孫章龍，黃繼強(qiáng)，楊列峰，薛 龍，黃軍芬，周 海，曹瑩瑜

（1.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100；2.北京石油化工學(xué)院，北京102617；3.庫(kù)卡機(jī)器人（上海）有限公司，上海201614）

基于KUKA弧焊機(jī)器人的盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件焊接工作站

孫章龍1，黃繼強(qiáng)2，楊列峰3，薛 龍2，黃軍芬2，周 海1，曹瑩瑜2

（1.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100；2.北京石油化工學(xué)院，北京102617；3.庫(kù)卡機(jī)器人（上海）有限公司，上海201614）

針對(duì)盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件的焊接特點(diǎn)，基于KUKA弧焊機(jī)器人研制了自動(dòng)化焊接工作站。利用焊接機(jī)器人接觸尋位、多層多道焊和電弧跟蹤等功能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)聯(lián)體刀座工件的自動(dòng)焊接。焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件焊接工作站能夠滿足離散制造企業(yè)的零部件小批量自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。

盾構(gòu)機(jī)；弧焊機(jī)器人；電弧傳感跟蹤；接觸尋位；多層多道焊

0 前言

盾構(gòu)機(jī)刀盤是盾構(gòu)機(jī)的核心部件，因其工作環(huán)境惡劣，受力情況復(fù)雜，對(duì)其設(shè)計(jì)和制造加工過(guò)程有較高的要求[1]。刀箱、刀座是刀盤上安裝滾刀的關(guān)鍵部件，一般采用厚板拼接組焊而成，焊接工序是其加工的關(guān)鍵工序，焊接工作量大，但因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)為非標(biāo)定制產(chǎn)品，難以形成流水式生產(chǎn)作業(yè)模式。國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)制造廠家在處理此類產(chǎn)品時(shí)還是采用手工生產(chǎn)作業(yè)，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量一致性差，同時(shí)伴隨著熟練焊工數(shù)量逐年減少，給盾構(gòu)機(jī)廠家提出了較大的挑戰(zhàn)。本研究以KUKA弧焊機(jī)器人為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)盾構(gòu)機(jī)刀箱、刀座焊接工作站，以期探索盾構(gòu)機(jī)等類似行業(yè)部件制造新模式，推進(jìn)離散制造企業(yè)自動(dòng)化、智能化水平的提升。

1 焊接工作站系統(tǒng)構(gòu)成

刀箱、刀座多為箱形部件，由厚板拼接而成，采用熔化極氣體保護(hù)焊方法，需要進(jìn)行多層多道焊接，同時(shí)為了減小變形，盡可能對(duì)稱焊接[2-3]，工件在焊接加工過(guò)程中需要反復(fù)變換空間位置。

根據(jù)刀箱、刀座焊接加工特點(diǎn)和要求，焊接工作站采用六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人配合移動(dòng)導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)變位機(jī)組合協(xié)同方案。機(jī)器人采用KUKA 5 arc型六軸弧焊機(jī)器人，其最大臂展1.41 m①KUKA Roboter GmbH.KUKA System Technology，2015.，不能直接用于較大部件的焊接，通過(guò)搭載移動(dòng)導(dǎo)軌擴(kuò)大機(jī)器人焊接工作范圍，以適應(yīng)不同大小工件的自動(dòng)化焊接；旋轉(zhuǎn)變位機(jī)夾持待焊工件，并可帶動(dòng)工件0～360°旋轉(zhuǎn)，為機(jī)器人焊接創(chuàng)造合適的空間位置。六軸機(jī)器人、移動(dòng)導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)變位機(jī)的各驅(qū)動(dòng)軸可以協(xié)同聯(lián)動(dòng)，方便弧焊機(jī)器人統(tǒng)一編程、協(xié)同作業(yè)。刀箱、刀座焊接工作站布置如圖1所示。

圖1 焊接機(jī)器人工作站Fig.1Welding robot workstation

2 焊接關(guān)鍵技術(shù)

