鄧克劍，曹杰，武志華，李璐，張峰源

（中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，山東煙臺 265100）

0 引言

防沖板用于碼頭減緩受船舶沖撞所用，整體為盒體狀，下部為鋼制品焊接成型的箱形結(jié)構(gòu)，沖擊一側(cè)結(jié)構(gòu)貼防沖擊面板，在不同的港口都得到廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)主要采用人工進(jìn)行，防沖板項(xiàng)目訂單量大、供貨周期短，一般從簽訂合同到交貨中間只間隔1個月左右，由于人工焊接效率低下，往往導(dǎo)致交貨時間后延，大批量訂單由于產(chǎn)能落后而喪失?，F(xiàn)在急需研發(fā)一套自動化設(shè)備[1]進(jìn)行防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)應(yīng)用。

1 自動化設(shè)備可行性分析

防沖板主體為箱型鋼結(jié)構(gòu)，其中一種箱型鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示，鋼板選用Q235B或Q355B材質(zhì)，板厚為8～40 mm，工件尺寸范圍長為3～10 m、寬為1.2～4.5 m、高為0.2～0.5 m，焊縫主要為角焊縫，主體鋼結(jié)構(gòu)簡單為田字格狀，采用熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝，焊絲直徑為1.2～1.6 mm，容易實(shí)現(xiàn)程序化、自動化批量生產(chǎn)。

圖1 一種防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)

需要研究開發(fā)一套適用于防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動焊接的設(shè)備，焊接設(shè)備包括焊接機(jī)器人（帶焊縫識別、跟蹤、控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置）及輔助生產(chǎn)工裝。焊接機(jī)器人的焊槍夾持機(jī)構(gòu)能到達(dá)內(nèi)部焊縫位置，能承載焊槍到達(dá)焊縫焊接位置和方位角度，具備小巧靈活特征，在焊槍端部配置信號采集系統(tǒng)，通過信號采集可實(shí)現(xiàn)對焊縫進(jìn)行識別、跟蹤和焊槍的控制功能。根據(jù)焊接產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究滿足焊接質(zhì)量要求的焊接方法；研究各構(gòu)件的組裝、焊接先后順序及焊接工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

2 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)采用行走式倒掛裝置由X向地軌、Y向橫梁、立柱、驅(qū)動部件等部分組成，2臺機(jī)器人倒掛安裝在Y向橫梁上。其中X向地軌最大范圍為11 m，最大行走速度可達(dá)10 m/min；Y向橫梁運(yùn)動范圍為4 m，最大行走速度可達(dá)12 m/min，機(jī)器人可在X、Y兩個方向運(yùn)動。防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接設(shè)備采取雙工位焊接，2臺機(jī)器人可以同時焊接1套大型工件，也可以分別焊接2套同規(guī)格的小型工件，在進(jìn)行焊接工作時互不產(chǎn)生干擾，占用空間為18 m× 8 m×5 m，如圖3所示。

圖3 防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接設(shè)備

行走式倒掛裝置作為六軸焊接機(jī)器人的聯(lián)動外部軸，可以通過離線編程[2]進(jìn)行編程，軌跡插補(bǔ)能與六軸焊接機(jī)器人整體系統(tǒng)聯(lián)動。由伺服電動機(jī)驅(qū)動減速機(jī)運(yùn)動，轉(zhuǎn)動過程中齒輪、齒條、齒輪嚙合聯(lián)合，三軸機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)所有運(yùn)動軸都附有集中潤滑裝置，可保證設(shè)備長時間可靠運(yùn)行。

2臺同規(guī)格六軸焊接機(jī)器人與行走式倒掛裝置有機(jī)結(jié)合在一起，配合同一地軌使用，使得行走式倒掛裝置配備焊接機(jī)器人工裝，具備系統(tǒng)柔性焊接功能和最大程度的焊接可達(dá)性，提升了防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)工件角焊縫的焊接可達(dá)率。

3 控制系統(tǒng)

通過PLC程序控制的方式[3-4]，配備2臺同軌六軸焊接機(jī)器人、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)、送絲筒、焊接電源等系列相關(guān)運(yùn)動工裝，構(gòu)成了防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接設(shè)備控制系統(tǒng)。其中上位機(jī)做主站，上位機(jī)與PLC及機(jī)器人采用總線通信方式。其他外部設(shè)備為從站，設(shè)有控制柜、機(jī)器人操作盒、人機(jī)操作界面、PLC控制器、急停按鈕、電源開關(guān)按鈕等。

具有焊接過程參數(shù)記錄功能[5]，可以把焊接過程中的電流、電壓、焊接速度、焊接線能量、施焊日期等內(nèi)容，進(jìn)行記錄、存儲，并可通過USB輸出、打印。

