陳浩， 毛敏， 楊豐全， 包林波, 尚旭冉， 馮明

(1.江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213000；2.上海新時(shí)達(dá)機(jī)器人有限公司，上海 201800)

0 前言

電力建設(shè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而作為電力建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的輸電線路鐵塔，其加工優(yōu)質(zhì)、高效與否對(duì)電力建設(shè)的影響舉足輕重[1]。隨著中電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)展和輸送的及的不斷增加，鐵塔塔腳加工批量增長(zhǎng)與工期的縮短是的企業(yè)原有焊工隊(duì)伍已不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求，疊加今年焊工資源日趨緊張，對(duì)塔腳焊接向自動(dòng)、智能化的焊接機(jī)器人發(fā)展提出了緊迫要求[2-7]。近年來(lái)，文中公司及國(guó)內(nèi)先進(jìn)鐵塔制造企業(yè)嘗試使用編程示教焊接機(jī)器人及拖曳示教塔腳焊接專機(jī)，一定程度上提高了塔腳加工、焊接質(zhì)量和自動(dòng)化程度。但面對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化的塔腳結(jié)構(gòu)，示教編程時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；拖曳示教塔腳焊接專機(jī)一次拖曳示教一條焊縫，而塔腳共有12條焊縫，亦影響生產(chǎn)效率。

經(jīng)過(guò)文中兩家公司合作研發(fā)應(yīng)用，新一代免示教六軸塔腳焊接機(jī)器人，針對(duì)塔腳工件內(nèi)置三維建模、配合激光視覺(jué)達(dá)到了免示教自動(dòng)識(shí)別焊縫尋位焊接的功能。

文中針對(duì)輸電線路塔腳進(jìn)行了免示教六軸塔腳焊接機(jī)器人全自動(dòng)GMAW焊接試驗(yàn)。開(kāi)展了焊后變形、焊縫外觀、焊縫尺寸檢驗(yàn)，并對(duì)免示教六軸塔腳焊接機(jī)器人生產(chǎn)效率與手工焊進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 免示教六軸焊接機(jī)器人簡(jiǎn)介

目前焊接機(jī)器人在焊接前必須進(jìn)行機(jī)器人示教作業(yè)，即由操作者引導(dǎo)焊接機(jī)器人一步一步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，焊接機(jī)器人在引導(dǎo)過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行程序，在完成示教后，啟動(dòng)焊接程序，焊接機(jī)器人將精準(zhǔn)地按示教動(dòng)作一步一步完成全部操作。

免示教六軸焊接機(jī)器人專為塔腳焊接應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)，免去了繁瑣的示教過(guò)程，可以大幅提升了非標(biāo)準(zhǔn)塔腳工件的生產(chǎn)效率。由六軸焊機(jī)機(jī)器人、視覺(jué)激光器、一套帶夾具的兩軸變位機(jī)、焊接系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、觸摸顯示屏等主要部件組成。

將拼裝好的工件放至變位機(jī)夾具平臺(tái)，通過(guò)觸摸顯示屏，輸入塔腳規(guī)格尺寸生成預(yù)覽模型如圖1所示；

圖1 機(jī)器人參數(shù)輸入示意圖

輸入焊接工藝參數(shù)，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、擺動(dòng)幅值(擺幅)、收弧停留時(shí)長(zhǎng)等。最后，激光傳感器識(shí)別焊縫起始位置及終點(diǎn)位置，機(jī)器人根據(jù)輸入的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行多層多道焊接，并實(shí)時(shí)顯示和記錄實(shí)際焊接參數(shù)如圖2所示。整個(gè)參數(shù)輸入時(shí)間約3～5 min，即可開(kāi)始焊接。

圖2 機(jī)器人實(shí)時(shí)信息顯示界面

2 應(yīng)用試驗(yàn)

塔腳試件主要由底板、主靴板、副靴板拼裝點(diǎn)焊而成，如圖3所示。塔腳工件，母材為Q355B，焊接填充材料為φ1.2 mm的ER50-6型實(shí)心焊絲。化學(xué)成分見(jiàn)表1，焊接保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。

圖3 塔腳工件示意圖

表1 塔腳母材與焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

通過(guò)機(jī)器人觸摸屏輸入焊接工藝參數(shù)如圖2所示。建立塔腳焊接信息數(shù)據(jù)庫(kù)，后續(xù)相近規(guī)格塔腳可以直接調(diào)用或參數(shù)微調(diào)。機(jī)器人對(duì)于參數(shù)配方能夠保存并通過(guò)USB存儲(chǔ)介質(zhì)導(dǎo)出EXCEL表格為以后工藝參數(shù)做參考，同樣也能夠預(yù)先在EXCEL中編輯好的參數(shù)表直接導(dǎo)入焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，焊接工藝參數(shù)輸入示意見(jiàn)表2。

為控制焊接變形，以免影響后期輸電鐵塔安裝，塔腳焊縫焊接順序如圖4所示，按照1至12的順序，先焊接安裝角鋼主材處的平焊縫(序號(hào)1)以減少焊縫變形對(duì)安裝的影響。針對(duì)不同塔型的塔腳，諸如單拼、雙拼平焊縫數(shù)量位置的不同，可對(duì)焊接順序進(jìn)行調(diào)整。

表2 焊接工藝參數(shù)輸入

圖4 塔腳焊接示意圖

3 試驗(yàn)工件檢驗(yàn)

3.1 焊接變形檢驗(yàn)

