羅 雨，張中亮，焦向東，楊成功

（1.北京石油化工學(xué)院能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京高校工程研究中心，北京102617；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

球罐全位置焊接機(jī)器人研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

羅 雨1，張中亮2，焦向東1，楊成功1

（1.北京石油化工學(xué)院能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京高校工程研究中心，北京102617；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

隨著我國能源工業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，球罐與儲(chǔ)罐工程建設(shè)的又一次高峰期已經(jīng)到來，球罐全位置焊接機(jī)器人作為球罐制造中的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用可大幅提高球罐的焊接質(zhì)量和焊接效率。綜述了球罐全位置焊接機(jī)器人的發(fā)展概況和研究現(xiàn)狀，從工程應(yīng)用發(fā)展角度出發(fā)，分析了球罐全位置焊接過程中關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。

球罐焊接；全位置焊接機(jī)器人；多層多道焊縫跟蹤；多機(jī)器人協(xié)同控制

0 前言

隨著我國能源工業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，球罐與儲(chǔ)罐工程建設(shè)的又一次高峰期已經(jīng)到來。在國家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備建設(shè)的同時(shí)，我國的商業(yè)儲(chǔ)備建設(shè)也在進(jìn)行。國內(nèi)煉油化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，液化氣、乙烯等高溫高壓、易燃易爆產(chǎn)品儲(chǔ)存設(shè)施不斷地向大型化、規(guī)?；l(fā)展，使大型球罐群在煉化工程中得到普遍應(yīng)用。傳統(tǒng)焊條電弧焊接工藝效率低的弊端日顯突出，球罐全位置焊接機(jī)器人成為石化建設(shè)者的夢想。

1 球罐全位置焊接機(jī)器人

1.1 發(fā)展概況

國外從20世紀(jì)70年代起，相續(xù)對埋弧焊、藥芯焊絲自保護(hù)焊機(jī)MIG焊等方法應(yīng)用與球罐全位置自

動(dòng)焊的問題進(jìn)行了研究。美國林肯等公司于20世紀(jì)80年代在自保護(hù)全位置自動(dòng)焊應(yīng)用上取得了成功，研制出可用于球罐全位置自動(dòng)焊的自保護(hù)焊絲及自動(dòng)焊機(jī)（NR203藥芯焊絲、BUG-O自動(dòng)焊頭），這一技術(shù)已應(yīng)用于美、日等國的球罐以及其他類的壓力容器；1985年日本的三菱重工還曾建造了15臺容積為25 000 m3的球罐，采取以MIG焊接工藝為主的自動(dòng)焊，自動(dòng)焊的比率達(dá)到了95％以上。我國的球罐自動(dòng)化焊接仍處于試驗(yàn)研究階段。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)曾就MIG焊用于球罐全位置焊自動(dòng)焊進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但最終沒有得到實(shí)際應(yīng)用。1993年起，中國石化第三建設(shè)公司等單位從美國引進(jìn)了球罐全位置焊接設(shè)備（BUG-O系統(tǒng)），該設(shè)備主要由爬行機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔性或半柔性軌道等部分組成。幾年來，中石化三建公司應(yīng)用此設(shè)備對球罐的縱縫、環(huán)縫焊接進(jìn)行了各種試驗(yàn)及工藝評定，并用其完成9臺容積為1 000 m3的球罐及4臺4 000 m3球罐的焊接，全部縱縫、環(huán)縫均采用自動(dòng)焊，工藝方法主要是藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊。這些球罐的一次焊接合格率達(dá)95％以上，最高達(dá)98.7％，為我國大型球罐現(xiàn)場全位置自動(dòng)焊接技術(shù)開創(chuàng)了良好的前景。但也應(yīng)該指出，該系統(tǒng)沒有焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)美國焊接學(xué)會(huì)的定義，該系統(tǒng)還不構(gòu)成自動(dòng)化焊接。實(shí)際上這套系統(tǒng)在使用時(shí)，仍要求操作者對焊炬進(jìn)行調(diào)整與焊縫對中，因而其自動(dòng)化程度還是很不理想。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國外的球罐全位置自動(dòng)焊接設(shè)備比較齊全。典型的如美國BUG-O和A.O.Smith公司的焊機(jī)、加拿大Servo-robot和GULLCO OSCILLATOR公司的焊機(jī)、瑞典ESAB公司的焊機(jī)。