2.1 焊接工序

以聯(lián)體刀座焊接為例，因涉及厚板焊接，在考慮對(duì)稱施焊的同時(shí)，需要將厚板多層多道焊接技術(shù)、機(jī)器人離線編程技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合完成工件施焊。如圖2所示，借助離線編程技術(shù)，焊接機(jī)器人先行完成1～12打底焊縫及26/27/30/31/34/35/38/39/ 42/43/46/47角焊縫第一道。完成后，利用旋轉(zhuǎn)變位機(jī)搭載工件旋轉(zhuǎn)180°后，再借助離線編程技術(shù)和多層多道焊接技術(shù)按照順序完成13～24焊縫以及25/ 28/29/32/33/37/40/41/44/45/48角焊縫的焊接。然后，變位機(jī)再反向旋轉(zhuǎn)180°，工件位置恢復(fù)到初始位置，機(jī)器人再按順序焊完1～12焊縫及26/27/30/31/34/ 35/38/39/42/43/46/47角焊縫剩下的焊道，從而減小刀座焊接施工中產(chǎn)生的變形量和焊接應(yīng)力。

圖2 聯(lián)體刀座的焊接順序Fig.2Welding sequence of connected tool support

2.2 接觸尋位

盾構(gòu)機(jī)刀座等部件由多個(gè)零件拼裝而成，因拼裝誤差等原因，每個(gè)部件的焊道可能會(huì)存在差異，不能直接調(diào)用已編好的程序進(jìn)行焊接，在焊接前需要通過(guò)接觸尋位來(lái)獲得當(dāng)前焊縫的信息，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。

焊接機(jī)器人的接觸尋位通過(guò)機(jī)器人在焊絲上疊加一個(gè)24 V信號(hào)，當(dāng)焊絲接觸到工件，則通過(guò)焊絲形成電流回路，通過(guò)傳感器發(fā)送回機(jī)器人，機(jī)器人記錄下焊絲與工件接觸時(shí)所處點(diǎn)的位置。重復(fù)動(dòng)作使機(jī)器人在一個(gè)平面上獲取三點(diǎn)（不在同一條直線上），就能獲得工件平面的坐標(biāo)位置，同樣利用接觸尋位的傳感方式，可獲得待焊坡口位置、方向和起始點(diǎn)，方便機(jī)器人自動(dòng)搜尋焊縫位置并進(jìn)行自動(dòng)焊接。

2.3 多層多道焊

盾構(gòu)機(jī)的許多零部件均是由厚板拼接而成，由于材質(zhì)和焊接質(zhì)量等要求，不能采用效率較高的埋弧焊，通常采用熔化極氣體保護(hù)焊，在單個(gè)焊縫實(shí)施多層多道焊接。手工進(jìn)行多層多道焊接時(shí)，需要基于焊工的經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃焊道并保持合適的焊槍位姿。機(jī)器人進(jìn)行多層多道焊時(shí)，關(guān)鍵也是要保證合理的焊道規(guī)劃和合適的焊槍位姿。本研究基于KUKA弧焊機(jī)器人提供的多層多道焊軟件包KUKA.Multi-Layer工藝程序包，以根部焊道軌跡為基礎(chǔ)，通過(guò)編程的偏移量計(jì)算出新的焊道軌跡，并根據(jù)坡口形式優(yōu)化焊接機(jī)器人的位姿?；贙UKA.MultiLayer工藝程序包編寫的一段自動(dòng)完成兩道焊縫焊接的程序如下。

10 MultiLayer.LAYER Direction：POSITIV，

11 MultiLayer.OFFSETSeam：1，Offset：1，LayerNr：

2，WeldPar：PAR

12 ARCON MLDAT(LayerPos)LINSP001Vel=2m/s

CPDAT3 Tool[0]Base[0]

13 ARCSWI MLDAT LIN SP002 CPDAT1 Tool[0]

Base[0]

14 ARCOFF MLDAT LIN SP003 CPDAT1 Tool[0]

Base[0]

15 MultiLayer.LAYER Direction：NEGATIV，

16 MultiLayer.POINT_CORR LayerNr：2，Point 1，

X 10mm，Y 0mm，Z 0mm，A 0°，B 0°，C 0°

17 MultiLayer.OFFSETSeam：1，Offset：1，LayerNr：

2，WeldPar：PAR

18 ARCONMLDAT(LayerNeg)LINSP003Vel=2m/s

CPDAT4 Tool[0]Base[0]

19 ARCSWI MLDAT LIN SP002 CPDAT1 Tool[0]

Base[0]

20 ARCOFF MLDAT LIN SP001 CPDAT1 Tool[0]

Base[0]

