王含宇，崔 軍，張國濤

(新疆威奧科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834003)

便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)的設(shè)計

王含宇，崔 軍，張國濤

(新疆威奧科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834003)

支管和支管間狹小空間的相貫線自動焊接是一個難題，同時，一般相貫線焊接設(shè)備的吊裝不便也限制了相貫線自動切割、焊機(jī)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。根據(jù)對相貫線數(shù)學(xué)模型的研究，在充分了解了焊接生產(chǎn)需求和焊接工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種用于接管與筒體正交的馬鞍形焊縫的便攜式的相貫線切割、焊接一體機(jī)。通過采用輕量化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，達(dá)到了便攜式效果。重點介紹了控制系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，以及無線遙控器在線微量調(diào)節(jié)焊機(jī)參數(shù)的方案。

相貫線；切割；焊接；馬鞍型焊機(jī)

0 前言

在鍋爐、壓力容器、石油管道管線等的制造安裝過程中，相貫線的切割、焊接形式使用量很大。在國內(nèi)，這種空間曲線形式的切割通常是先在筒體上人工放樣，然后手工沿著相貫線軌跡進(jìn)行切割，最后打磨成型。手工切割勢必導(dǎo)致工人勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低，對工人的熟練程度和技術(shù)水平要求較高，有嚴(yán)格的要求，加工質(zhì)量和加工精度均得不到保證，產(chǎn)品一致性較差[1-2]。在焊接過程中，采用手工焊接的方法同樣存在與手工切割一樣的勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等問題。為此，北京航空航天大學(xué)研制了一種大型的騎座式相貫線焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)[3-4]。山東大學(xué)王新剛等人設(shè)計了一臺五軸聯(lián)動自動焊接機(jī)床[5]。國內(nèi)多家焊接裝備公司也研發(fā)了各自的相貫線焊接設(shè)備[6-9]。這幾款相貫線焊接設(shè)備雖然能解決一定量的相貫線焊接，但普遍存在焊接機(jī)器人或焊接專機(jī)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊前裝卡和焊后拆卸不便等問題。設(shè)備在施工現(xiàn)場使用時，一般都需要行車等起重設(shè)備先將其吊起，再安裝固定于待焊的支管上。如果需要焊接一個筒體上的多個相貫線接管、人孔，需要多次起吊、安裝，造成不便。當(dāng)各支管之間空間距離狹小時，相貫線機(jī)構(gòu)與接管可能發(fā)生干涉，無法完成自動焊接。為此，設(shè)計了一種用于接管與筒體正交的馬鞍形焊縫的便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)。該焊接切割一體機(jī)的最大特點是機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，簡便的自動裝夾方式，可實現(xiàn)單人裝夾、切割、焊接全套操作，不需要機(jī)械吊裝和裝夾，提高了生產(chǎn)效率。

1 相貫線數(shù)學(xué)模型的建立

查閱了相關(guān)文獻(xiàn)[1，3，4，6]，他們對兩圓柱正交相貫線的理論數(shù)學(xué)模型都做了推導(dǎo)和研究，兩圓柱正交相貫線示意如圖1所示。由圖1可知，相貫線空間坐標(biāo)系xyz下的各個軸投影的計算為

圖1 相貫線模型

式中 r為支管半徑；R為筒體半徑；θ為切割／焊接旋轉(zhuǎn)角度；x，y，z為投影到xyz坐標(biāo)軸上的相貫線曲線的空間位置。

由式(1)推導(dǎo)出槍頭隨相貫線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中的高度為

式中 h為相貫線在角度變化過程中的高度方向上的變化量；R為筒體半徑；r為支管半徑；θ為旋轉(zhuǎn)角度；v為旋轉(zhuǎn)速度；t為旋轉(zhuǎn)時間。

槍頭隨相貫線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中水平方向運(yùn)動的計算式為

式中 β為割槍角度；h為割槍高度；θ為切割旋轉(zhuǎn)角度；r為開孔半徑；R為筒體半徑；H為切割時橫臂水平方向位置。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)相貫線數(shù)學(xué)模型，設(shè)計出相貫線機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過槍頭姿態(tài)調(diào)整電機(jī)，調(diào)節(jié)槍頭姿態(tài)，使得槍頭始終位于相貫線焊縫上任意插補(bǔ)點處切線的法平面內(nèi)[10]。同時實現(xiàn)槍頭的焊接擺動功能。材料采用鋁合金型材，結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，總質(zhì)量不超過20 kg，一人可單手提起進(jìn)行裝夾，攜帶、安裝方便，體現(xiàn)了便攜式的優(yōu)勢。同時采用滾珠絲杠和直線滑軌，保證運(yùn)動執(zhí)行的精確度。采用三爪自定心卡盤支撐，自動找中，免去人工對中的繁瑣。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

3 控制方案設(shè)計

3.1 控制方案

相貫線切割焊接一體機(jī)的控制方案如圖3所示。

圖3 相貫線切割焊接一體機(jī)的控制方案

由圖3可知，便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)采用歐姆龍PLC作為核心控制單元，分別實現(xiàn)了無線遙控器的在線調(diào)節(jié)、人機(jī)界面交互、四軸聯(lián)動等控制功能。

