楊 鼎，呂 崧

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

焊接機(jī)器人在工業(yè)制造中的應(yīng)用：開發(fā)并建立焊接機(jī)器人自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)線，并針對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)集成適用于盾構(gòu)機(jī)刀盤等復(fù)雜構(gòu)件的自動(dòng)化焊接裝置及其附屬配套設(shè)施；建立機(jī)器人焊接控制系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成為不同焊接位置提供合理的多層多道焊接參數(shù)，在焊接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排焊。焊接機(jī)器人與傳統(tǒng)人工操作焊接相比，具有高效、自動(dòng)化及抵抗惡劣工作環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，是焊接加工史上的重大變革，其應(yīng)用及發(fā)展前景巨大，世界各科技先進(jìn)國(guó)家都在加大研究力度，使得焊接機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越向智能化及多元化方向發(fā)展。目前我國(guó)正由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，急需提升產(chǎn)業(yè)加工手段，通過(guò)應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，提高我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)檢索查新，對(duì)于工業(yè)焊接機(jī)器人集成技術(shù)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤等結(jié)構(gòu)復(fù)雜單元體上的應(yīng)用，率先掌握工業(yè)焊接機(jī)器人在大厚度鋼板與結(jié)構(gòu)復(fù)雜單元體中的應(yīng)用，拓展焊接機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 工藝特點(diǎn)

（1）盾構(gòu)機(jī)制造使用機(jī)器人技術(shù)，對(duì)工件的焊接，可以大大提高焊接質(zhì)量，避免了由于人員技能水平的高低而產(chǎn)生的焊接質(zhì)量差異。同時(shí)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于提高生產(chǎn)效率起到積極促進(jìn)作用。

（2）基于激光掃描反饋、自適應(yīng)和智能尋位系統(tǒng)，對(duì)坡口一次掃描即完成合理焊接路徑規(guī)劃，實(shí)時(shí)反饋并自動(dòng)整合數(shù)據(jù)，優(yōu)化焊接過(guò)程，形成吻合實(shí)際焊道變化的焊接路徑及工藝，實(shí)現(xiàn)中厚板多層多道焊縫的全自動(dòng)化焊接，提高了焊接效率。

（3）目前在國(guó)內(nèi)外焊接領(lǐng)域，焊接機(jī)器人主要用于薄板焊接，薄板焊接大部分對(duì)焊接質(zhì)量要求不高，焊接無(wú)需熔透。對(duì)于中厚板焊接應(yīng)用較少，中厚板的多層多道焊接主要以第一道焊縫為基準(zhǔn)，根據(jù)坡口尺寸，多次采用坐標(biāo)偏移的方法完成多層多道的焊接，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊接變形導(dǎo)致坡口尺寸發(fā)生變化，需要不斷修正偏移量，致使焊接效率低下，焊接質(zhì)量難以保證，主要焊接厚度20 mm 以下的板材。

（4）以盾構(gòu)機(jī)刀盤扭腿焊接為例，工件厚度均在80 mm 以上，坡口填充量巨大，基于激光掃描系統(tǒng)和焊縫自適應(yīng)規(guī)劃系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)焊接坡口實(shí)施一次掃描，可一次完成合理的焊道規(guī)劃排布，通過(guò)建立焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)整條焊縫的全自動(dòng)化焊接。焊接過(guò)程中伴有電弧跟蹤，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，同時(shí)大脈沖保證了焊縫的大熔深，大大提高了焊接質(zhì)量和焊接效率，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 刀盤扭腿全自動(dòng)焊接

3.1 施工工藝流程

圖1 施工工藝流程圖

3.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

3.2.1 焊接試板

焊接材料選用Q345B，焊接試板尺寸均定為20 mm×300 mm×500 mm，對(duì)接試驗(yàn)試板采用平焊位，非對(duì)稱Ⅹ型坡口，坡口角度60°。

3.2.2 試樣制備

表1 試塊規(guī)格參數(shù)表

3.3 建立焊接數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)對(duì)不同的板厚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，具備常用20 mm~180 mm 板厚、V 型坡口或雙邊 V 型坡口，坡口角度40°~65°形式的多層多道焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)際項(xiàng)目工件焊接可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行焊接。

圖2 焊接數(shù)據(jù)庫(kù)