塔腳焊接后會(huì)產(chǎn)生變形，影響安裝質(zhì)量。在焊接前，通過(guò)在平焊縫位置點(diǎn)焊短頭角鋼來(lái)減少焊接變形，同時(shí)平焊縫所在象限為后期角鋼主材安裝位置，可最大程度的減少焊接變形對(duì)后期安裝的影響。

以2種規(guī)格塔腳工件開(kāi)展焊接變形試驗(yàn)，工件1底板規(guī)格640 mm×640 mm，底板厚50 mm，靴板厚度16 mm；工件2底板規(guī)格600 mm×600 mm，底板厚50 mm，靴板厚度24 mm，各4只塔腳焊接后變形見(jiàn)表3。由表4可見(jiàn)，免示教六軸焊接機(jī)器人焊接工件，安裝角鋼主材的平焊縫位置的焊接變形量控制在0.4°以內(nèi)，滿足特高壓及一般輸電線路工程鐵塔加工技術(shù)要求。此外，六軸機(jī)器人與人工相比，可消除人為變量，使整體焊接變形更穩(wěn)定。

表3 機(jī)器人焊接變形試驗(yàn)塔腳工件規(guī)格

表4 2組塔腳工件機(jī)器人焊接變形量 (°)

3.2 焊縫外觀質(zhì)量

對(duì)比機(jī)器人焊接(圖5a)和手工焊接(圖5b)焊縫外觀質(zhì)量?？梢悦黠@看出，機(jī)器人焊接比手工焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定，焊縫外觀呈現(xiàn)均勻的魚(yú)鱗紋、成形好，焊縫與基體金屬間圓滑過(guò)渡，焊縫筆直。而手工焊接焊縫整體直線度相對(duì)較差，存在少量咬邊的情況。

圖5 焊接機(jī)器人和手工焊縫外觀

3.3 焊縫尺寸檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2694—2018《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中表8(角焊縫外形尺寸允許偏差)的要求并結(jié)合一般輸電線路工程鐵塔加工技術(shù)規(guī)范，要求焊腳尺寸hf≥靴板厚度。通過(guò)設(shè)置合適的焊接工藝參數(shù)，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、擺幅、停留時(shí)間。檢測(cè)多組規(guī)格塔腳焊縫尺寸見(jiàn)表5，焊縫尺寸允許偏差均能滿足要求。

表5 機(jī)器人焊接多種規(guī)格塔腳的焊腳尺寸

4 免示教六軸焊接機(jī)器人意義及生產(chǎn)效率

4.1 意義

示教控制是機(jī)器人在焊接結(jié)構(gòu)偏差極小的批量工件時(shí)的一種常用形式。但是對(duì)構(gòu)件形體差異大、批量較小，采用示教跟蹤的方式會(huì)占用操作者大量的使用時(shí)間，造成機(jī)器人工作效率達(dá)不到預(yù)期要求或者頻繁示教容易出現(xiàn)精度下降[8]，這點(diǎn)在鐵塔塔腳焊接尤為明顯。

免示教的意義及特點(diǎn)就在于克服了塔腳工件品種多、批量小、工藝復(fù)雜等制約自動(dòng)焊接設(shè)備應(yīng)用的難題，在面對(duì)多塔型、多規(guī)格塔角時(shí)，免去示教的人工操作，大幅提升了生產(chǎn)效率。

4.2 生產(chǎn)效率

對(duì)比1臺(tái)免示教六軸焊接機(jī)器人與1個(gè)焊工手工焊接不同規(guī)格塔腳的生產(chǎn)效率，見(jiàn)表6和圖6。5號(hào)塔腳520 mm×520 mm×540 mm,6號(hào)塔腳640 mm×640 mm×680 mm,7號(hào)塔腳652 mm×652 mm×680 mm,8號(hào)塔腳1 040 mm×1 040 mm×1 250 mm。從表6和圖6可以看出，塔腳規(guī)格較小時(shí)，由于機(jī)器人上下料、裝夾占用部分時(shí)間，導(dǎo)致機(jī)器人焊接時(shí)間與手工焊接相當(dāng)。但隨著塔腳規(guī)格增大、靴板增厚，機(jī)器人相比手工焊接效率提升快速增加。

表6 機(jī)器人及手工焊接多種規(guī)格焊腳的焊接工時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖6 焊接工效對(duì)比圖

免示教六軸焊接機(jī)器人在完成工件裝夾和參數(shù)輸入啟動(dòng)焊接后，操作工在機(jī)器人自動(dòng)焊接時(shí)，可以穿插對(duì)其他塔腳的加勁板焊接工作，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。從表6來(lái)看，1臺(tái)免示教六軸焊接機(jī)器人整體效率可大致相當(dāng)于1.5名手工焊工。若采取1人雙控2臺(tái)免示教六軸焊接機(jī)器人的方式，效率還將提升。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)應(yīng)用試驗(yàn)，免示教六軸焊接機(jī)器人可以高效、簡(jiǎn)便的用于輸電線路鐵塔塔腳的焊接作業(yè)。克服了原先示教導(dǎo)致額示教頻繁、示教時(shí)間長(zhǎng)、操作要求高的問(wèn)題。

(2)基于免示教六軸焊接機(jī)器人焊接工藝，塔腳工件焊接變形、焊縫外觀及尺寸滿足技術(shù)要求。

(3)經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，免示教六軸焊接機(jī)器人較傳統(tǒng)手工焊接，焊接質(zhì)量更高且更穩(wěn)定，生產(chǎn)效率隨著塔腳規(guī)格增大大幅提高。

(4)免示教六軸焊接機(jī)器人的應(yīng)用，為輸電線路鐵塔塔腳焊接自動(dòng)化、智能化提供了切實(shí)可行的方案，將有效緩解焊工資源緊缺的難題。