BUG-O公司生產(chǎn)的全位置焊接設(shè)備主要由爬行機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔性或半柔性軌道等部分組成[1]。如圖1所示，在焊接過程中，該系統(tǒng)要求操作者仔細(xì)觀察熔池并不斷調(diào)整焊炬來對中焊縫，由于該系統(tǒng)沒有焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，僅解決了球罐全位置焊接的機(jī)械化問題，其自動(dòng)化程度不夠理想。

圖1 K-BUG 6000型球罐焊接機(jī)器人

GULLCO OSCILLATOR公司的焊機(jī)與美國BUG-O公司的產(chǎn)品類似，如圖2所示。該公司產(chǎn)品使用藥芯氣保護(hù)和自保護(hù)焊絲，產(chǎn)品的高低調(diào)整和橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)沒有電機(jī)，都由焊工使用手動(dòng)輪機(jī)械調(diào)節(jié)，焊接過程中沒有擺動(dòng)，該類產(chǎn)品同樣只解決了球罐全位置焊接的機(jī)械化問題，其自動(dòng)化程度較低，由于沒有擺動(dòng)焊接成形質(zhì)量較差[2]。

圖2 GULLCO OSCILLATOR球罐焊接機(jī)器人

瑞典ESAB公司的Railtrac FWR1000型機(jī)器人如圖3所示，Railtrac是一種可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化焊接應(yīng)用的系統(tǒng)。該機(jī)械系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可控性較強(qiáng)、控制精度也高，帶驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)和反向回焊功能，可根據(jù)自帶的專家系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃焊接參數(shù)，由于無焊縫跟蹤功能，且該焊接機(jī)器人產(chǎn)品價(jià)格昂貴，在球罐焊接領(lǐng)域還沒大量應(yīng)用，該系統(tǒng)鐵路軌道焊接領(lǐng)域應(yīng)用較多[3]。

圖3 Railtrac FWR1000型機(jī)器人

加拿大Servo-robot公司的焊機(jī)性能適用性較好，其生產(chǎn)的MWR-100/350TM型便攜式機(jī)器人是一套創(chuàng)新的有視覺且完全可編程的移動(dòng)式焊接機(jī)器人，如圖4所示。這套三軸機(jī)器人能夠用于各種焊接材料及焊縫類型的全位置焊接。此系統(tǒng)的便攜性

能夠?qū)⑵渲糜谙袂蚬?、?chǔ)罐、船板加強(qiáng)筋以及采礦設(shè)備這樣的大型焊接件上進(jìn)行工作，系統(tǒng)操作簡單，可以同時(shí)操作幾套系統(tǒng)，進(jìn)一步降低了操作成本。集成式的激光視覺焊接跟蹤系統(tǒng)配備了2D彩色視頻攝像頭，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程示教及過程監(jiān)控，同時(shí)讓操作員遠(yuǎn)離惡劣的焊接區(qū)域。該機(jī)器人在美國的核潛艇制造上應(yīng)用較多，由于配備視覺跟蹤模塊，該機(jī)器人產(chǎn)品的價(jià)格也最為昂貴[4]。

圖4 MWR-100/350型焊接機(jī)器人

目前我國的球罐自動(dòng)化焊接仍處于試驗(yàn)研究階段。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)就MIG焊用于球罐全位置焊自動(dòng)焊進(jìn)行過試驗(yàn)研究，但最終沒有得到實(shí)際應(yīng)用。1993年起，中國石化第三建設(shè)公司等單位從美國引進(jìn)了球罐全位置焊接設(shè)備（BUG-O系統(tǒng)），該設(shè)備主要由爬行機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔性或半柔性軌道等部分組成。幾年來，中石化三建公司應(yīng)用此設(shè)備對球罐的縱縫、環(huán)縫焊接進(jìn)行了各種試驗(yàn)及工藝評定，并用其完成9臺容積為1 000 m3的球罐及4臺4 000 m3球罐的焊接，全部縱縫、環(huán)縫均采用自動(dòng)焊，工藝方法主要是藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊。這些球罐的一次焊接合格率達(dá)95％以上，最高達(dá)98.7％，為我國大型球罐現(xiàn)場全位置自動(dòng)焊接技術(shù)開創(chuàng)了良好的前景。但也應(yīng)該指出，該系統(tǒng)沒有焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)美國焊接學(xué)會(huì)的定義，該系統(tǒng)還不構(gòu)成自動(dòng)化焊接。三建與十建公司在球罐自動(dòng)焊工作中采用美國的BUG-O型焊車及加拿大的GULLCO OSCILLATOR型自動(dòng)焊車，這些設(shè)備均需要人工調(diào)節(jié)焊縫對中，因此仍需要進(jìn)一步解決自動(dòng)跟蹤及焊縫參數(shù)的自適應(yīng)控制等問題。