3.4 工件焊接

3.4.1 扭腿工件

主要針對(duì)刀盤扭腿部件進(jìn)行自動(dòng)化焊接研究，選取了刀盤結(jié)構(gòu)中較為具有代表性的兩種扭腿部件，最大坡口角度達(dá)到50°，2 mm 鈍邊，2 mm 組裝間隙，板厚均在80 mm 以上，坡口形式較為復(fù)雜且焊接填充量大。圖3 為箱型扭腿工件，圖4 為環(huán)座扭腿工件。

圖3 箱型扭腿

圖4 環(huán)座扭腿

采用激光對(duì)箱型扭腿和環(huán)座扭腿工件焊接坡口進(jìn)行掃描讀取坡口截面數(shù)據(jù)，掃描過(guò)程為間隔性讀取截面，讀取的截面數(shù)據(jù)傳輸給自適應(yīng)規(guī)劃系統(tǒng)，規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)激光掃描獲取的截面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析篩選，將獲取的有效截面進(jìn)行整合規(guī)劃自動(dòng)排列焊層焊道。

箱型扭腿共有4 條焊縫，其焊縫為直線焊縫，每條焊縫兩端均為漸變行坡口，每條焊縫掃描1 次共掃描4 次。環(huán)座扭腿共有8 條焊縫，其焊縫為弧形焊縫，每條焊縫掃描1 次共掃描8 次。

3.4.2 機(jī)器人的焊接編程

首先要進(jìn)行準(zhǔn)備工作：傳感器已進(jìn)行了正確的標(biāo)定；上位機(jī)軟件已連接上傳感器（通過(guò)開關(guān)激光驗(yàn)證）。編程操作步驟：

（1）新建一個(gè)例行程序，示例中命名為FindingTest。程序中的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)指令必須指定一個(gè)已標(biāo)定的工件坐標(biāo)系（在工件附近即可）。當(dāng)創(chuàng)建了一個(gè)新程序或修改了現(xiàn)有程序后，必須以運(yùn)行模式手動(dòng)進(jìn)行試運(yùn)行。

（2）添加初始化指令，添加指令>Common>ProCall>INI，然后確定。

（3）設(shè)置參數(shù)MeaEnable 值為TRUE，CorrEnable值為FALSE，示例ProgramID 值為10。

（4）記錄一個(gè)安全位置，插入MoveJ 指令，手動(dòng)操作機(jī)器人移動(dòng)至測(cè)量位置，將上位機(jī)軟件設(shè)置成手動(dòng)模式，打開激光，分別設(shè)置參數(shù)工件編號(hào)和任務(wù)編號(hào)、相機(jī)曝光強(qiáng)度（輪廓清晰）、算法類型。

（5）記錄機(jī)器人位置，插入MoveL(MoveJ) 指令，圓滑過(guò)渡半徑設(shè)置為fine，速度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置，機(jī)器人在測(cè)量位置盡量不發(fā)生抖動(dòng)，如有必要添加一個(gè)等待時(shí)間0.5 s（等待時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)情況而定）。

（6）添加測(cè)量指令，選擇添加指令>Common>ProCall>MEASURE，然后確定。

（7）設(shè) 置 參 數(shù)PartID 值 為1，TaskID 值 為2，PointID 值為1。

（8）重復(fù)步驟4~7 記錄測(cè)量點(diǎn)2 和3。

（9）插入修正指令，添加指令>Common>ProCall>CORR3P。

（10）設(shè)置參數(shù)CorrPointA 值為1，CorrPointB值 為2，CorrPointC 值 為3，CorrBASE 值 為wobj1。

（11）示教焊接軌跡（需要執(zhí)行修正的軌跡）。注意插補(bǔ)指令的 wobj 必 須選用修正指令同樣的wobj1。

（12）添加取消修正指令，選擇添加指令>Common>ProCall>CORRCANCEL。

（13）設(shè)置參數(shù)CancelBASE 值為wobj1。

（14）作業(yè)運(yùn)行及修正運(yùn)行后開始焊接。

3.4.3 全自動(dòng)焊接過(guò)程

機(jī)器人焊接前編程具體步驟如表2。

表2 機(jī)器人焊接編程步驟

機(jī)器人掃描、規(guī)劃、焊接過(guò)程如圖5。

圖5 箱型、環(huán)座扭腿焊接過(guò)程照片

3.4.4 焊接過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題及解決方案

（1）箱型扭腿焊縫兩端頭焊接填充未滿。

原因分析：焊縫兩端頭屬于漸變形坡口，激光掃描系統(tǒng)無(wú)法對(duì)漸變形坡口進(jìn)行掃描。

解決方案：在端頭漸變形坡口位置安裝引導(dǎo)板，安裝的引導(dǎo)板與中部的坡口尺寸相同，使其形成一條完整的規(guī)則焊縫，以便激光能完整掃描。

（2）基于ABB PCSDK6.03 開發(fā)的數(shù)據(jù)接口在RW5.16 的機(jī)器人系統(tǒng)上運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)讀取坡口數(shù)據(jù)數(shù)組時(shí)出錯(cuò)。

