趙旭東，鄧克劍，曹杰，武志華，李璐

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；2.中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，河北 廊坊 265100）

施工作業(yè)中需要安裝大量的預(yù)設(shè)埋件，普遍使用手工電弧焊進(jìn)行預(yù)設(shè)埋件的焊接生產(chǎn)，傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)效率低，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量參差不齊。埋弧螺柱智能化焊接設(shè)備具備高速生產(chǎn)、質(zhì)量可靠性高、操作流程簡(jiǎn)單、不需要專業(yè)的高技能焊工以及設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，完全可以取代手工焊或者半自動(dòng)化焊接。

1 埋弧螺柱智能化焊接基本原理

埋弧螺柱焊技術(shù)運(yùn)用熔劑埋弧的方法對(duì)熔池和焊縫進(jìn)行有效保，焊接過程中熔池表面會(huì)覆蓋形成熔渣膜，使液態(tài)金屬與空氣完全分離開，防止合金元素的氧化、蒸發(fā)燒損，穩(wěn)定焊接整體過程，提高焊接質(zhì)量。在焊接過程中，熔融金屬與焊渣發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，不僅可以去除焊縫中有害雜質(zhì)，避免氣孔，而且可以合金化焊縫金屬，提高焊縫的整體性能。

2 基本方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工件結(jié)構(gòu)及設(shè)備形式，設(shè)計(jì)由4部分組成：焊槍工作模塊、工件放置模塊、焊劑回收模塊、集成控制模塊組成。焊槍正向移動(dòng)為X軸，在橫向線性滑臺(tái)Y軸上安裝有升降滑臺(tái)，焊槍及焊劑上料裝置固定于Z軸滑臺(tái)上，線性滑臺(tái)帶動(dòng)焊槍可X、Y、Z三軸做直線運(yùn)動(dòng)，焊槍正下方為焊料放置工作臺(tái)連接焊料回收模塊，整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，采用單機(jī)雙工位的方式，該套設(shè)備占地尺寸：總長(zhǎng)3m、總寬3.6m、總高約3.15m。

圖1 設(shè)備方案圖

機(jī)器人作業(yè)環(huán)境與作業(yè)過程中存在諸多危險(xiǎn)因素，同時(shí)，存在不可預(yù)期火花濺射、作業(yè)模塊與作業(yè)曲面異常碰撞等安全隱患。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境與狀態(tài)智能感知方法和人-機(jī)-環(huán)境安全交互機(jī)制，突破基于數(shù)字孿生的安全作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)，解決機(jī)器人作業(yè)過程中人-機(jī)-環(huán)境安全問題。突破機(jī)器人智能路徑規(guī)劃技術(shù)，融合機(jī)器人多源異構(gòu)感知系統(tǒng)傳感信息，面向高精度路徑跟隨的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，結(jié)合機(jī)器人作業(yè)工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能高效作業(yè)。提出面向大型結(jié)構(gòu)預(yù)埋件與工藝約束的機(jī)器人智能路徑規(guī)劃方法；突破作業(yè)數(shù)據(jù)與云平臺(tái)的交互技術(shù)與管理機(jī)制，構(gòu)建機(jī)器人智能作業(yè)信息管理系統(tǒng)云平臺(tái)。運(yùn)用智能化焊機(jī)在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)焊接變形、組對(duì)誤差、磁偏吹、焊接延遲等問題，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，通過視覺傳感技術(shù)降低焊接操作人員工作量，從根本上解決了現(xiàn)場(chǎng)試樣加工、預(yù)制焊接環(huán)境中復(fù)雜多變的難題。

設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)低照度的圖像捕捉技術(shù)，通過傳感器直接焊接區(qū)域的圖像信息，通過強(qiáng)弧光條件下的相機(jī)原理實(shí)現(xiàn)焊接過程的遠(yuǎn)程精確監(jiān)測(cè)?；诙嘣串悩?gòu)傳感信息融合技術(shù)，搭建作業(yè)里面特征及焊接工藝專家?guī)欤〝?shù)據(jù)庫），構(gòu)建立面結(jié)構(gòu)特征與工藝參數(shù)間映射關(guān)系?；诂F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)立面典型特征的快速匹配，提出融合強(qiáng)化學(xué)習(xí)的作業(yè)工藝智能化動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)在作業(yè)過程中工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以提高作業(yè)質(zhì)量一致性。