國內(nèi)一些高校、科研機(jī)構(gòu)在吸收國外產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，并在國家863計(jì)劃的支持下，先后開展了球罐全位置焊接機(jī)器人的研究。北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化無導(dǎo)軌、有導(dǎo)軌及柔性導(dǎo)軌全位置智能焊接機(jī)器人，包括焊接機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)械接觸跟蹤、焊縫軌跡示教、焊接工藝參數(shù)管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究[5-7]。

圖5 RHC-3柔性導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人

RHC-3柔性導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)適用于柔性軌道和圓軌道，能夠較好地完成復(fù)雜工件的多種焊縫的現(xiàn)場焊接，尤其是球罐全位置焊接的工藝要求。但該系統(tǒng)沒有自動(dòng)跟蹤功能，在焊接過程中還需要焊工實(shí)時(shí)觀察熔池，通過手控盒實(shí)時(shí)調(diào)整高低和擺心才能保證良好焊接質(zhì)量，勞動(dòng)強(qiáng)度仍然很大[8]。

圖6 BIPT-5無導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人

BIPT-5無導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人使用了CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲全位置多層多道焊的工藝技術(shù)。如圖6所示，該機(jī)器人采用柔性磁輪式機(jī)構(gòu)和CCD光電測控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無導(dǎo)軌全位置自由行走和球罐多層多道焊的實(shí)時(shí)跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)問題，該機(jī)器人能對球罐內(nèi)外縱縫、橫縫及仰縫進(jìn)行無導(dǎo)軌全自動(dòng)焊接，達(dá)到了高效率、高質(zhì)量、無人實(shí)時(shí)操作、低勞動(dòng)強(qiáng)度。但由于該機(jī)器人系統(tǒng)的跟蹤精度及穩(wěn)定性還有待提高，仍具有一定的局限性，迄今為止還未見大規(guī)模的現(xiàn)場應(yīng)用[9]。

唐山開元機(jī)器人有限公司推出一款全自動(dòng)焊接機(jī)器人MICROBO，如圖7所示，該機(jī)器人配備具有磁性的柔性導(dǎo)軌，可完成全位置焊接，該機(jī)器人體積小、便于攜帶搬運(yùn)、易安裝。系統(tǒng)具有全自動(dòng)傳感功能，無需示教和繁瑣的數(shù)據(jù)輸入，檢測，工藝規(guī)范、焊接自動(dòng)完成。接觸傳感自動(dòng)識別焊縫起始點(diǎn)、母材板厚、坡口角度、根部間隙等相關(guān)信息，并自動(dòng)生成焊接條件。該機(jī)器人操作簡單，1人可操作2臺以上，還可進(jìn)行多機(jī)器人群控實(shí)現(xiàn)焊接任務(wù)的協(xié)調(diào)操作。由于該系統(tǒng)使用多種傳感方式，價(jià)格較同類產(chǎn)品昂貴[10]。

MICROBO便攜式全自動(dòng)焊接機(jī)器人主要應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁、造船、通用機(jī)械等行業(yè)的中厚板結(jié)構(gòu)件廠內(nèi)制造及現(xiàn)場安裝的焊接。MICROBO具有焊縫信息自動(dòng)檢測、工藝規(guī)范自動(dòng)生成功能，全自動(dòng)完成多層多道焊接；體積小、可搬運(yùn)、易安裝；可完成平焊、角焊、橫焊、立焊及爬坡焊等多種焊接位置作業(yè)。迷你的機(jī)身、便捷的操作、強(qiáng)大的功能、卓越的焊接品質(zhì)，使MICROBO成為焊接行業(yè)的新亮點(diǎn)。

