□ 田 媛 □ 平雪良 □ 姚方紅 □ 蔣 毅

1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214122 2.無(wú)錫力馬化工機(jī)械有限公司 江蘇無(wú)錫 214177

換熱器等壓力容器在石油、化工、電力、冶金、輕工、核電等行業(yè)的應(yīng)用極其廣泛[1]，我國(guó)壓力容器的焊接制造長(zhǎng)期來(lái)存在自動(dòng)化程度低、效率低、需要大量技術(shù)工人手工操作的問(wèn)題。目前，雖然壓力容器的焊接已開(kāi)始采用焊接操作架、自動(dòng)化焊接小車(chē)等半自動(dòng)化、專用化的焊接裝備，但這些裝置的使用和安裝過(guò)程復(fù)雜，自動(dòng)化程度不高，焊接質(zhì)量也難以保證。由于換熱管的管-板換熱面積較大，換熱管數(shù)量較多，管-板的焊接時(shí)間周期對(duì)焊接技術(shù)及制造成本均有較大的影響[2]。為解決這一問(wèn)題，筆者提出了用焊接機(jī)械臂代替人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的技術(shù)方案，通過(guò)這一方案的實(shí)施，可以有效提高壓力容器制造裝備的柔性和通用性，代替技術(shù)工人的手工操作，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 管-板焊接現(xiàn)狀分析

管-板接頭的典型設(shè)計(jì)為如圖1所示的伸出式帶坡口角焊縫結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹缚p數(shù)量較多，通常會(huì)選擇采用焊接效率高、焊接成形美觀、節(jié)能環(huán)保的全位置自動(dòng)TIG 焊[3]。

自1963年國(guó)外報(bào)道了用來(lái)焊接平焊位置接頭的鎢極氬弧焊機(jī)后，管-板接頭焊接設(shè)備層出不窮。就其整機(jī)結(jié)構(gòu)而言，可歸納為三大類：機(jī)頭懸吊式管-板焊槍、機(jī)頭附壁式管-板焊槍和龍門(mén)式管-板焊槍[4]。機(jī)頭懸吊式管-板焊槍一般通過(guò)平衡吊懸掛，使用時(shí)，由工人將焊槍插入管孔，調(diào)整好槍頭定位機(jī)構(gòu)后啟動(dòng)焊接；機(jī)頭附壁式管-板焊槍與機(jī)頭懸吊式管-板焊槍的主要區(qū)別在于機(jī)頭的固定方式，使用時(shí)也是由工人將焊槍插入管孔，調(diào)整好槍頭定位機(jī)構(gòu)后啟動(dòng)焊接；龍門(mén)式管-板焊槍機(jī)頭裝在龍門(mén)架的橫梁上，可沿橫梁作水平方向移動(dòng)，橫梁可作垂直方向的升降運(yùn)動(dòng)，焊槍上有一心軸可使焊槍外移，入孔定位后開(kāi)始焊接。

▲圖1 管-板焊接接頭形式

由于有先進(jìn)的換熱管生產(chǎn)技術(shù)和精良的管-板加工裝備作支撐，在焊接過(guò)程中電弧斑點(diǎn)與管子外壁之間的距離b及管-板端面之間的距離h可始終不變[5]，如圖1所示。因此，在管-板自動(dòng)焊接設(shè)備的研究過(guò)程中，可以忽略換熱管和板加工精度對(duì)焊接質(zhì)量的影響。在管-板自動(dòng)焊接過(guò)程中，只要設(shè)定b和h，焊接過(guò)程就能按預(yù)定的要求完成。

在施工質(zhì)量方面，除焊接設(shè)備外，焊接工藝、人工操作等對(duì)管-板接頭焊接質(zhì)量也有較大影響[6-7]。在焊接工藝中，焊接層數(shù)及順序、焊接控制參數(shù)（氣體參數(shù)、電流參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)、送絲參數(shù)等）可以通過(guò)大量試驗(yàn)和研究確定，以減小其對(duì)焊縫的表面成形、內(nèi)部熔深等的影響。但是，人工操作中焊前清理、焊槍的定位、鎢極的定位等因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響卻很難控制。

針對(duì)人工操作存在的焊接效率低、焊接質(zhì)量難以保證這一問(wèn)題，筆者提出了用焊接機(jī)械臂代替人工焊接，實(shí)現(xiàn)壓力容器自動(dòng)化焊接的技術(shù)方案。利用焊接機(jī)械臂重復(fù)定位精度高的特點(diǎn)，完成焊槍的定位工作。通過(guò)這一方案的實(shí)施，可以有效提高壓力容器制造裝備的柔性和通用性，代替工人的重復(fù)勞動(dòng)，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

2 機(jī)器人管-板自動(dòng)焊接實(shí)施步驟

將機(jī)器人用于壓力容器管-板焊接領(lǐng)域，主要包括三個(gè)步驟：①搭建機(jī)器人管-板焊接硬件系統(tǒng)；②根據(jù)待焊接管-板三維模型規(guī)劃焊接路徑并編寫(xiě)焊接程序；③根據(jù)管-板焊接工藝，設(shè)計(jì)焊接控制系統(tǒng)，最終完成施焊過(guò)程。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人管-板自動(dòng)焊接，筆者設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人管-板自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其硬件由PLC、機(jī)器人系統(tǒng)、焊接機(jī)械臂、焊接電源、送絲機(jī)、焊槍、水氣系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖2所示。