21 MultiLayer.OFF

22 END

2.4 電弧傳感跟蹤

盾構(gòu)機(jī)零部件在加工、裝配過(guò)程中的尺寸誤差，位置偏差以及工件加熱變形等因素會(huì)造成接頭位置偏離示教路徑，有時(shí)需修正原有的軌跡。KUKA提供的ArcSense工藝程序包借助電弧傳感提供焊縫高低和左右信息，修正原來(lái)示教軌跡以適應(yīng)工件實(shí)際焊接需求。ArcSense通過(guò)焊接過(guò)程中電流變化獲得實(shí)際焊接過(guò)程中電弧的變化記錄，結(jié)合焊槍的擺動(dòng)可以確定和糾正其與實(shí)際軌跡中心的偏差。電弧跟蹤框圖如圖3所示。

1—焊接電源；2—至電源的焊接電纜；3—電流傳感器；4—至機(jī)器人的焊接電纜；5—焊接機(jī)器人；6、7—數(shù)據(jù)接口及控制線；8—接地線。圖3 電弧傳感設(shè)備框圖Fig.3Block diagram of arc sensor

3 焊接實(shí)驗(yàn)

采用研制的焊接工作站進(jìn)行聯(lián)體刀座的實(shí)際焊接，采用交替焊接順序進(jìn)行對(duì)稱施焊，利用接觸尋位技術(shù)初始定位，將電弧跟蹤和多層多道自動(dòng)焊技術(shù)相結(jié)合，完成一個(gè)五聯(lián)體刀座的焊接，焊接完成的工件如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明，開(kāi)發(fā)的焊接工作站系統(tǒng)能夠滿足相對(duì)復(fù)雜的工件多焊縫、多層多道對(duì)稱施焊。同時(shí)配合不同的安裝卡具，焊接工作站可以進(jìn)行其他種類工件的自動(dòng)化焊接，從而適應(yīng)離散制造企業(yè)進(jìn)行零部件小批量自動(dòng)化焊接生產(chǎn)的需求。

圖4 拼焊完成的聯(lián)體刀座Fig.4Welded connected tool support

4 結(jié)論

（1）針對(duì)盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件的焊接特點(diǎn)，以KUKA弧焊機(jī)器人為核心，研制出盾構(gòu)機(jī)零部件自動(dòng)化焊接工作站。

（2）利用焊接機(jī)器人接觸尋位、多層多道焊和電弧跟蹤等功能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)聯(lián)體刀座工件的自動(dòng)焊接，驗(yàn)證了所研制的盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件焊接工作站能夠滿足離散制造企業(yè)的零部件小批量自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。

[1]竺維彬，鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[2]陳淑惠.焊接方法與設(shè)備[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]殷樹(shù)言.氣體保護(hù)焊基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Welding workstation for key part of tunnel boring machine based on KUKA arc welding robot

SUN Zhanglong1，HUANG Jiqiang2，YANG Liefeng3，XUE Long2，HUANG Junfen2，ZHOU Hai1，CAOYingyu2
（1.China Railway Construction Heavy Industry Group Co.Ltd.，Changsha 410100，China；2.Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；3.KUKA Robot（Shanghai）Co.Ltd.，Shanghai 201614，China）

The automatic welding workstation based on KUKA arc welding robot is developed according to welding characteristics of thekeycomponentsof Tunnel Boring Machine（TBM）.TheKUKArobothasthefunctionsoftouchsensingforpositioning，multilayerwelding and arc sensing for seam tracking etc.，which can be used to realize automatic welding of the connected tool support of TBM.Experimental results of welding show that the welding workstation for the key components of TBM can meet small batch automatic welding production of the components for the discrete manufacturing enterprises.

tunnel boring machine；arc welding robot；arc sensing for seam tracking；touch sensing for positioning；multilayer welding

TG409

A

1001－2303（2017）01－0048-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.09

獻(xiàn)

孫章龍，黃繼強(qiáng)，楊列峰，等.基于KUKA弧焊機(jī)器人的盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件焊接工作站[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：48-50.

2016-07-26

北京市教育委員會(huì)2015年度創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(TJSHG201510017023)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51505035）

孫章龍（1968—），男，湖北廣水人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事掘進(jìn)機(jī)制造研究工作。