郭世祥

摘 要：介紹船舶管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)及其應(yīng)用，提高管系焊接效率和質(zhì)量，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，在保證船舶管系加工進(jìn)度的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能減排目的。

關(guān)鍵詞：高效焊接；機(jī)器人；船舶管系；節(jié)能減排；

中圖分類號(hào)：U671.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

在造船殼、舾、涂管理日趨完善的前提下，提高船舶管系加工生產(chǎn)效率，縮短管系的焊接周期和確保焊接質(zhì)量，是船舶企業(yè)急需解決的一個(gè)重要課題。

船舶管系被喻為船舶的“血管”，承擔(dān)著水、氣、動(dòng)力燃料的供給，是確保船舶動(dòng)力裝置、甲板設(shè)備、壓載系統(tǒng)、生活設(shè)施等設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全航行的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。如果聯(lián)接高溫、高壓設(shè)備的管系，焊縫出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問(wèn)題，將會(huì)造成船舶的災(zāi)難性事故。

國(guó)內(nèi)船企在管系加工中，一般是以CO2氣體保護(hù)手工焊為主，其生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量均有待提高，而應(yīng)用焊接機(jī)器人，可以起到縮短生產(chǎn)周期和提高焊接質(zhì)量的作用。

2 管系焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

焊接技術(shù)是造船的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，各船舶企業(yè)都在推廣應(yīng)用焊接新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，其中焊接機(jī)器人得到特別的青睞。船舶管系焊接機(jī)器人，是指在直管-法蘭（套管）生產(chǎn)中使用的焊接機(jī)器人。

應(yīng)用船舶管系焊接機(jī)器人時(shí)，必須考慮以下幾方面因素：

（1）管子的管徑、壁厚、管長(zhǎng)等規(guī)格繁多；

（2）管子表面公差：橢圓度、壁厚、長(zhǎng)度；管子與法蘭裝配間隙和定位偏差；

（3）作為管系生產(chǎn)流水線的組成部分，必須要有接收上道工序數(shù)據(jù)的通信功能；

（4）設(shè)備的穩(wěn)定性、操作簡(jiǎn)易性等。

3 管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)的管徑范圍

船舶管系焊接機(jī)器人，可以用于不同管徑的直管-法蘭（套管）焊接。但受到夾緊系統(tǒng)的卡盤張合范圍的制約，最好分成小徑管、中徑管、大徑管等規(guī)格。其中，適用性最好的是中徑管焊接機(jī)器人。

文船的中徑管船舶管系焊接機(jī)器人，其焊接系統(tǒng)程序預(yù)設(shè)了5種管徑：Φ114、Φ140、Φ168、Φ219、Φ273 mm，管壁厚為：4.5～13 mm，共19種組合；管子長(zhǎng)度在0.8～6 m的直管法蘭焊接和直管套管焊接。船企也可根據(jù)自己的管系生產(chǎn)實(shí)際情況，提出預(yù)設(shè)適合自己的具體規(guī)格組成需求。

4 管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成

焊接機(jī)器人系統(tǒng)采用兩端雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)、自動(dòng)上下料、自動(dòng)定位和夾緊、管子兩端同步焊接的全自動(dòng)化生產(chǎn)方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由焊接機(jī)器人系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制與通信系統(tǒng)、工件夾緊與定長(zhǎng)系統(tǒng)構(gòu)成。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要包括：機(jī)器人、焊接電源、輔助裝置等。

機(jī)器人的選擇著重考慮穩(wěn)定性、功能性、性價(jià)比等，還要考慮售后服務(wù)有保證、操作方便、中文示教界面等；

焊接電源是系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，由于采用管子兩端同步焊接，對(duì)電源的引弧成功率要求很高，要避免斷弧引起焊接質(zhì)量問(wèn)題，并配置相應(yīng)的機(jī)器人專用焊槍；

輔助裝置包括：焊槍自動(dòng)清理、噴油、剪絲系統(tǒng)。

機(jī)器人焊接對(duì)被焊工件的尺寸和裝配精度要求較高：（1）被焊工件的尺寸和裝配偏差造成的定位偏差應(yīng)≤0.5 mm；（2）管子與法蘭（套管）的裝配間隙：壁厚5～8 mm，裝配間隙≤1 mm；壁厚8～13 mm，裝配間隙≤1.5 mm；（3）長(zhǎng)度偏差：下料長(zhǎng)度偏差≈±1 mm，裝配長(zhǎng)度偏差≈±1 mm；（4）自動(dòng)上料位置偏差≈±5 mm。