機(jī)器人管-板焊接實(shí)施步驟歸納為：① 根據(jù)管-板焊接工藝要求，設(shè)計(jì)機(jī)器人管-板焊接專用焊槍及配套的送絲機(jī)、焊接電源、水氣系統(tǒng)等硬件設(shè)備，搭建機(jī)器人管-板焊接硬件系統(tǒng)；②根據(jù)待焊接管-板三維模型，采用相對(duì)坐標(biāo)的方式完成焊縫定位程序的編制；③通過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)中的焊縫定位程序驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)械臂末端的焊槍進(jìn)行焊縫定位，待定位完成后，由PLC主控單元實(shí)現(xiàn)焊槍旋轉(zhuǎn)電機(jī)和送絲電機(jī)的啟停和速度控制，同時(shí)通過(guò)其I/O擴(kuò)展模塊為焊機(jī)提供起弧和維持電弧所需的高頻脈沖焊接電流，最終完成待焊管-板的焊接。

3 焊縫定位路徑仿真及機(jī)器人管-板焊接焊縫定位試驗(yàn)

3.1 管-板模型構(gòu)建

試驗(yàn)?zāi)M產(chǎn)品以管-板接頭形式進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。根據(jù)圖3所示的管-板布孔圖及接頭尺寸要求，構(gòu)建如圖4所示管-板焊接模型，并完成試樣的加工。

3.2 焊縫定位路徑仿真

筆者采用RobotMaster機(jī)器人離線編程仿真加工軟件進(jìn)行焊縫定位路徑仿真并生成焊縫定位程序。RobotMaster可完成機(jī)器人編程、仿真及代碼生成，無(wú)需示教點(diǎn)即可以創(chuàng)建從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的精確機(jī)器人軌跡，同時(shí)其專用工具可避免奇點(diǎn)、軸限位、干涉、不可達(dá)等問(wèn)題，提高了機(jī)器人編程速度。本試驗(yàn)首先將圖4所示的管-板CAD模型導(dǎo)入RobotMaster中，選擇幾何圖形（線、弧線、零件邊緣及/或3D零件），用工具圖形化方法完成機(jī)器人軌跡編程。軟件根據(jù)上述信息自動(dòng)生成機(jī)器人軌跡，如圖5所示。

管-板焊接加工軌跡路線生成后，在RobotMaster中輸入機(jī)器人運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，如機(jī)器人單元的整體設(shè)置、末端工具、刀具中心點(diǎn)數(shù)據(jù)、換刀裝置信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及直線導(dǎo)軌或回轉(zhuǎn)臺(tái)配置等就可進(jìn)行仿真。

▲圖2 機(jī)器人管-板焊接系統(tǒng)示意圖

▲圖3 布孔圖及接頭尺寸要求

▲圖4 管-板CAD模型與試樣

▲圖5 管-板焊接加工軌跡路線

▲圖6 機(jī)器人工作空間及法蘭路徑

▲圖7 機(jī)器人管-板焊接路徑的仿真

試驗(yàn)采用staubli TX90機(jī)器人，用工具庫(kù)中軸向刀具代替焊槍。上述設(shè)置完成后，在機(jī)器人仿真加工界面根據(jù)圖6所示機(jī)器人工作空間及法蘭路徑調(diào)整工件的擺放位置，優(yōu)化機(jī)器人姿態(tài)，管理操作之間的動(dòng)作，完成機(jī)器人管-板焊接路徑的仿真，如圖7所示。通過(guò)仿真可以檢測(cè)機(jī)器人工作時(shí)可能出現(xiàn)的奇異點(diǎn)、腕關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)、超行程、軸限位、不可達(dá)等問(wèn)題，并在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化，模擬出機(jī)器人加工的最優(yōu)路徑。

RobotMaster可以提供 FANUC、ABB、MOTOMAN、KUKA、STAUBLI等機(jī)器人的代碼輸出，仿真結(jié)束后，利用RobotMaster Generate Program后置處理功能，自動(dòng)生成管-板焊接所需加工代碼，如圖8所示。

3.3 焊縫定位試驗(yàn)

由于模擬過(guò)程中采用的不是實(shí)際焊槍定位棒，因而在試驗(yàn)前，需根據(jù)所選刀具的尺寸及定位棒的實(shí)際尺寸對(duì)焊縫定位程序中刀具的尺寸進(jìn)行修正，然后將修正后的焊縫定位程序下載到Staubli焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)中，控制焊接機(jī)械臂進(jìn)行焊縫定位試驗(yàn)，如圖9所示。

▲圖8 管-板焊接機(jī)器人加工代碼

▲圖9 焊縫定位試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械臂在移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)碰撞工件，定位棒進(jìn)入管孔的過(guò)程順暢，該方法可以順利實(shí)現(xiàn)管孔的定位。同時(shí)改裝后的焊槍可以保證管-板焊接的質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

以管-板焊接為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有管-板焊接設(shè)備焊接效率、自動(dòng)化程度及焊接質(zhì)量進(jìn)行分析，提出了一種機(jī)器人管-板焊接方法。通過(guò)焊縫定位路徑仿真及機(jī)器人管-板焊接焊縫定位試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性，為后續(xù)機(jī)器人管-板自動(dòng)焊接的實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)。方案的實(shí)施可以提高壓力容器焊接裝備的焊接效率和質(zhì)量。

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