原因分析：測(cè)試驗(yàn)證， 發(fā)現(xiàn)基于 PCSDK6.03 開發(fā)的數(shù)據(jù)接口在對(duì)RW5.16 與RW6.0 以上版本的系統(tǒng)中讀取的數(shù)據(jù)數(shù)組長(zhǎng)度存在容量差異。

解決措施：將坡口輪廓數(shù)組進(jìn)行拆分，數(shù)組數(shù)量變多，而每個(gè)數(shù)組的長(zhǎng)度變短，總的數(shù)量容量不變。

（3）機(jī)器人軌跡會(huì)沿焊縫的一邊偏離。

原因分析：可能原因是焊槍及激光TCP 標(biāo)定時(shí)的誤差，也可能是激光器自身的偏差。

解決措施：經(jīng)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)偏差基本是固定的，在自動(dòng)規(guī)劃程序中增加系統(tǒng)偏差修正變量。

（4）按坡口截面輪廓規(guī)劃焊接的填充量實(shí)際偏多。

原因分析：原來(lái)定義的有效焊接熔覆率為93%，由于本次試焊采用脈沖電弧進(jìn)行焊接，飛濺偏少，實(shí)際有效焊接熔覆率會(huì)高于93%；另一個(gè)原因焊接過(guò)程中，試焊件受熱變形導(dǎo)致實(shí)際坡口截面積變小。

解決措施：將有效焊接熔覆率調(diào)整為97%；對(duì)焊接受熱變形導(dǎo)致的實(shí)際坡口截面積變小進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整。

（5）激光焊縫傳感器鏡片受焊接煙塵影響。

原因分析：激光焊縫傳感器安裝在夾槍臂上，中厚板大電流連續(xù)焊接產(chǎn)生的煙塵等會(huì)將傳感器鏡片覆蓋遮擋而影響正常掃描。

解決措施：在后期項(xiàng)目中需考慮增加傳感器的防護(hù)裝置，掃描時(shí)防護(hù)裝置打開，焊接時(shí)防護(hù)裝置關(guān)閉；或者考慮使用機(jī)器人工具快換裝置。

（6）激光掃描坡口底部的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)存在一定誤差。

原因分析：激光焊縫傳感器在掃描坡口時(shí)，由于坡口底部寬度較小，且接近激光傳感器的最低量程，因此坐標(biāo)偏差較大，有咨詢過(guò)激光傳感器廠家，得到的回復(fù)也是底部坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)存在偏差。

解決措施：在進(jìn)行圖形規(guī)劃之前，對(duì)采集到的坡口坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，對(duì)坡口底部坐標(biāo)進(jìn)行高度比較，取低數(shù)值相對(duì)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

（7）焊接過(guò)程中每一層的成形都會(huì)與規(guī)劃圖形存在一定誤差，焊接層數(shù)越多，誤差越大，再次掃描所得到的數(shù)據(jù)誤差也會(huì)越大。

原因分析：主要為焊接是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響焊接成形的因素很多，經(jīng)過(guò)多層焊接，成形誤差累加。

解決措施：實(shí)際項(xiàng)目中盡可能采用一次掃描規(guī)劃焊接完成，如果一定要使用二次掃描時(shí)，最好在焊接完前2~3 層后就做二次掃描，不要在最后一兩層時(shí)做二次掃描。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工藝以盾構(gòu)機(jī)刀盤扭腿為研究工件，工件厚度均在80 mm 以上，坡口填充量巨大，基于激光掃描系統(tǒng)和焊縫自適應(yīng)規(guī)劃系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)焊接坡口實(shí)施一次掃描，可一次完成合理的焊道規(guī)劃排布，通過(guò)建立焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)整條焊縫的全自動(dòng)化焊接。焊接過(guò)程中伴有電弧跟蹤，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，同時(shí)大脈沖保證了焊縫的大熔深，大大提高了焊接質(zhì)量和焊接效率，經(jīng)濟(jì)效益明顯，研究?jī)r(jià)值巨大。