具有離線編程功能，可自定義分區(qū)域排列焊接順序，不同的焊接位置可調(diào)用不同的焊接工藝程序；具備焊道分層軌跡規(guī)劃、焊槍姿態(tài)控制及焊接工藝參數(shù)的控制功能。利用三維仿真軟件建立虛擬仿真環(huán)境，導(dǎo)入三維CAD模型根據(jù)實(shí)際布局圖擺放各模型的位置，如圖4所示。

圖4 仿真界面

采用離線編程技術(shù)可以減少機(jī)器人的示教時間，改善了機(jī)器人的編程環(huán)境，提高了機(jī)器人的編程效率和質(zhì)量，便于和CAD系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)一體化。

通過控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的控制，如清槍站、防碰撞傳感器等；控制系統(tǒng)可選配相應(yīng)功能的擴(kuò)展模塊，主控制器可升級。

在自動化焊接設(shè)備運(yùn)作時，控制系統(tǒng)軟件與硬件、六軸焊接機(jī)器人、送絲工裝、焊接電源等出現(xiàn)異常操作時，設(shè)備的控制系統(tǒng)會進(jìn)行自動診斷并進(jìn)行報(bào)警，操作界面上出現(xiàn)故障信息，保障系統(tǒng)的整體安全，排除系統(tǒng)故障后可以實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)焊功能。

通過控制程序設(shè)計(jì)多級別系統(tǒng)操作權(quán)限，權(quán)限分為一般操作者、高級操作者等，不同的權(quán)限只能操作相應(yīng)按鈕或修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而增加系統(tǒng)的安全性。

防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接系統(tǒng)的控制面板采用10 in的觸摸屏，如圖5所示，設(shè)備在工作運(yùn)作工程中的所有參數(shù)均可在觸摸屏上進(jìn)行顯示、操作、修改。

圖5 焊接控制面板

自動焊接起始順序號主要用來定義選擇防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部焊縫的具體焊接順序，用來減少熱變形或者遵循焊接要求。在防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)批量化自動焊接生產(chǎn)中，產(chǎn)品中具備特殊焊縫時，選擇手工焊接模式進(jìn)行焊接模塊編程，調(diào)試焊接參數(shù)，設(shè)備可以根據(jù)新的編程模塊引導(dǎo)跟蹤焊接順序，以方便特殊焊縫的焊接。

4 電弧跟蹤功能

防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中采用氣體保護(hù)熔化極電弧自動焊，由于鋼板下料加工、工件組裝或者焊接變型等誤差，造成機(jī)器人焊接軌跡與實(shí)際焊縫位置有所偏離。電弧跟蹤用于補(bǔ)償焊接軌跡與實(shí)際焊縫位置之間的偏離量，使機(jī)器人焊接軌跡始終與實(shí)際焊縫位置一致。

焊接時焊接電流根據(jù)歐姆定律：I=U/R（由于焊機(jī)都是恒壓電源，無論外部環(huán)境如何改變，焊機(jī)輸出電壓始終不變；焊接回路電阻R隨著焊槍焊絲延長量的增加而顯著增加；焊接電流I隨著R的增大而減?。┯?jì)算，隨著焊槍尖端與工件表面的距離增大而減小，當(dāng)焊縫位置存在垂直或水平方向的偏差，機(jī)器人會根據(jù)實(shí)時電流值的變化確定焊接路徑的偏移并進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，如圖6所示。

圖6 偏移補(bǔ)償圖

工件存在上下方向的加工誤差、裝配誤差或者焊接變形采用電弧上下方向跟蹤模式。焊接工作時對比實(shí)際焊接電流值與基準(zhǔn)電流值，進(jìn)行路徑補(bǔ)償。當(dāng)實(shí)際電流大于基準(zhǔn)電流，機(jī)器人向上補(bǔ)償；當(dāng)實(shí)際電流小于基準(zhǔn)電流時，機(jī)器人向下補(bǔ)償。此時基準(zhǔn)電流值是指采集焊接起弧后一定時間內(nèi)的平均電流作為基準(zhǔn)電流值或者焊接開始前預(yù)先設(shè)定基準(zhǔn)電流值。

擺動焊接時，工件存在左右方向的加工誤差、裝配誤差或者焊接變形采用電弧左右方向跟蹤。焊接工作時焊槍尖端沿著焊縫中心線擺動時，電流波形呈左右對稱型，在焊槍偏離焊縫中心時，電流波形左右不對稱，機(jī)器人根據(jù)左、右側(cè)電流大小確定焊縫偏移位置，進(jìn)行補(bǔ)償。

