陳 弈，付 俊，羅文國，黃安立，盛仲曦，李 浩

1.東方電氣集團(tuán)有限公司 中央研究院，四川 成都 611731 2.東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001

0 前言

裝備制造企業(yè)目前還是以離散制造為主。很多企業(yè)的技術(shù)改造重點(diǎn)是建立自動化生產(chǎn)線、裝配線和檢測線。為了提高生產(chǎn)效率，工業(yè)機(jī)器人、吊掛系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)線上應(yīng)用越來越廣泛[1-8]。

蛇形管是火電鍋爐重要組成部分之一，如東方鍋爐廠內(nèi)每年蛇形管管屏出產(chǎn)量約3萬噸，為幾根鋼管彎曲成蛇形形狀，并在管屏上有大量的焊接附件?，F(xiàn)有的支撐塊焊接方式均為手工焊接，其主要工藝流程為：裝配工在裝配平臺上對支撐塊進(jìn)行裝點(diǎn)→行車吊運(yùn)至焊接平臺→電焊工對一面進(jìn)行焊接→行車翻面→焊工焊接。根據(jù)車間提供數(shù)據(jù)，車間每月完成蛇形管屏約1 600屏，由于焊接工作量巨大，單個焊工每班僅能完成5～6個單面M塊焊接，須安排23名焊工對M塊進(jìn)行焊接才能完成生產(chǎn)任務(wù)，工人勞動強(qiáng)度非常大，已經(jīng)形成了車間產(chǎn)量和質(zhì)量的瓶頸。目前的加工方式主要存在以下缺點(diǎn)：加工效率低，依賴行車配合翻面，等待時間長；勞動強(qiáng)度大，職業(yè)健康危害大；焊接質(zhì)量及一致性無法保證。

目前日本三菱日立公司在蛇形管屏上研發(fā)實(shí)現(xiàn)了附件雙面自動焊接，但僅限于低等級材料規(guī)則焊縫的焊接，并未在高等級材料（如M塊12Cr18Ni 9）上實(shí)現(xiàn)雙面智能自動（機(jī)器人）焊接。

目前國內(nèi)鍋爐行業(yè)暫未開發(fā)出進(jìn)入實(shí)用階段的類似設(shè)備。結(jié)合車間生產(chǎn)實(shí)際需求，通過研究和應(yīng)用先進(jìn)軟硬件技術(shù)提高焊接自動化程度和裝備智能化水平，是響應(yīng)集團(tuán)智能制造發(fā)展的必然要求，同時，通過焊接裝備的自動化，充分解放勞動力，降低工人勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，也是制造企業(yè)改革發(fā)展的必然要求。

針對上述問題，對蛇形管附件自動焊接的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)逐一突破，成功研發(fā)了一套蛇形管附件焊接機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上下料緩沖扶正平臺、工件移動定位臺架、機(jī)器人龍門行走機(jī)構(gòu)、機(jī)器人焊接系統(tǒng)、機(jī)器人焊縫激光掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)等組成。上位機(jī)配置具有自主知識產(chǎn)權(quán)的蛇形管附件焊現(xiàn)場管理系統(tǒng)，以滿足產(chǎn)品參數(shù)計算、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)存儲等功能需求，能夠?qū)Σ煌?guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行模型繪制，配合控制系統(tǒng)完成現(xiàn)場焊接任務(wù)管理。

1 系統(tǒng)組成

蛇形管附件焊接機(jī)器人系統(tǒng)用于蛇形管附件焊縫自動焊接，是一條功能集成的自動化焊接生產(chǎn)線。蛇形管工件預(yù)先由人工按要求對M塊進(jìn)行裝配點(diǎn)焊，然后整體吊裝到工裝平臺上。工裝平臺進(jìn)行工件壓平壓緊后，各機(jī)器人在預(yù)設(shè)程序控制下分別對各自負(fù)責(zé)的焊縫區(qū)域進(jìn)行激光掃描定位、自動焊接。蛇形管附件焊接機(jī)器人系統(tǒng)外觀如圖1所示。系統(tǒng)組成包含硬件和軟件兩個部分。具體組成如表1所示。

