王文洪 季仲致

摘要：在銅制高爐風口小套生產(chǎn)過程中，由于其產(chǎn)品形態(tài)多樣且不規(guī)則，進而難以單純地使用機械手示教在線功能實現(xiàn)焊接作業(yè)。目前焊接都以人工為主，從而導致風口小套焊接效率低、焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，風口小套的焊接工件需要預熱到650℃以上，作業(yè)現(xiàn)場勞動環(huán)境差，企業(yè)招工難。針對這些問題，研發(fā)了一種使用機械手焊接風口小套的自動控制系統(tǒng)，通過人工遠程在線遙控的方式來控制機械手對風口小套的I、Ⅱ、Ⅲ焊縫進行焊接。運行結(jié)果顯示：相比于手工作業(yè)，機械手焊接系統(tǒng)不論在焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率還是減輕勞動者工作強度上都有較大程度的提升。

關(guān)鍵詞：風口小套；機械手；在線遙控；PLC控制系統(tǒng)

風口小套是高爐進風系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它的作用是將熱風送進高爐內(nèi)，是保證高爐正常生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。由于它處于高溫工作區(qū)又易受到物料的磨損和冶煉產(chǎn)物的侵蝕，常常導致其有效使用周期較短。風口小套破損除使高爐休風率上升造成損失外，還給高爐操作帶來很多困難。因此，如何有效提高風口小套的使用壽命并降低生產(chǎn)成本成了生產(chǎn)企業(yè)最為關(guān)注的問題。由于風口小套的產(chǎn)品形態(tài)多樣、不規(guī)則，所以焊接過程主要由人工完成。由于人工焊接所造成的焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，導致合格率低，生產(chǎn)成本高是目前風口小套生產(chǎn)中存在的最為突出的問題。另外焊接作業(yè)環(huán)境差，勞動強度大，導致企業(yè)招工難，人工成本居高不下。

1系統(tǒng)概述

1.1焊接對象及工藝要求

焊接母材為純銅，密度p≥8.93g/cm3，電阻率p一0.01851·m（20℃），導熱系數(shù)入≥380W/m·K（20℃）。焊接預熱溫度為680～730℃，始焊溫度≥650℃，終焊溫度≤550℃。焊機采用HS301型盤狀焊絲，焊絲直徑為1.6mm。焊接電流為280～300A，電壓為28V，氣體流量為30L/Min。I焊縫的焊接速度為10～13cm/min，Ⅱ焊縫和Ⅲ焊縫的焊接速度為13～16cm/min。采用MIG焊接方法進行焊接，先焊風口小套前端I縫，之后再順序焊接II、III縫。如風口小套示意圖l所示。

1.2系統(tǒng)主要功能

針對上文所談問題及風口小套焊接工藝要求，設(shè)計了一套使用機械手來焊接風口小套的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能如下：

（1）系統(tǒng)采用6軸焊接關(guān)節(jié)型機器人，通過手柄及示教器系統(tǒng)操作模式對機械手末端所固定的焊槍系統(tǒng)進行移動和焊接控制，實現(xiàn)人工遠程輔助遙控機械手焊接目標。在焊接過程中，焊槍頭部可根據(jù)焊縫位置變動實時進行姿態(tài)及位置調(diào)整。

（2）系統(tǒng)配有耐高溫視頻系統(tǒng)，可實時對焊接工作區(qū)域進行觀察，以方便操作人員了解焊接區(qū)域工件的實時狀況。

（3）保溫爐可實現(xiàn)遠程控制風口小套自動滾動進給任務(wù)和遙控傾斜擺角等動作。保溫爐中溫度采用紅外測溫儀實時監(jiān)控溫度，保證焊接過程中的環(huán)境溫度。

（4）機器人及系統(tǒng)控制器置于控制室內(nèi)，保護控制系統(tǒng)不受高溫和粉塵影響?？刂剖以O(shè)有透明觀測窗和安全防撞網(wǎng)，控制操作臺上設(shè)有監(jiān)控顯示系統(tǒng)。

1.3系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)分安川工業(yè)機械手、松下MIG焊機、保溫爐體滾動及擺動系統(tǒng)、高溫攝像監(jiān)控系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等五大部分組成，系統(tǒng)現(xiàn)場布局方案如圖2所示。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1焊接操作流程