圖7 MICROBO便攜式全自動(dòng)焊接機(jī)器人

以提高焊接質(zhì)量及效率、縮短工期、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本以及解決球罐焊工培養(yǎng)、流失嚴(yán)重等問題為目的，國內(nèi)外球罐焊接機(jī)器人朝著操作自動(dòng)化、功能智能化及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。圍繞著球罐組焊全位置藥芯焊絲焊接工藝、焊縫自動(dòng)跟蹤控制技術(shù)及球罐組焊生產(chǎn)線多機(jī)器人集群控制網(wǎng)絡(luò)的等關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外球罐焊接設(shè)備經(jīng)歷了機(jī)械化操作向全位置自動(dòng)焊接機(jī)器人的發(fā)展，球罐全位置焊接機(jī)器人可分為三代。第一代是跟蹤示教型，這種機(jī)器人的特點(diǎn)是焊接前需要在軌道上試車，同時(shí)通過機(jī)械接觸式傳感器及激光傳感器等測量設(shè)備，監(jiān)測管道坡口的變化情況，并將變化量儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，以供焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，如美國BUG-O公司的K-BUG6000型機(jī)器人及北京石油化工學(xué)院的RHC-3型柔性導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人；這種方法已經(jīng)得到了一定量的應(yīng)用，但由于參數(shù)調(diào)節(jié)缺乏實(shí)效性，往往難以實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤。第二代是自適應(yīng)焊接機(jī)器人，這種機(jī)器人克服了第一代跟蹤示教機(jī)器人的缺點(diǎn)，通過配備的視覺傳感器可以檢測焊縫的實(shí)時(shí)變化并對焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有很高的焊接精度和可靠性且不易受裝配精度的影響，是目前市場上應(yīng)用最為廣泛管道焊接機(jī)器人并逐步取代跟蹤示教型機(jī)器人，如加拿大Servo-robot公司的MWR-100/350TM型機(jī)器人和北京石油化工學(xué)院的BIPT-5無導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人；但這種焊接機(jī)器人的焊接質(zhì)量的好壞依然依賴于操作人員的參數(shù)選擇和操作，因此還有很大的提升空間。第三代是智能型焊接機(jī)器人，隨著3D掃描技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，第三代管道焊接機(jī)器人將具有自動(dòng)識別焊縫并選擇焊接參數(shù)的能力，并且機(jī)器人系統(tǒng)具備由單機(jī)操作向以智能化為核心的球罐生產(chǎn)線多機(jī)器人協(xié)同操作的擴(kuò)展功能。目前這種焊接機(jī)器人尚處于研究當(dāng)中，還沒有產(chǎn)品問世。唐山開元公司代理的日本神戶制鋼的MICROBO型便攜式焊接機(jī)器人最接近第三代智能型焊接機(jī)器人。

國外球罐焊接機(jī)器人大多以嵌入式或PC機(jī)作為焊接機(jī)器人的控制系統(tǒng)，使傳統(tǒng)專用控制器計(jì)算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時(shí)性差等問題得到了解決，還將電弧傳感跟蹤、接觸傳感、激光焊縫跟蹤、多層多道焊以及在線焊接參數(shù)優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和焊接專家系統(tǒng)等智能化應(yīng)用編寫為焊接過程控制軟件，極大地提高了機(jī)器人系統(tǒng)的智能化程度。

國內(nèi)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的多數(shù)控制器由PLC、單片機(jī)構(gòu)成，主控單元與焊接機(jī)器人本體、焊接電源以及手控器等的連接通常采用I/O信號直接相連的形式，線纜多，信號易受干擾，且控制電機(jī)（步進(jìn)或伺服電機(jī)）的驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)分裝在主控系統(tǒng)和焊接機(jī)器人本體上；由于沒有使用網(wǎng)絡(luò)及總線技術(shù)，焊接電源與主控系統(tǒng)之間多采用模擬量或RS-232通信方式設(shè)定參數(shù)，抗干擾能力差、精度低，能夠監(jiān)控的焊接過程量較少，傳輸數(shù)據(jù)慢，實(shí)現(xiàn)精細(xì)焊接非常困難；系統(tǒng)的開放性及可擴(kuò)充性較差，不利于電弧傳感、接觸傳感、激光跟蹤等智能化應(yīng)用功能的擴(kuò)展，且較難實(shí)現(xiàn)球罐組焊生產(chǎn)線多級控制網(wǎng)絡(luò)平臺中信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的無縫集成。針對球罐組

