馮英超，王象元，劉金平，潘國(guó)偉，高晶，張佳明，楊軍偉，王奇學(xué)

1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

1 序言

目前，核電現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于風(fēng)管預(yù)制焊接主要采用手工焊的作業(yè)方式，受焊工狀態(tài)影響較大，普遍存在生產(chǎn)效率低、工件焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊后變形嚴(yán)重及焊接人員工作環(huán)境較差等問(wèn)題。各個(gè)項(xiàng)目無(wú)法對(duì)大量的圓風(fēng)管環(huán)焊縫及方風(fēng)管、彎頭等焊縫進(jìn)行自動(dòng)化焊接，特別是通風(fēng)彎頭（蝦米彎）的預(yù)制，雖只有6.24%的面積占比，但單位面積上焊縫所有量大，通?？v焊縫為0.5m/m2，彎頭焊縫量占比達(dá)5m/m2。

本文基于安川AR2010機(jī)器人和松下GS350焊接電源，研究設(shè)計(jì)了以機(jī)器人為中心的多軸協(xié)同作業(yè)的圓風(fēng)管彎頭機(jī)器人焊接裝備。該裝備具有自動(dòng)化程度及焊接效率高等特點(diǎn)，可大幅提高風(fēng)管焊接預(yù)制自動(dòng)化施工效率，保障焊接質(zhì)量，提升核電建造自動(dòng)化水平。

2 總體設(shè)計(jì)

該裝備是在現(xiàn)有示教型機(jī)器人的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)管焊接實(shí)際施工情況，針對(duì)其重復(fù)性高、工作量大的問(wèn)題，進(jìn)行設(shè)計(jì)、研發(fā)、集成的自動(dòng)化焊接裝備。該裝備由六自由度焊接機(jī)器人本體、機(jī)器人系統(tǒng)控制柜、焊接電源、視覺(jué)傳感系統(tǒng)、清槍站和自動(dòng)焊工裝等組成，裝備總體框圖如圖1所示，裝備布局如圖2所示。整個(gè)焊接過(guò)程的實(shí)施是通過(guò)視覺(jué)傳感系統(tǒng)對(duì)焊縫進(jìn)行觀察，自行完成數(shù)據(jù)計(jì)算，獲得焊縫位置，焊槍則自行按焊縫軌跡行走，控制焊接參數(shù)，完成智能焊接過(guò)程[1]。

圖1 裝備總體框圖

圖2 裝備布局

裝備性能指標(biāo)如下。

1）視覺(jué)傳感系統(tǒng)在焊縫水平方向和高度方向上的識(shí)別精度偏差≤0.5mm。

2）視覺(jué)傳感系統(tǒng)可識(shí)別組對(duì)間隙≥1mm的焊縫。

3）裝備可焊接直徑為200～1250mm圓風(fēng)管彎頭對(duì)接焊縫。

3 硬件選型

3.1 六自由度焊接機(jī)器人

按照功能劃分，一臺(tái)通用的工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械手總成、控制器、示教系統(tǒng)這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分組成。

安川AR2010焊接機(jī)器人作為工作站的重要組成部分（見(jiàn)圖3），用來(lái)完成風(fēng)管預(yù)制智能化焊接機(jī)器人裝備及工藝研究任務(wù)中控制系統(tǒng)集成和動(dòng)作的執(zhí)行工作，是焊槍或作業(yè)工具的載體，實(shí)現(xiàn)弧焊作業(yè)時(shí)所需要的焊接位置、焊接姿態(tài)和焊接軌跡[2]。

圖3 安川AR2010焊接機(jī)器人

3.2 焊接電源

結(jié)合研究實(shí)際需求，選用松下350GS5HNE氣體保護(hù)焊焊接電源（見(jiàn)圖4）。該電源具有以下特點(diǎn)：數(shù)字焊接電源，最大焊接電流350A，且能適用于不同厚度的碳素鋼、不銹鋼材料焊接；具有專門針對(duì)用戶焊接材料的專家程序；配備高速脈沖軟件；焊接效率高、熔深大、飛濺小，且焊縫成形美觀；預(yù)留數(shù)字通信接口，精準(zhǔn)控制焊接參數(shù)。

圖4 松下350GS5HNE氣體保護(hù)焊焊接電源

焊接電源的額定輸入電壓為三相380V/400V。在生產(chǎn)中應(yīng)盡可能使用穩(wěn)定的電源電壓，當(dāng)電壓波動(dòng)范圍超過(guò)額定輸入電壓值的±10%時(shí)，將不能滿足所要求的焊接條件，還會(huì)導(dǎo)致焊接電源出現(xiàn)故障。

為了安全起見(jiàn)，母材側(cè)電源電纜必須使用焊接專用電纜，并避免電纜盤卷，否則因線圈的電感儲(chǔ)積電磁能量，當(dāng)二次側(cè)切斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓突變，從而導(dǎo)致電源出現(xiàn)故障。

