王文洪 季仲致

摘要：在銅制高爐風(fēng)口小套生產(chǎn)過程中，由于其產(chǎn)品形態(tài)多樣且不規(guī)則，進(jìn)而難以單純地使用機(jī)械手示教在線功能實現(xiàn)焊接作業(yè)。目前焊接都以人工為主，從而導(dǎo)致風(fēng)口小套焊接效率低、焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，風(fēng)口小套的焊接工件需要預(yù)熱到650℃以上，作業(yè)現(xiàn)場勞動環(huán)境差，企業(yè)招工難。針對這些問題，研發(fā)了一種使用機(jī)械手焊接風(fēng)口小套的自動控制系統(tǒng)，通過人工遠(yuǎn)程在線遙控的方式來控制機(jī)械手對風(fēng)口小套的I、Ⅱ、Ⅲ焊縫進(jìn)行焊接。運(yùn)行結(jié)果顯示：相比于手工作業(yè)，機(jī)械手焊接系統(tǒng)不論在焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率還是減輕勞動者工作強(qiáng)度上都有較大程度的提升。

關(guān)鍵詞：風(fēng)口小套；機(jī)械手；在線遙控；PLC控制系統(tǒng)

風(fēng)口小套是高爐進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它的作用是將熱風(fēng)送進(jìn)高爐內(nèi)，是保證高爐正常生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。由于它處于高溫工作區(qū)又易受到物料的磨損和冶煉產(chǎn)物的侵蝕，常常導(dǎo)致其有效使用周期較短。風(fēng)口小套破損除使高爐休風(fēng)率上升造成損失外，還給高爐操作帶來很多困難。因此，如何有效提高風(fēng)口小套的使用壽命并降低生產(chǎn)成本成了生產(chǎn)企業(yè)最為關(guān)注的問題。由于風(fēng)口小套的產(chǎn)品形態(tài)多樣、不規(guī)則，所以焊接過程主要由人工完成。由于人工焊接所造成的焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致合格率低，生產(chǎn)成本高是目前風(fēng)口小套生產(chǎn)中存在的最為突出的問題。另外焊接作業(yè)環(huán)境差，勞動強(qiáng)度大，導(dǎo)致企業(yè)招工難，人工成本居高不下。

1系統(tǒng)概述

1.1焊接對象及工藝要求

焊接母材為純銅，密度p≥8.93g/cm3，電阻率p一0.01851·m（20℃），導(dǎo)熱系數(shù)入≥380W/m·K（20℃）。焊接預(yù)熱溫度為680～730℃，始焊溫度≥650℃，終焊溫度≤550℃。焊機(jī)采用HS301型盤狀焊絲，焊絲直徑為1.6mm。焊接電流為280～300A，電壓為28V，氣體流量為30L/Min。I焊縫的焊接速度為10～13cm/min，Ⅱ焊縫和Ⅲ焊縫的焊接速度為13～16cm/min。采用MIG焊接方法進(jìn)行焊接，先焊風(fēng)口小套前端I縫，之后再順序焊接II、III縫。如風(fēng)口小套示意圖l所示。

1.2系統(tǒng)主要功能

針對上文所談問題及風(fēng)口小套焊接工藝要求，設(shè)計了一套使用機(jī)械手來焊接風(fēng)口小套的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能如下：

（1）系統(tǒng)采用6軸焊接關(guān)節(jié)型機(jī)器人，通過手柄及示教器系統(tǒng)操作模式對機(jī)械手末端所固定的焊槍系統(tǒng)進(jìn)行移動和焊接控制，實現(xiàn)人工遠(yuǎn)程輔助遙控機(jī)械手焊接目標(biāo)。在焊接過程中，焊槍頭部可根據(jù)焊縫位置變動實時進(jìn)行姿態(tài)及位置調(diào)整。