將控制箱、人機(jī)界面、送絲機(jī)及焊接電源等設(shè)備整合為一個控制柜(見圖4)，置于焊接件旁。該便攜式切割焊接一體機(jī)切割時采用火焰切割；焊接時采用氣體保護(hù)焊；切換時，只需更換割槍和焊槍，修改人機(jī)界面參數(shù)即可，操作簡便。

3.2 人機(jī)界面

設(shè)計的人機(jī)操作界面如圖5所示。通過用戶輸入的筒體和接管參數(shù)，自動擬合相貫線曲線軌跡，實現(xiàn)自動的切割和焊接功能。同時，可設(shè)置焊接一鍵起動，焊槍擺動速度、幅度、左右停留時間，相貫線焊機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向等。

圖4 送絲、焊接電源及控制箱布局

圖6 人機(jī)操作界面

3.3 無線遙控器實時在線控制調(diào)節(jié)方案

筒體和支管的加工、筒體與支管的組對等過程中必然會產(chǎn)生一些變形和誤差量，導(dǎo)致用于切割或焊接的實際相貫線曲線與理論計算的相貫線之間存在隨機(jī)偏差量，且無法通過數(shù)學(xué)建模的方式解決。雖然支管與筒體由于裝配誤差所導(dǎo)致的偏差量并不大，但是如果忽略不補(bǔ)償，又會影響切割精度和焊接質(zhì)量，在偏差處產(chǎn)生缺陷。

為此，設(shè)計了一種無線遙控器方案[11]。無線遙控器方案是在切割或焊接過程中，讓切割或施焊的工人通過一個手持式無線遙控器在線微量調(diào)節(jié)割槍／焊槍的位置和角度，使得切割和焊接作業(yè)能夠應(yīng)對復(fù)雜的工況條件，達(dá)到合格的切割和焊接效果。無線遙控的技術(shù)方案采用波特率為9 600的無線收發(fā)通信模塊，將無線遙控器中的51單片機(jī)和控制柜中的PLC進(jìn)行串行通信。通過識別發(fā)射功能碼，PLC控制相應(yīng)電機(jī)驅(qū)動器，實現(xiàn)在線微調(diào)。

4 樣機(jī)及其技術(shù)指標(biāo)

便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)實物如圖6所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖6 樣機(jī)

表1 技術(shù)參數(shù)

5 工程應(yīng)用實例

2010年在中石化60萬t／年連續(xù)重整裝置的四合一重整進(jìn)料加熱爐集合管的批量制造項目中，該便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)在極短時間內(nèi)完成了焊接生產(chǎn)任務(wù)。該項目中集合管的規(guī)格為φ 660mm× 20.62 mm，材質(zhì)1／4CR-M01／2，其上騎座式均勻排布了30～34個直徑為φ 142 mm、材質(zhì)為F11的三級鍛支管接頭，且每個支管的中心距為256 mm，支管高度106 mm。根據(jù)焊接工藝要求，需采用單面焊全焊透的D類焊縫坡口[12]，實心CO2氣體保護(hù)焊。由于支管壁厚為30 mm，故平均每個坡口需要焊接約26道。同時，焊前預(yù)熱300℃，焊中加熱，焊后后熱。集合管坡口加工精度要求高，加工完畢后需對每個坡口表面實施滲透檢測工藝。

該項目中，密集的各個支管間空間狹小，施工密度大，施工條件惡劣，工程量大，且質(zhì)量要求高。若采用手工焊接，一個熟練焊工一天最多完成2～3個接頭的焊接工作量，且工作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大。由于支管和支管之間空間狹小，支管高度僅為106 mm，限制了一般相貫線焊接機(jī)在這個項目中的應(yīng)用。通過采用便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)成功解決狹小空間中的自動切割及焊接問題，使用自動焊完成了集合管的制造任務(wù)。在多層多道焊接過程中，通過采用正轉(zhuǎn)一遍，反轉(zhuǎn)一遍的方法，解決電纜纏繞問題。經(jīng)過現(xiàn)場實地測量，采用此焊接機(jī)后，極大提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，穩(wěn)定了焊接質(zhì)量。焊接完成后，進(jìn)行質(zhì)量檢測，焊縫外觀和成形良好，無可視缺陷。集合管的焊縫成形和集合管焊后效果如圖7所示。

圖7 集合管的焊后效果

6 結(jié)論

設(shè)計的便攜式相貫線切割焊接一體機(jī)具有便攜安裝、無線遙控在線調(diào)節(jié)焊接參數(shù)等特點，在工程實踐中取得良好效果，值得大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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A kind of portable cutting and welding all-in-one machine

WANG Han-yu，CUI Jun，ZHANG Guo-tao
(Weld-Auto Technologies Company，Qaramay 834003，China)

If the space between the branch pipes is narrow and small，automatic welding intersection line is difficult.At the same time, the ordinary intersection line welding machine is inconvenient hoisting which limited the application and dissemination.According study the intersection line's mathematical model，and lean the welding requirements and the welding process，the article designed a kind of portable cutting and welding all-in-one machine.Through the lightweight design，the machine could be portable.The article emphasis on the design of the control system，and the wireless remote control unit which could adjust the parameters online with micro-scale.

intersection lines；cutting；welding；saddle type welding machinene

TG409

A

1001-2303(2012)03-0055-04

2011-04-27

王含宇(1981—)，女，新疆克拉瑪依人，碩士，主要從事焊接自動化設(shè)備的研發(fā)工作。