焊的施工特點(diǎn)及目前國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，研制和開發(fā)球罐全位置焊接機(jī)器人及球罐組焊生產(chǎn)線多機(jī)器人集群控制網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

2 球罐全位置焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)展望

在研究球罐全位置焊接機(jī)器人的過程中,需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是：多層多道自動(dòng)跟蹤控制技術(shù)，全位置藥芯焊絲焊接工藝，多機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)[11]。

2.1 焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，其研究方案主要有：激光傳感、基于CCD傳感器直接檢測弧焊區(qū)的視覺跟蹤法；采用接觸傳感器的記憶跟蹤法；采用電弧傳感器的實(shí)時(shí)跟蹤法，以及示教跟蹤法等，但要想將上述跟蹤方法用來對球罐全位置多層多道焊縫（縱焊縫和橫焊縫）進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，尚有以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）焊接電弧強(qiáng)烈干擾，難以檢測焊接熔池實(shí)際位置。

（2）多層焊跟蹤時(shí)，難以檢測第一層焊縫之后的各層焊縫圖像。

（3）多道橫焊跟蹤更困難，由于是不擺逐道迭加焊，則第一道焊縫后，就難以實(shí)時(shí)檢測以后各道的焊縫位置，這包括較成熟的旋轉(zhuǎn)電弧法。

（4）球罐焊縫是弧形曲線，若用導(dǎo)軌焊機(jī)自動(dòng)跟蹤法，導(dǎo)軌不可能與焊縫完全平行，只有采用記憶跟蹤法。研究表明，導(dǎo)軌焊機(jī)記憶跟蹤法雖然能達(dá)到一定的精度，但存在有需要標(biāo)定起點(diǎn)，不能中間斷點(diǎn)復(fù)位等問題。

為此，需要綜合分析各種跟蹤技術(shù)方法的技術(shù)特點(diǎn)及使用局限性，提出一種較為可行的跟蹤方案并解決關(guān)鍵技術(shù)問題[12]。

2.2 藥芯焊絲工藝

由于藥芯焊絲中加入了穩(wěn)弧劑，電弧燃燒穩(wěn)定，熔化金屬呈滴狀均勻過渡，故焊接時(shí)飛濺很少，且飛濺顆粒細(xì)小，在鋼板上粘不住，極易清除。

藥芯焊絲的熔敷速度及焊接質(zhì)量均高于實(shí)心焊絲。采用藥芯焊絲焊接時(shí)，由于焊絲斷面上通電部分的面積小于同樣粗細(xì)的實(shí)心焊絲，在相同的焊接電流下藥芯焊絲的電流密度高，焊絲的熔化速度快，熔敷速度提高，焊縫成形美觀。由于焊縫成形的好壞，熔渣起著重要的作用。用實(shí)心焊絲焊接時(shí)，是無法依靠熔渣起這種作用的，只能靠熔融金屬自身的粘性和表面張力形成焊道，所以實(shí)心焊絲焊縫的表面形狀不美觀。當(dāng)使用藥芯焊絲焊接時(shí)，能產(chǎn)生一定數(shù)量的熔渣，依靠熔渣的表面張力造成一個(gè)較軟的鑄型，這個(gè)鑄型的生成對形成良好的焊道起著重要的作用。

藥芯焊絲適宜于全位置焊接。實(shí)踐表明，在縱縫、環(huán)縫、立焊、橫焊、仰焊各種位置情況下，均可采用較大的焊接電流。藥芯焊絲分為自保護(hù)焊絲和CO2氣體保護(hù)焊絲兩大類。一般自保護(hù)焊絲的直徑為2.0～2.4 mm，氣體保護(hù)焊絲的直徑1.2～1.6 mm。氣體保護(hù)焊絲使用時(shí)必須外加保護(hù)氣體，氣體保護(hù)焊絲焊接時(shí)電弧較穩(wěn)定、飛濺小、脫渣容易、焊縫成形好、熔敷效率高，但使用過程中必須采取可靠的防風(fēng)措施。自保護(hù)焊絲在焊接時(shí)不需外加保護(hù)氣體，因而對焊接環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，焊接時(shí)操作方便，但因其焊接過程中全部靠自身的造氣和造渣保護(hù)，因此煙霧和飛濺較大，熔敷效率低，脫渣性能較差，焊縫的外觀成形不如氣體保護(hù)焊絲[13-14]。

CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲可以用在球罐全位置自動(dòng)焊接中，但焊后焊縫表面也會(huì)出現(xiàn)一層薄薄的焊渣保護(hù)層，環(huán)縫是球罐中超標(biāo)缺陷較多的區(qū)域，而細(xì)長夾渣則是超標(biāo)缺陷的主要形式，故加強(qiáng)環(huán)縫焊道、焊層間清渣是提高自動(dòng)焊合格率的重要措施。

2.3 基于網(wǎng)絡(luò)的球罐組焊生產(chǎn)線多機(jī)器人控制技術(shù)

球罐組焊過程中，為了減少焊接變形和殘余應(yīng)力，需要制定組焊施工規(guī)范，合理安排焊接順序和焊接方法，比如在焊接球殼板赤道帶、上溫帶的縱縫時(shí)需要由12名焊工同步對稱焊接，同時(shí)為了嚴(yán)格控制焊接線能量，需要采用全位對稱焊法、分段逆向焊法、多層多道焊法來減少焊接變形和殘余應(yīng)力。目前，球罐組焊焊接生產(chǎn)線處于落后的生產(chǎn)模式，各個(gè)球罐焊接機(jī)器人之間無任何關(guān)聯(lián)，各球罐焊接自動(dòng)設(shè)備的組焊生產(chǎn)過程采用人工協(xié)調(diào)、焊接機(jī)頭人工干預(yù)的生產(chǎn)方式，大量的時(shí)間花費(fèi)在焊接機(jī)頭安裝、拆卸以及各組焊機(jī)器人的協(xié)調(diào)上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際用于焊接的時(shí)間，焊接工作效率較低，因此提高球罐焊接機(jī)器人的穩(wěn)定性和效率有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。如果能將用在各組焊機(jī)器人協(xié)調(diào)、人工操作所浪費(fèi)的時(shí)間節(jié)省下來，將極大地提高焊接效率，大大降低其日均施工費(fèi)用。因此，開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的球罐組焊生產(chǎn)線多機(jī)器人集群控制技術(shù)一個(gè)重要的

發(fā)展趨勢[15-17]。

3 結(jié)論

以提高焊接質(zhì)量及效率、縮短工期、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本以及解決球罐焊工培養(yǎng)困難，流失嚴(yán)重等問題為目的，國內(nèi)外球罐焊接設(shè)備經(jīng)歷了機(jī)械化操作向全位置自動(dòng)焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程，目前國內(nèi)外球罐焊接機(jī)器人將朝著操作自動(dòng)化、功能智能化及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，而球罐組焊全位置藥芯焊絲焊接工藝、多層多道焊縫跟蹤技術(shù)及球罐組焊生產(chǎn)線多機(jī)器人集群控制網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)的突破與集成應(yīng)用將是新型球罐智能焊接機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢[18-21]。

[1]張運(yùn)川.大型球罐的現(xiàn)場自動(dòng)化焊接設(shè)備與焊材[J].石油工程建設(shè)，1995，32（1）：16-20.

[2]王學(xué)文，何偉.大型球罐自動(dòng)焊接技術(shù)的推廣和應(yīng)用[J].化工施工技術(shù)，1999，22（4）：22-25.

[3]Lv F L，Chen H B，F(xiàn)an C J，et al.A Novel Control Algorithm for Weld Pool Control[J].Industrial Robot：An International Journal，2010（37）：89-96.

[4]孫洪春.自動(dòng)焊接技術(shù)在球罐施工中的應(yīng)用[J].焊接，2002，34（9）：46-49.

[5]焦向東，薛龍，蔣力培，等.球罐全位置焊接機(jī)器人智能控制系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報(bào)，2000，21（4）：1-5.

[6]蔣力培，焦向東，薛龍，等.大型鋼制球罐的高效自動(dòng)焊關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（8）：146-149.