工作原路：小車移動(dòng)至焊接坐標(biāo)位點(diǎn)后，小車提升電機(jī)下行至焊劑保護(hù)杯接觸鋼板；提示工人裝夾鋼筋，鋼筋到位后工人按鍵夾緊鋼筋，鋼筋?yuàn)A緊后開始注入焊劑（安全光柵提示安全）；過電流融化鋼筋，夾緊卡爪上下氣缸瞬間提升下壓鋼筋，延時(shí)1秒待焊劑冷卻后，真空吸料機(jī)回收焊劑；小車提升電機(jī)將小車整體提升，后移動(dòng)至下一個(gè)焊接坐標(biāo)點(diǎn)。

3 設(shè)備優(yōu)勢(shì)

該設(shè)備設(shè)計(jì)為單焊機(jī)配備雙焊槍兩個(gè)工作單元單獨(dú)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，配一套總控系統(tǒng)控制兩個(gè)工作單元；可讀取多種CAD圖紙，做到焊點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，焊機(jī)的瞬間放電，焊劑的定量自動(dòng)注入和回收。焊機(jī)、顆粒定量注料機(jī)可以各自共用一臺(tái)，配備兩臺(tái)真空吸料機(jī)。

焊劑上料和回收的裝置，提高其自動(dòng)化程度，對(duì)焊劑進(jìn)行循環(huán)利用，并且合理設(shè)置焊劑箱的放置位置。設(shè)計(jì)焊劑回收裝置：改進(jìn)焊劑上料和回收的裝置，提高其自動(dòng)化程度，對(duì)焊劑進(jìn)行循環(huán)利用，并且合理設(shè)置焊劑箱的放置位置。設(shè)計(jì)焊槍自動(dòng)夾持鋼筋裝置；增加焊槍提升高度數(shù)字化顯示裝置；通過無線遙控器，控制焊槍移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)和前后移動(dòng)。將工作臺(tái)設(shè)計(jì)為電動(dòng)移動(dòng)式，通過遙控器進(jìn)行控制。線路和管路設(shè)置為隱藏式，增加設(shè)備外部觀感。

4 工作流程

操作流程如圖2，具體工作流程如下。

圖2 操作流程圖

上料：螺柱由焊接操作人員安裝至焊槍上，在焊接工作臺(tái)根據(jù)靠山進(jìn)行初始定位；調(diào)整位置：操作者操作控制器，調(diào)整焊槍位置及對(duì)應(yīng)的焊接姿態(tài)；焊接：全部焊縫焊接完成后，進(jìn)行焊劑回收，雙工位同時(shí)回收，回收結(jié)束后，對(duì)焊槍位置復(fù)零位；下料：焊槍回到安全位置，人工將工件取出工位。

5 主要設(shè)備

選用的是XYTH876滑軌示。該滑軌為螺桿型線性滑臺(tái)。由三支分別為ETH22、ETH17、ETH14單支模組及底部龍門架構(gòu)輔助模組組成。使用交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出量大，響應(yīng)速度快，可靠性高，使智能化焊接設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊靈活，空間更大，穩(wěn)定性更好，可重復(fù)定位和精度高。

6 設(shè)備焊接調(diào)試

母材選用三根直徑25mm的HRB335螺紋鋼和板厚為20mm的Q235C鋼板，將HJ431牌號(hào)焊劑350℃烘焙90min備用。調(diào)節(jié)焊接參數(shù)：焊接電流1000～1150A，焊接時(shí)間4秒，伸長(zhǎng)高度10～11mm，提升高度7～8mm，進(jìn)行實(shí)體焊接。對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行目視檢測(cè)，焊腳尺寸為5～6mm，無明顯缺陷，全部合格。對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度分別為505MPa、525MPa、495MPa。對(duì)焊縫縱向截面進(jìn)行金相分析，焊接熔敷金屬連續(xù)，無未熔合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。

7 結(jié)語

在預(yù)埋件焊接中高效的焊接方法埋弧螺柱焊基礎(chǔ)上，研發(fā)智能化焊接設(shè)備避免焊接缺陷，進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，其力學(xué)性能均超過母材，具備焊縫強(qiáng)度高、焊接質(zhì)量可靠、生產(chǎn)效率高、縮短工期、降低成本等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了預(yù)埋件埋弧螺柱智能化焊接設(shè)備的優(yōu)越性，具有推廣價(jià)值。