如圖5所示，松下焊接電源被控方式分為3種：一是松下機(jī)器人控制系統(tǒng)使用松下專用總線的通信方式控制焊接電源；二是其他廠家控制系統(tǒng)搭配松下專用通信模塊，通過(guò)松下專用總線通信的方式控制焊接電源；三是其他廠家控制系統(tǒng)搭配松下專用通信模塊，通過(guò)松下模擬通信方式控制焊接電源。

圖5 松下焊接電源控制方式

3.3 視覺(jué)傳感器

根據(jù)研究?jī)?nèi)容，視覺(jué)傳感器需完成圓風(fēng)管彎頭內(nèi)外角焊縫的高速識(shí)別，最終選用型號(hào)為D RROBOT-LT01的視覺(jué)傳感器，如圖6所示。

圖6 DR-ROBOT-LT01視覺(jué)傳感器

該傳感器為使用數(shù)字CMOS 圖像探測(cè)器件的激光視覺(jué)傳感器，具備了采用模擬CCD 的傳感器所無(wú)法達(dá)到的性能，且具有視距長(zhǎng)、范圍大及視野廣等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)圓風(fēng)管彎頭焊縫的焊接。該傳感器可識(shí)別焊縫形式如圖7所示。

圖7 可識(shí)別焊縫形式

3.4 清槍站

清槍站作為焊接機(jī)器人周邊輔助設(shè)備，對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化焊接起到了重要作用。其核心用途是用于清理焊接機(jī)器人在自動(dòng)焊接作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的、黏堵在焊槍氣體保護(hù)套內(nèi)的飛濺物，確保氣體長(zhǎng)期暢通無(wú)阻，有效地阻隔空氣進(jìn)入焊接區(qū)域，提高焊縫質(zhì)量。清槍站清槍、噴油、剪絲應(yīng)用如圖8所示。

圖8 清槍站清槍、噴油、剪絲應(yīng)用

4 工裝設(shè)計(jì)

彎頭工裝作為輔助變位設(shè)備，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、模擬仿真等步驟驗(yàn)證，機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接所要求的最佳焊槍姿態(tài)和焊槍位置[3，4]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，選取典型圓風(fēng)管彎頭環(huán)焊縫尺寸為φ200mm、φ630mm、φ1250mm，角度為90°。

圓風(fēng)管彎頭環(huán)焊縫工裝擬按以下特點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1）工裝中心高度為1600m m，滿足φ200～1250mm圓風(fēng)管彎頭的裝夾。

2）自動(dòng)化工裝采用氣動(dòng)卡盤內(nèi)撐方式固定彎頭兩邊，保證裝夾穩(wěn)固，運(yùn)動(dòng)過(guò)程工件與工裝無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

3）兩套變位機(jī)主動(dòng)軸為安川伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)與機(jī)器人通信實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)精度；其中一變位機(jī)可水平方向滑動(dòng)，該動(dòng)作由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成。

4）自動(dòng)化工裝控制核心為PLC，方便與機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)（內(nèi)撐裝置打開(kāi)、背氬氣閥打開(kāi)、變位機(jī)平移等命令）傳遞，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

圓風(fēng)管彎頭工裝如圖9所示。

圖9 圓風(fēng)管彎頭工裝

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制設(shè)備是系統(tǒng)運(yùn)行的控制中心，也是系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。機(jī)器人自動(dòng)化焊接本質(zhì)是外部通信接口將各個(gè)設(shè)備互聯(lián)，通過(guò)控制系統(tǒng)命令實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程全自動(dòng)化的工業(yè)機(jī)器人作為智能制造應(yīng)用的主抓手，必然會(huì)推動(dòng)生產(chǎn)自動(dòng)化向前發(fā)展[5]。

若風(fēng)管焊接采用人工焊接方式，則存在焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度高等不利因素。隨著機(jī)器人技術(shù)和電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化焊接技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

自動(dòng)焊裝備主要由六軸弧焊機(jī)器人、視覺(jué)傳感器、焊接電源及配套工裝組成?？刂葡到y(tǒng)核心為六軸機(jī)器人控制器，焊接電源、工裝等，均由機(jī)器人直接控制。視覺(jué)傳感器作為機(jī)器人上位機(jī)，將位置坐標(biāo)信息傳遞給機(jī)器人，間接控制機(jī)器人行走軌跡。

5.1 機(jī)器人與焊接電源

機(jī)器人與焊接電源有3種通信方式，任意一種方式均可實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)監(jiān)控，本課題擬采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，完成對(duì)電弧電壓、焊接電流、送絲速度及氣體流量等的控制和監(jiān)測(cè)，機(jī)器人與焊接電源連接如圖10所示。

圖10 機(jī)器人與焊接電源連接示意

5.2 機(jī)器人與清槍站

機(jī)器人控制器自帶八路通過(guò)I O控制的方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清槍、噴油、剪絲等功能。以上功能通過(guò)機(jī)器人編程實(shí)現(xiàn)，可依次完成清槍、噴油和剪絲動(dòng)作。編程邏輯如圖11所示。