系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示。主要包括三個部分：預熱及初始化的準備階段，主要為工件的預熱與工裝，機械手的預編程與示教；第二為焊接實施階段，包括焊接傳感器起弧點自動識別，手動起弧焊接，在焊接的過程中，工件均勻旋轉(zhuǎn)，機械手跟隨坡口擺焊，同時通過視頻實時查看焊接質(zhì)量，如遇到工件竄動，焊縫突變，出現(xiàn)軌跡偏差較大導致機械手無法跟隨，則通過機械手遠程手動遙控機構(gòu)進行糾偏操作，在線修改軌跡，保證焊接順利進行。第三階段為焊接完成及下料，機械手復位到原點。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用西門子S7-300型PLC作為其主控模塊，用于控制機器人、變頻器等設(shè)備，并監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)和情況。其中控制和監(jiān)視機械手采用Profibus DP通信和IO點控制，變頻器采用4～20mA模擬量實現(xiàn)無級調(diào)速。主要控制點表如表1所示。

2.3機械手系統(tǒng)

系統(tǒng)采用一臺安川MOTOMAN-MH6型工業(yè)機器人作為焊接機械手，其為標準的六自由度垂直多關(guān)節(jié)型機械手，最大負載重量為6kg，工作半徑為1422mm，重復定位精度可以達到±0.08mm。

通常而言，機械手會根據(jù)提前設(shè)計好的路徑和動作來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，即我們通常說的示教在現(xiàn)功能。但是，由于風口小套形狀的不規(guī)則性，加之工件是在另外的加熱爐中加熱后移到保溫爐中進行焊接的，保溫爐內(nèi)并沒有設(shè)置其他的工裝夾具來固定，所以難以提前規(guī)劃出一個適用于風口小套全部產(chǎn)品焊接的運動路徑。根據(jù)這種情況，機械手增加了焊縫跟蹤模塊，可實時根據(jù)坡口情況，進行跟蹤焊接。系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了一個控制手柄，可同時進行機械手末端高度和左右兩維方向的調(diào)整。以達到機械手在自動焊接的過程中，通過視覺系統(tǒng)實時觀察焊接的情況，若焊接的高度或者左右位置出現(xiàn)竄動而導致工件焊縫位置突變時，可通過手柄遠程遙控修訂機械手的焊接位置，使焊接過程順利完成。

3結(jié)語

本文介紹的風口小套焊接工作站，由于采用了工業(yè)機器人進行自動焊接，具有性價比高、可靠性好、作業(yè)效率高的特點，帶來的生產(chǎn)質(zhì)量可控，達到企業(yè)要求。將人力從繁重的體力勞動以及惡劣的高溫粉塵環(huán)境中解放出來，只需要出現(xiàn)突變異常的時候進行遠程遙控即可，具有很高的現(xiàn)實意義和使用價值，解決了企業(yè)的實際需求。通過投入現(xiàn)場的使用情況看，本焊接工作站具備以下優(yōu)點。

3.1提升產(chǎn)品質(zhì)量

系統(tǒng)采用PLC為主要控制單元，工業(yè)機械手作為底層執(zhí)行設(shè)備，人工只起到焊接過程遙控糾偏的作用。所以很大程度上保證了每次動作的精準性，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2減輕勞動者強度

系統(tǒng)大大降低了工人的勞動強度，使得工人不再進行繁重的體力焊接工作，最大程度上減小了高溫、粉塵及焊接過程中的弧光、飛濺及煙霧等對人身造成的傷害，勞動者只需要糾正焊接過程中的偏差即可。

3.3提高生產(chǎn)效率

從企業(yè)管理的角度來說，都希望生產(chǎn)質(zhì)量和效率兼得。本系統(tǒng)由于采用機器人焊接，實現(xiàn)了產(chǎn)品工藝可控，排產(chǎn)方便，柔性很大，通過修改程序即可滿足不同工藝卡對焊接的要求，大大提高了效率，企業(yè)可以根據(jù)不同的訂單需求進行排產(chǎn)，有計劃地進行產(chǎn)量控制。