(shí)際修復(fù)后工件如圖7所示。經(jīng)后期時(shí)效、機(jī)械加工、探傷等處理，自動(dòng)修復(fù)的工件焊接層無(wú)任何氣孔、加工余量均勻，滿足實(shí)際使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)水利發(fā)電機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉修復(fù)工藝的分析，提出了自動(dòng)掃描三維重構(gòu)、自動(dòng)工藝路徑規(guī)劃、自動(dòng)堆焊修復(fù)的全新工藝方案。

(2)在此工藝方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動(dòng)修復(fù)專(zhuān)用機(jī)器人的整體布局方案，并對(duì)其專(zhuān)用夾具做了詳細(xì)說(shuō)明。

(3)利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)工件進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)顯示:單個(gè)導(dǎo)葉修復(fù)時(shí)間由原來(lái)的12 h縮短至40 min/件，合格率由原來(lái)的90%提升至99.9%以上，時(shí)效后機(jī)械加工時(shí)間由6 h/件縮短至30 min/件。