5 焊槍清潔裝置

清槍站是專為機(jī)器人焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)的焊槍清理裝置，該裝置安裝方便、性能穩(wěn)定可靠。清槍、剪絲、噴油3種功能集成在一個工作平臺，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便。此工裝中裝配了高精度、高剛性的氣缸，重復(fù)定位精度高，配TCP定位針全自動清槍，無需人工操作。

清槍工藝流程如下：每次焊縫焊接完成后，清槍程序正式啟動，焊槍運(yùn)動至指定清槍位置，控制系統(tǒng)檢測到位點(diǎn)信號后，焊槍被自動夾緊固定，氣動馬達(dá)上升至潔槍工裝內(nèi)部，鉸刀開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)停止后，工裝內(nèi)部的防堵液自動噴出防止焊槍堵塞，氣動馬達(dá)下降，焊槍退出潔槍工裝后，清槍程序結(jié)束，自動完成清槍，時長共計(jì)2 s。

在焊接過程中保證焊接質(zhì)量，提高機(jī)器人的利用率，焊槍內(nèi)部的飛濺必須不定期清理。機(jī)器人系統(tǒng)可以編制相應(yīng)的程序定期將焊槍送往清槍站進(jìn)行飛濺物清理。

6 實(shí)體焊接

6.1 焊接工藝

人工按照防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)的尺寸，在組裝車間將零散的小件組合焊接成單體，單體根據(jù)圖樣要求進(jìn)行拼裝點(diǎn)焊固定。

點(diǎn)焊組對后的防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)由工人吊裝放置在工作臺上，總控制臺發(fā)出焊接指令，焊接機(jī)器人配合行走式倒掛裝置對焊縫進(jìn)行焊接，焊接過程中控制系統(tǒng)通過焊接速度控制送絲系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)送絲；1條焊縫焊接完成后，自動開始焊接第2條焊縫，直至全部焊縫焊接完成，機(jī)器人回到安全位置，人工將工件吊出工位，焊接工藝流程如圖7所示。

圖7 焊接工藝流程

6.2 工藝分析

防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)主體采用人工組隊(duì)的方式進(jìn)行單體小件焊接，組隊(duì)間隙是2 mm，因前序單體焊接工序會導(dǎo)致單體變形，單體之間拼裝時焊縫偏差需要保持在5 mm之內(nèi)。

自動化設(shè)備進(jìn)行單體焊接時要求組隊(duì)間隙為2 mm，人工點(diǎn)焊組隊(duì)之后放置在焊接平臺上；箱型鋼結(jié)構(gòu)整體焊接時經(jīng)人工拼裝點(diǎn)焊，長焊縫的位置偏差不能超過20 mm。焊縫間隙不能超過2 mm，通過焊接機(jī)器人自動尋位后采用擺動焊接工藝進(jìn)行滿焊。

6.3 檢測結(jié)果

焊接后對防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)按照AWS D1.1-2000 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)檢測，焊縫表面無裂紋與母材平順合為一體，沒有咬邊現(xiàn)象發(fā)生，弧坑填焊至焊縫橫截面飽滿，焊縫余高小于3 mm，目視檢測結(jié)果滿足一級焊縫檢測要求。所有的角焊縫滿足10%的MT檢測要求；平板拼接時，滿足10%的UT檢測及10%的MT檢測要求。防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接設(shè)備，焊槍槍頭可以實(shí)現(xiàn)上下、左右、各種角度變換調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)T型板焊縫、田字格板焊縫和孔塞焊，滿足260 mm×260 mm最小內(nèi)部空間焊接，焊后產(chǎn)品一次合格率達(dá)到99%。

防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接設(shè)備可以雙工位同時進(jìn)行焊接，對于角焊縫和板對接焊縫，以直線1 m焊縫長度進(jìn)行單道焊接計(jì)算：機(jī)器人運(yùn)動+識別+焊接時間約為85 s；工件尺寸以4790 mm ×2340 mm×175 mm計(jì)算，1 d可以焊接生產(chǎn)10套，較人工焊接效率提升400%。

7 結(jié)語

防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接設(shè)備是由2臺同軌六軸焊接機(jī)器人、送絲筒、焊接電源、配套專用焊槍、防碰撞傳感器、電弧跟蹤系統(tǒng)、焊接工作臺、操控系統(tǒng)等部件組成。行走式倒掛裝置配備焊接機(jī)器人，有效地保證焊接姿態(tài)和焊接合格率，2臺機(jī)器人同步或異步進(jìn)行防沖板焊接，可以加倍提高焊接生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)防沖板箱型鋼結(jié)構(gòu)自動焊焊接設(shè)備可以代替人工，提升生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量和成型效果，有效糾正工件下料與組對偏差，縮短工期，降低人員和施工成本,可以在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。