圖1 系統(tǒng)外觀Fig.1 System appearance

表1 系統(tǒng)組成Table 1 System composition table

1.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)組成包含焊接機(jī)器人系統(tǒng)、上/下龍門架、工裝及定位裝置、控制系統(tǒng)等。各硬件的系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 工作站組成布置Fig.2 Workstation composition and layout

（1）焊接機(jī)器人系統(tǒng)。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，包括機(jī)器人本體、機(jī)器人外部軸、線激光傳感器和焊接電源。

其中機(jī)器人選用FANUC M-10iD/12L通用型機(jī)器人，最大負(fù)載12 kg，位置重復(fù)精度±0.03 mm；采用直線導(dǎo)軌形式的外部軸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的橫向移動，提升作業(yè)的靈活性，外部軸電機(jī)采用FANUC標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)，配以行星輪減速機(jī)，通過齒輪齒條傳動，驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)在直線導(dǎo)軌上滑行；線激光傳感器采用賽融的FUJI-CAM，用于焊接基準(zhǔn)位置的尋位。焊機(jī)采用福尼斯TPS5000CMT焊機(jī)，可實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)、控制程序、送絲速度的全數(shù)字化控制。

（2）上/下龍門架。

上下龍門架可實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的直線運(yùn)動，配合機(jī)器人精確到達(dá)作業(yè)區(qū)域。其主要由機(jī)器人升降立柱、橫梁、精密減速機(jī)、移動機(jī)構(gòu)、傳動、導(dǎo)向部分、爬梯、拖鏈、軌道等組成。

（3）工裝及定位裝置。

工裝及定位裝置用于工件的固定、扶正及初始定位，在系統(tǒng)左右兩側(cè)各分布了1套。每套工位工裝抬架由1個固定胎架和2個移動胎架構(gòu)成，固定胎架上裝備2套可移動軸向定位機(jī)構(gòu)、1套扶正機(jī)構(gòu)和1支導(dǎo)向滾筒，扶正機(jī)構(gòu)快速定位由絲桿傳動，扶正用液壓缸/氣動頂移。單個移動胎架上各裝配1套橫向移動大滾子鍵條（降低摩擦力）和1套扶正機(jī)構(gòu)。

（4）控制系統(tǒng)。

采用西門子系列PLC s7-1500作為主控制器，由PLC管理整個系統(tǒng)運(yùn)行，包括機(jī)器人與龍門軌道電機(jī)的協(xié)調(diào)關(guān)系、節(jié)拍控制、操作管理、安全管理以及通訊。機(jī)器人外部控制總線與PLC總線均采用ProfiNet，抗干擾能力強(qiáng)。人機(jī)界面主要包括每個工位外的觸摸屏、按鈕板、信號燈、控制柜旁的主控制平臺三個部分。

1.2 軟件系統(tǒng)

蛇形管附件焊接生產(chǎn)屬于典型的離散型制造，結(jié)合蛇形管生產(chǎn)制造產(chǎn)品類型規(guī)格多、涉及工序多、工作流程復(fù)雜的特點(diǎn)。綜合考慮管理的高效性、質(zhì)量的穩(wěn)定性、生產(chǎn)故障的可追溯性等，開發(fā)了蛇形管附件焊接作業(yè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括WEB數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)、現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三部分。WEB數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，工藝員通過瀏覽器遠(yuǎn)程登錄，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)以及歷史追溯。現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)布置在車間現(xiàn)場的上位機(jī)上，直接與系統(tǒng)主控PLC通信，由現(xiàn)場工人操作，一鍵完成焊接參數(shù)配置，啟動系統(tǒng)即可完成整個焊接作業(yè)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，布置在信息中心的服務(wù)器上。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Software system architecture diagram