[7]張甲英，蔣立陪.球罐全自動(dòng)電弧焊設(shè)備[J].焊接學(xué)報(bào)，1998，19（4）：221-224.

[8]梁亞軍，薛龍，鄒勇，等.柔性軌道全位置焊接機(jī)器人研究[J].電焊機(jī)，2008，38（6）：23-26.

[9]焦向東，薛龍，蔣力培，等.無導(dǎo)軌球罐焊接機(jī)器人的軌跡預(yù)估控制[J].中國機(jī)械工程，2003，14（3）：186-189.

[10]Wu M H，Gao X F，Yan W X，et al.New mechanism to pass obstacles for magnetic climbing robots with high payload using only one motor for force-changing and wheel-lifting [J].Industrial Robot：An International Journal，2011，69（38）：372-380.

[11]蔣力培，薛龍，鄒勇.鋼結(jié)構(gòu)全位置焊接機(jī)器人的研究與開發(fā)[J].電焊機(jī)，2007，37（8）：23-26.

[12]孫振國，王軍波，陳強(qiáng)，等.新型智能球罐焊接機(jī)器人視覺傳感器的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2001，27（3）：252-255.

[13]王軍波，孫振國，陳強(qiáng)，等.基于CCD傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤[J].焊接學(xué)報(bào)，2001，22（2）：31-35.

[14]羅雨，韓素新，焦向東，等.基于電弧傳感的管道焊接高低跟蹤技術(shù)研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（3）：357-360.

[15]Thareswari Nagarajan，Asokan Thondiyath.Heuristic based Task Allocation Algorithm for Multiple Robots Using Agents [J].Procedia Engineering，2013，64（23）：844-853.

[16]Praneel Chand，Dale A.Carnegie.Development of a reduced human user input task allocation method for multiple robots [J].Robotics and Autonomous Systems，2012，60（10）：1231-1244.

[17]Avraam Th.Tolmidis，Loukas Petrou.Multi-objective optimization for dynamic task allocation in a multi-robot system [J].Engineering ApplicationsofArtificialIntelligence，2013，26（5）：1458-1468.

[18]焦向東，羅雨，紀(jì)文剛，等.基于網(wǎng)絡(luò)及總線技術(shù)的海底管道鋪設(shè)焊接機(jī)器人技術(shù)研究[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（6）：1-4.

[19]Min-Hyuk Kim，Sang-Phil Kim，Seokcheon Lee.Socialwelfare based task allocation for multi-robot systems with resource constraints[J].Computers&Industrial Engineering，2012，63（4）：994-1002.

[20]焦向東，周燦豐，陳家慶，等.海底管線鋪設(shè)焊接技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（s1）：122-125.

[21]陳善本，陳波，馬洪波，等.多傳感器信息融合技術(shù)在焊接中的應(yīng)用及展望[J].電焊機(jī)，2009，39（1）：58-63.

Research status and key technology of all-position welding robots on spherical tank

LUO Yu1，ZHANG Zhongliang2，JIAO Xiangdong1，YANG Chenggong1
（1.Beijing Institute of Petrochemical Technology Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China；2.College of Electrical and Mechanical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

With the development of energy industry and the adjustment of energy structure in China，the engineering construction of the spherical tank and storage tank boom has come again，all-position welding robots of spherical tank as the key equipment of the spherical tank manufacturing，its application can greatly improve the efficiency and quality of the welding of spherical tank.This paper reviews the development and research status of the all-position welding robots on spherical tank，from the angle of the engineering application development，analyzes the research progress and application prospect of the key technologies in the process of all position welding on spherical tanks.

the welding of spherical tank；all position welding robot；multi-layer welding seam tracking；multi-robot coordination control

TP242

C

1001-2303（2016）10-0025-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.05

獻(xiàn)

羅雨，張中亮，焦向東，等.球罐全位置焊接機(jī)器人研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：25-30.

2016-04-28；

2016-06-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305037）；北京市屬高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)提升計(jì)劃（IDHT20130516）；北京石油化工學(xué)院URT資助項(xiàng)目（2015J00083）

羅雨（1981—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，工程師，主要從事高速列車鋁合金車體監(jiān)造等相關(guān)工作。