劉華中，林曉東，吳征南

LIU Hua-zhong,LIN Xiao-dong,WU Zheng-nan

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

GIS柜，即氣體絕緣全封閉組合開關(guān)柜。組成GIS柜的箱體（以下簡稱氣箱）內(nèi)部充有一定壓強(qiáng)的絕緣氣體；氣箱要有很好的密封性和外觀，因此對焊接工藝有較高要求；機(jī)器人焊接代替人工焊接，解決了該焊接工藝問題，可以保證焊接定位、路徑、速度、工藝參數(shù)等的穩(wěn)定性，從而保證焊接質(zhì)量，包括密封性和外觀。

機(jī)器人性能可保證焊接位置準(zhǔn)確、速度穩(wěn)定，焊機(jī)性能可保證焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定，而機(jī)器人焊接定位則需要根據(jù)實際焊接工況分析解決。焊接定位包括焊前的位置檢測和焊接位置修正。焊前位置檢測是機(jī)器人自動焊接要解決的關(guān)鍵技術(shù)，檢測方式主要有非接觸式檢測和接觸式檢測兩種形式；根據(jù)工程實況分析，接觸式檢測相對簡便、成本低廉、易于實現(xiàn)，對氣箱的自動焊接效果理想。本文重點(diǎn)對焊前接觸式檢測技術(shù)進(jìn)行分析。

1 位置檢測分析

人工將單板拼接點(diǎn)焊成氣箱如圖1所示，接下來要進(jìn)行機(jī)器人自動焊接；點(diǎn)焊成形的氣箱焊接位置具有累積偏差，機(jī)器人只有先對氣箱的位置進(jìn)行檢測以確定當(dāng)前位置后，才能進(jìn)行自動定位和焊接。接觸式檢測采用探針檢測的形式，機(jī)器人腕部安裝固定有一個檢測探針如圖3所示，機(jī)器人移動探針使其接觸到工件的焊接位置同時產(chǎn)生接觸信號，此時機(jī)器人記錄下信號產(chǎn)生所在的位置數(shù)值，并與原基準(zhǔn)位置（不產(chǎn)生偏差時的位置或機(jī)器人程序中設(shè)定的位置）數(shù)值相比較，機(jī)器人計算出偏移值，通過該值計算出實際的焊接位置，從而機(jī)器人對焊接位置進(jìn)行修正并最終定位實現(xiàn)自動焊接。

氣箱單板的拼接方式有多種如圖2所示，拼接過程中由于板材的加工偏差等因素，使焊接位置發(fā)平行偏移（如圖3至圖6焊接位置從a平移至a′）或角向偏移（如圖7焊接位置從bd偏移至 b′ d）。

根據(jù)（如圖3所示）拼接形式分析檢測方法：檢測探針首先直立，沿水平方向移動接觸板材豎直面后產(chǎn)生接觸信號，機(jī)器人記錄下該位置與原基準(zhǔn)位置相比較得出偏移值B；檢測探針調(diào)整為水平姿態(tài)，豎直向下移動接觸到板材水平面后產(chǎn)生接觸信號，機(jī)器人記錄下該位置與原基準(zhǔn)位置相比較得出偏移值A(chǔ)（B和A的取值范圍為正負(fù)值）。最終確定焊縫從a偏移到a′的總偏移量，機(jī)器人根據(jù)該偏移量自動修正焊接位置，即在a′位置進(jìn)行焊接。

圖4中的焊縫位置a離板材邊界較遠(yuǎn)，在檢測方式上要做些調(diào)整，A偏移量的取得要將探針直立然后向下移動，使探針端部與板材接觸產(chǎn)生接觸信號，機(jī)器人記錄下該位置與原基準(zhǔn)位置相比較得出偏移值A(chǔ)；偏移值B的取得與圖3同。自動修正焊接位置，即在a′位置進(jìn)行焊接。雖然圖5拼接形式與圖3不同，但檢測形式相同。