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器/Web服務(wù)器、工控機(jī)都通過工業(yè)以太網(wǎng)相互連接。工控機(jī)與PLC通過西門子OPCS ERVER進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)蛇形管焊接作業(yè)安排，包括參數(shù)下傳、焊接工藝參數(shù)控制以及焊接監(jiān)控和故障診斷，并且把獲取的焊接數(shù)據(jù)和運(yùn)行日志存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Web系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程維護(hù)和瀏覽工藝信息以及焊接過程的歷史數(shù)據(jù)。PLC與機(jī)器人采用CCLINK進(jìn)行實(shí)時連接通訊，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)運(yùn)行的聯(lián)動控制。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 System network topology diagram

該系統(tǒng)具有適用于蛇形管附件坡口形式的智能規(guī)劃功能，如表2所示。

該軟件已完全代替了機(jī)器人的離線編程軟件，與離線編程方式相比，具有如下優(yōu)勢：

（1）通過專家系統(tǒng)自動設(shè)計焊接參數(shù)，并具有學(xué)習(xí)功能，根據(jù)產(chǎn)品情況實(shí)時更新。

（2）自動根據(jù)坡口生成機(jī)器人軌跡，避免操作人員逐個對點(diǎn)方式較大的編程工作量。

（3）參數(shù)化建模，能夠通過產(chǎn)品模型獲得基礎(chǔ)模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)流程規(guī)劃。

軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面Fig.5 Software interface diagram

2 系統(tǒng)作業(yè)流程設(shè)計

蛇形管屏附件焊接機(jī)器人系統(tǒng)的工藝調(diào)試流程如圖6所示。

圖6 工藝調(diào)試流程Fig.6 Process debugging process

蛇形管附件焊的主要特點(diǎn)有：（1）工件規(guī)格：最大工件尺寸7 112 mm（長）×4 335 mm（寬），材質(zhì)為碳鋼、合金鋼和不銹鋼。（2）組對情況：人工拼裝點(diǎn)焊位置基本固定，組對間隙對接焊縫≤2 mm。（3）工件工藝要求：所有焊縫為連續(xù)焊縫，不得有夾渣、燒穿、未熔合、焊縫間斷等缺陷；焊后MT探傷。針對這些特點(diǎn)，研究自動焊接系統(tǒng)的主要難點(diǎn)是：（1）產(chǎn)品尺寸變化大；（2）附件位置不確定；（3）附件由人工點(diǎn)焊裝配；（4）管子伸出位置不確定；（5）管屏中間有隨機(jī)位置槽鋼；（6）需要實(shí)現(xiàn)仰焊，以避免行車翻身，影響裝配和焊接質(zhì)量。

根據(jù)以上的特點(diǎn)和難點(diǎn)，系統(tǒng)作業(yè)方式采用“激光尋位+在線跟蹤+平焊仰焊結(jié)合”的方式進(jìn)行。龍門倒掛機(jī)器人+移動平臺正立機(jī)器人，單焊接工位雙轉(zhuǎn)運(yùn)平臺交替焊接作業(yè)。具體工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程Fig.7 System workflow

系統(tǒng)工作流程：人工錄入工件關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)并選擇上料工位→上料工位工件臺架自動調(diào)整位置→緩沖扶正裝置升起就位→行車人工吊放工件→工件自動轉(zhuǎn)運(yùn)到焊接工位→焊接機(jī)器人按照設(shè)定焊接順序?qū)Ω鞴芷粮郊謩e掃描定位并焊接→自動完成焊接→工件自動轉(zhuǎn)運(yùn)到原上料工位→行車人工下料→另一側(cè)上料工位工件自動轉(zhuǎn)運(yùn)到焊接工位（此前已按照前面的方式完成上料）→自動完成焊接→自動轉(zhuǎn)運(yùn)回原上料工位并人工下料→兩工位交替上料并焊接。