圖11 機(jī)器人控制清槍、噴油和剪絲動(dòng)作的編程邏輯

5.3 機(jī)器人與視覺(jué)

首先，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜線進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)傳輸、焊縫識(shí)別與跟蹤；焊縫跟蹤通過(guò)發(fā)射線激光至風(fēng)管的焊縫處，從攝像機(jī)觀察到的圖像被焊縫跟蹤控制器處理。然后，軟件使用特定的設(shè)置將條紋分成形成焊縫的許多條線。從這些線的位置，系統(tǒng)可以測(cè)量焊縫的位置，并將其轉(zhuǎn)化成以毫米為單位進(jìn)行計(jì)算的距離，距離值通過(guò)以太網(wǎng)通信發(fā)送給機(jī)器人。機(jī)器人收到數(shù)據(jù)后，計(jì)算并存儲(chǔ)掃描得到焊縫位置，并根據(jù)當(dāng)前位置和掃描位置進(jìn)行對(duì)比獲得差值，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤來(lái)糾正焊槍位置偏差，使焊槍始終保持沿焊縫行進(jìn)。

焊縫跟蹤掃描工作流程如圖12所示。

圖12 焊縫跟蹤掃描工作流程

傳感器端頭和焊縫跟蹤處理器采用專用線纜連接，焊縫跟蹤處理器和機(jī)器人采用udp通信。

（1）安川機(jī)器人通信設(shè)置 進(jìn)入安川機(jī)器人的維護(hù)模式→安全模式→系統(tǒng)→選項(xiàng)功能→LAN口設(shè)定，設(shè)置內(nèi)容如下。

1）（LAN3）設(shè)定為手動(dòng)設(shè)置。

2）IP 地址：192.168.1.11。

3）子網(wǎng)屏蔽：255.255.255.0。

（2）傳感器通信設(shè)置 控制器中打開(kāi)焊縫跟蹤軟件 DRVision，點(diǎn)擊手動(dòng)模式，點(diǎn)擊通信設(shè)置，彈出通信設(shè)置界面（見(jiàn)圖13）。設(shè)置步驟如下。

圖13 傳感器通信設(shè)置界面

1）本地 IP：192.168.2.3，本地端口：5724。

2）遠(yuǎn)程 IP：192.168.2.10，本地端口：5724。

3）傳感器主機(jī)中設(shè)置IP：192.168.2.3，子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0。

（3）激光器標(biāo)定 主要包括以下步驟。

1）移動(dòng)機(jī)器人，使TCP至第一點(diǎn)P1，并使條紋與標(biāo)定板上記號(hào)線重合?？刂破鞔蜷_(kāi)軟件，打開(kāi)識(shí)別按鈕，找到焊縫位置后，使十字X軸方向位于0位線上，修改機(jī)器人標(biāo)定程序中的點(diǎn)位1。

2）抬高機(jī)器人，使TCP至第二點(diǎn)P2，并使條紋與標(biāo)定板上記號(hào)線重合?？刂破鞔蜷_(kāi)軟件，打開(kāi)識(shí)別按鈕，找到焊縫位置后，使十字X軸方向位于0位線。

3）機(jī)器人回到P1，機(jī)器人在工具Y+方向移動(dòng)10mm左右，使TCP至第三點(diǎn)P3，并使條紋與標(biāo)定板上記號(hào)線重合，修改機(jī)器人標(biāo)定程序中的點(diǎn)位3。

4）移動(dòng)機(jī)器人，使TCP移至第四點(diǎn)P4，并使TCP與標(biāo)記線的焊縫中心重合，修改機(jī)器人標(biāo)定程序中的點(diǎn)位4。

激光尋位程序?qū)嵗缦隆?/p>

5.4 機(jī)器人與工裝

通過(guò)機(jī)器人IO連接，實(shí)現(xiàn)氣缸等執(zhí)行器件的控制，完成上下料自動(dòng)裝夾工作，圓彎頭工裝執(zhí)行元件主要包括壓緊氣缸和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人外部軸，可與機(jī)器人直接聯(lián)調(diào)。

機(jī)器人與工裝控制接口定義見(jiàn)表1，控制邏輯均由機(jī)器人編程完成。

表1 機(jī)器人與工裝控制接口定義

6 結(jié)束語(yǔ)

利用安川六軸機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人自動(dòng)化焊接裝備，該裝備通過(guò)機(jī)器人外部軸協(xié)同作業(yè)功能，精準(zhǔn)控制工件與焊槍的相對(duì)位置和速度，可滿足多種規(guī)格圓風(fēng)管彎頭的焊接工藝要求，大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)約了人工成本。該裝備在生產(chǎn)實(shí)踐中的使用效果達(dá)到了預(yù)期要求。