圖6的拼接形式為兩個板材的搭接，在檢測方式上要做些特殊調(diào)整，首先可使探針直立，豎直向下移動使探針端部與下層板材面接觸產(chǎn)生接觸信號，機(jī)器人記錄下該位置與原基準(zhǔn)位置相比較得出偏移值A(chǔ)；接下來探針做微小提升使其不在接觸板材，然后水平移動探針接觸到上層板材邊沿產(chǎn)生接觸信號，機(jī)器人記錄下該位置與原基準(zhǔn)位置相比較得出偏移值B，最終確定焊縫從a偏移到a′的總偏移量，機(jī)器人根據(jù)該偏移量自動調(diào)整在a′位置進(jìn)行焊接。

根據(jù)實際工程現(xiàn)場分析，焊接位置平行偏移3～5mm范圍內(nèi)機(jī)器人都能夠通過探針自動檢測并自動進(jìn)行焊接位置調(diào)整。箱體的焊縫存在角向偏移的情況也比較普遍，為解決該偏移可以采用多點(diǎn)檢測的方式。

角向偏移在長直線段焊縫中容易出現(xiàn)，（如圖7所示）焊縫產(chǎn)生了角向偏移，即原直線段焊縫bd偏移為直線段焊縫b′d，左右側(cè)偏移量不相等。機(jī)器人對這種長直線焊縫的焊接應(yīng)采用多段線焊接的方式，即采用bc和cd兩條線段組合成bd線段的焊接形式進(jìn)行。機(jī)器人首先用探針對bcd三個端點(diǎn)位置進(jìn)行檢測分別檢測出其偏移量C （bb′）、cc′,機(jī)器人根據(jù)該偏移量自動調(diào)整沿b′、c′點(diǎn)位置進(jìn)行焊接，最終焊接位置調(diào)整為b′c′和c′d兩個直線段位置。

根據(jù)實際工況分析，有些氣箱由精加工板材拼接而成后，其長焊縫的角向偏移量最大值C＜2mm，根據(jù)此工況，機(jī)器人的焊縫檢測可以采用一種簡化方式進(jìn)行，即中點(diǎn)檢測方式如圖8所示。原基準(zhǔn)位置為bd線段，由于焊縫產(chǎn)生了角向偏移，偏移為直線段焊縫b′d，最大偏移值C（bb′）＜2mm；機(jī)器人可以利用探針只對中點(diǎn)c進(jìn)行檢測，檢測到的偏移值cc′也作為直線段的b點(diǎn)和d點(diǎn)的偏移值，最后產(chǎn)生的偏移位置點(diǎn)為b″、c′、d′，機(jī)器人沿 b″c′和c′d′線段路徑進(jìn)行焊接，此路徑偏離實際路徑最大值變?yōu)镈=b″b′=dd′根據(jù)中線定理，D=0.5C 即b″b′=dd′＜1mm此偏差值滿足機(jī)器人的自動定位和焊接。在此種工況下可以采用簡化的位置檢測形式。

2 結(jié)論

為實現(xiàn)有效的自動焊接定位，機(jī)器人系統(tǒng)要編程設(shè)計出焊前位置檢測和修正程序，以實現(xiàn)自動檢測和位置修正。機(jī)器人自動調(diào)整檢測姿態(tài)完成對柜體不同部位的檢測?？偪刂破鲗嶋H的檢測數(shù)據(jù)輸入到焊前位置檢測和修正程序中自動計算偏移量取得修正值，最終確定焊接位置。實際工程中檢測位置精度能達(dá)到±0.15mm以內(nèi)。

由于實現(xiàn)了焊前位置檢測，因此實現(xiàn)了焊前機(jī)器人對工件的自動定位，減少了人員對機(jī)器人的操作，不需要在焊接前人工校正焊接位置，焊接過程中不再出現(xiàn)焊接跑偏現(xiàn)象，也就不需要人工干預(yù)，提高了自動化程度；該技術(shù)不僅應(yīng)用在氣箱焊接工作上，對其他焊接領(lǐng)域也有參考意義。

[1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[2] 吳林. 焊接手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[3] 蔡蘭. 機(jī)械零件工藝性手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4] 于慶禎,李鋒. 電器設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 王先逵. 機(jī)械加工工藝手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[6] 孫大涌. 先進(jìn)制造技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,1999.