3 焊接試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

按照預(yù)設(shè)的全自動流程，錄入產(chǎn)品參數(shù)后進(jìn)行全自動焊接，焊接方法為全自動熔化極氣體保護(hù)焊（MAG）仰焊，弧焊電源為SKS焊接系統(tǒng)，LSQ5（一元化調(diào)節(jié)），焊接氣體分別為CO2（純度99.99%，用于不銹鋼的焊接）和φ（Ar）80%+φ（CO2）20%（用于合金鋼的焊接），焊材分別為E309LT1-1A（不銹鋼藥芯焊絲，Φ1.2 mm，北京金威）和H08CrMoV（合金鋼焊絲，Φ1.2 mm，大西洋焊材）。

進(jìn)行了兩種材質(zhì)平焊和仰焊位置總共4組焊接試驗(yàn)，如表3所示，各組的焊接參數(shù)如表4所示。

表3 試驗(yàn)條件Table 3 Test condition

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameter

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程如圖8所示，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，激光尋位精準(zhǔn)，焊接過程穩(wěn)定。試驗(yàn)完成后，焊縫成形和宏觀金相分別如圖9、圖10所示，焊腳尺寸合適，焊縫成形平滑均勻，起弧收弧位置高低合適，經(jīng)PT均無缺陷，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.8 Test site

圖9 15GrMo材質(zhì)附件平焊及仰焊Fig.9 Welding materials 15GrMo accessories flat welding and overhead welding

圖10 12CrlMoV材質(zhì)附件平焊及仰焊Fig.10 Welding materials 12CrlMoV accessories flat welding and overhead welding

4 結(jié)論

基于該項(xiàng)目的研制和投產(chǎn)，探索了蛇形管管屏自動物流控制、自動焊接的技術(shù)問題，完成了一定的技術(shù)儲備和經(jīng)驗(yàn)積累，為后續(xù)同類產(chǎn)品的移植復(fù)制和市場開拓夯實(shí)了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）設(shè)備通用性強(qiáng)，滿足工作范圍內(nèi)同類產(chǎn)品及其他規(guī)則形狀且有一定規(guī)律的蛇形管附件焊縫的自動焊接工藝要求。

（2）整個結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，定位精確、穩(wěn)定可靠，焊接質(zhì)量優(yōu)異。

（3）自動化程度高，減少人工成本，提高生產(chǎn)效率。

（4）采用雙移動龍門、雙移動平臺的結(jié)構(gòu)，并設(shè)置兩組工件支撐臺架運(yùn)轉(zhuǎn)平臺，形成雙面、單焊接工位雙運(yùn)轉(zhuǎn)平臺交替焊接的作業(yè)形式，提高生產(chǎn)效率。

（5）支撐單元增設(shè)緩沖定位裝置，定位精確。

（6）采用伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，精密齒輪齒條傳動，運(yùn)行平穩(wěn)，提高焊接質(zhì)量。

（7）結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，設(shè)備通用性強(qiáng)。

（8）本系統(tǒng)是一套集成通信技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)于一體的智能化蛇形管屏附件焊接系統(tǒng)，是鍋爐領(lǐng)域管子自動生產(chǎn)智能制造轉(zhuǎn)型目標(biāo)的重要實(shí)踐，提升了車間裝備自動化、智能化水平。

下一步需要優(yōu)化的部分如下：

（1）系統(tǒng)目前采用的激光尋位方式是針對單個附件的單條焊縫分別進(jìn)行掃描，掃描時間長，效率低。后續(xù)可考慮采用大線寬的線激光傳感器對蛇形管屏進(jìn)行整體掃描，并進(jìn)行三維重構(gòu)，最后基于三維重構(gòu)的數(shù)模整體進(jìn)行附件焊接順序和路徑的規(guī)劃。

（2）由于蛇形管管屏附件類型多，數(shù)量多，分布無規(guī)律，參數(shù)化建模所需的數(shù)據(jù)非常多，使得數(shù)據(jù)錄入工作量較大，后續(xù)可優(yōu)化為采用二維CAD圖紙直接導(dǎo)入識別的方式進(jìn)行建模。