因此，焊接機(jī)器人系統(tǒng)必須要有焊縫起弧點(diǎn)的自動(dòng)尋找和焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)?？刹捎媒佑|式焊縫起始位置尋找傳感系統(tǒng)，通過(guò)焊絲與工件接觸方式讓機(jī)器人獲取焊縫偏差數(shù)據(jù)后，自行調(diào)整焊縫起弧點(diǎn)位置。焊縫跟蹤采用擺動(dòng)式電弧跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)采集焊縫電流電壓，機(jī)器人計(jì)算焊槍高度和對(duì)中的偏差，自行調(diào)整焊槍位置。

至于管子橢圓度、管徑偏差、管子與法蘭（套管）的裝配間隙和同心度等問(wèn)題，只能通過(guò)加強(qiáng)上工序的質(zhì)量控制，或采用法蘭較裝機(jī)裝配管子，來(lái)滿足機(jī)器人對(duì)管子裝配精度的要求。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)的工況是：多種管徑、不同壁厚、不同管長(zhǎng)的混流生產(chǎn)方式，控制系統(tǒng)既要滿足焊接過(guò)程的管理、控制、監(jiān)視，又要滿足混流生產(chǎn)的協(xié)調(diào)、識(shí)別、通信等要求，對(duì)總控制系統(tǒng)的要求非常高，因此采用的是多級(jí)控制系統(tǒng)。第一級(jí)，用工控機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，接收上工序：管徑、壁厚、管長(zhǎng)、法蘭（套管）規(guī)格、轉(zhuǎn)角等信息數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理后，產(chǎn)生相關(guān)控制信息，傳給下一級(jí)；第二級(jí)，由邏輯控制模塊接收上級(jí)傳入的控制信息，完成定位、上下料和焊接過(guò)程控制，將控制信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)控制代碼，控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成小車定位和夾緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)將控制代碼傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)；第三級(jí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)，自動(dòng)選擇相應(yīng)的運(yùn)行程序，通過(guò)傳感系統(tǒng)自行完成焊縫檢測(cè)和跟蹤，由邏輯控制模塊發(fā)出引弧指令，同時(shí)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)管子，并控制焊接速度，協(xié)調(diào)控制完成焊接過(guò)程。

整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，邏輯控制模塊負(fù)責(zé)故障監(jiān)控、保護(hù)、協(xié)調(diào)和管理工作。多級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮每級(jí)控制器的優(yōu)勢(shì)，保證總控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。多級(jí)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

為克服管子的橢圓、撓曲、裝配間隙等問(wèn)題，采用自動(dòng)卡盤和伺服電氣傳動(dòng)方式。針對(duì)管長(zhǎng)范圍0.8～ 6 m特點(diǎn)，采用基于控制信息的小車伺服定長(zhǎng)系統(tǒng)，自動(dòng)適應(yīng)不同管長(zhǎng)。

船舶管系焊接機(jī)器人已經(jīng)在文船生產(chǎn)應(yīng)用，見(jiàn)圖2根據(jù)焊接工藝的要求，對(duì)不同壁厚的管子，內(nèi)角焊采用1-2層焊接，外角焊采用1-3層焊接，并按不同的焊角要求，采用不同的焊接工藝參數(shù)。

管件焊接所需數(shù)據(jù)、指令，從操作臺(tái)上的彩色觸摸液晶屏上可直接輸入。

船舶管系焊接機(jī)器人加工效率：該系統(tǒng)配備2名管銅工和1名焊工，年產(chǎn)管子20000根。按每人每月生產(chǎn)100根管子計(jì)算，相當(dāng)于16名管銅工、焊工的工作量，并節(jié)省了大量的打磨工時(shí)。

節(jié)能減排效果和經(jīng)濟(jì)效益分析：應(yīng)用管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)，管子焊縫成形好，不用打磨；減少了管子吊運(yùn)次數(shù)，即節(jié)省了起重機(jī)吊運(yùn)次數(shù)；同時(shí)節(jié)約了打磨機(jī)的能耗。

船舶管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)，按年產(chǎn)管子20000根、人工成本7萬(wàn)元/年計(jì)算，3個(gè)人做了16個(gè)人的活，可節(jié)省人工成本91萬(wàn)元；同時(shí)節(jié)約起重機(jī)、打磨機(jī)的能耗，每年折算為3萬(wàn)度電，可節(jié)省電費(fèi)3萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

船舶管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管子-法蘭（套管）自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，質(zhì)量保證，焊縫美觀，生產(chǎn)效率高，節(jié)約大量的焊接工時(shí)和打磨等后續(xù)處理工時(shí)，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，減少了焊接中對(duì)焊工生產(chǎn)技能的依賴，只要有基本技能，憑借設(shè)備輔助，就能夠達(dá)到管系焊接的工藝、質(zhì)量要求。另外，船舶管系焊接機(jī)器人系統(tǒng)，能夠?yàn)榇蟮墓?jié)能減排作出貢獻(xiàn)。

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