（2）系統(tǒng)配有耐高溫視頻系統(tǒng)，可實時對焊接工作區(qū)域進(jìn)行觀察，以方便操作人員了解焊接區(qū)域工件的實時狀況。

（3）保溫爐可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)口小套自動滾動進(jìn)給任務(wù)和遙控傾斜擺角等動作。保溫爐中溫度采用紅外測溫儀實時監(jiān)控溫度，保證焊接過程中的環(huán)境溫度。

（4）機(jī)器人及系統(tǒng)控制器置于控制室內(nèi)，保護(hù)控制系統(tǒng)不受高溫和粉塵影響?？刂剖以O(shè)有透明觀測窗和安全防撞網(wǎng)，控制操作臺上設(shè)有監(jiān)控顯示系統(tǒng)。

1.3系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)分安川工業(yè)機(jī)械手、松下MIG焊機(jī)、保溫爐體滾動及擺動系統(tǒng)、高溫攝像監(jiān)控系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等五大部分組成，系統(tǒng)現(xiàn)場布局方案如圖2所示。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1焊接操作流程

系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示。主要包括三個部分：預(yù)熱及初始化的準(zhǔn)備階段，主要為工件的預(yù)熱與工裝，機(jī)械手的預(yù)編程與示教；第二為焊接實施階段，包括焊接傳感器起弧點自動識別，手動起弧焊接，在焊接的過程中，工件均勻旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手跟隨坡口擺焊，同時通過視頻實時查看焊接質(zhì)量，如遇到工件竄動，焊縫突變，出現(xiàn)軌跡偏差較大導(dǎo)致機(jī)械手無法跟隨，則通過機(jī)械手遠(yuǎn)程手動遙控機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾偏操作，在線修改軌跡，保證焊接順利進(jìn)行。第三階段為焊接完成及下料，機(jī)械手復(fù)位到原點。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用西門子S7-300型PLC作為其主控模塊，用于控制機(jī)器人、變頻器等設(shè)備，并監(jiān)視整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和情況。其中控制和監(jiān)視機(jī)械手采用Profibus DP通信和IO點控制，變頻器采用4～20mA模擬量實現(xiàn)無級調(diào)速。主要控制點表如表1所示。

2.3機(jī)械手系統(tǒng)

系統(tǒng)采用一臺安川MOTOMAN-MH6型工業(yè)機(jī)器人作為焊接機(jī)械手，其為標(biāo)準(zhǔn)的六自由度垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械手，最大負(fù)載重量為6kg，工作半徑為1422mm，重復(fù)定位精度可以達(dá)到±0.08mm。

通常而言，機(jī)械手會根據(jù)提前設(shè)計好的路徑和動作來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，即我們通常說的示教在現(xiàn)功能。但是，由于風(fēng)口小套形狀的不規(guī)則性，加之工件是在另外的加熱爐中加熱后移到保溫爐中進(jìn)行焊接的，保溫爐內(nèi)并沒有設(shè)置其他的工裝夾具來固定，所以難以提前規(guī)劃出一個適用于風(fēng)口小套全部產(chǎn)品焊接的運(yùn)動路徑。根據(jù)這種情況，機(jī)械手增加了焊縫跟蹤模塊，可實時根據(jù)坡口情況，進(jìn)行跟蹤焊接。系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了一個控制手柄，可同時進(jìn)行機(jī)械手末端高度和左右兩維方向的調(diào)整。以達(dá)到機(jī)械手在自動焊接的過程中，通過視覺系統(tǒng)實時觀察焊接的情況，若焊接的高度或者左右位置出現(xiàn)竄動而導(dǎo)致工件焊縫位置突變時，可通過手柄遠(yuǎn)程遙控修訂機(jī)械手的焊接位置，使焊接過程順利完成。

3結(jié)語

本文介紹的風(fēng)口小套焊接工作站，由于采用了工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動焊接，具有性價比高、可靠性好、作業(yè)效率高的特點，帶來的生產(chǎn)質(zhì)量可控，達(dá)到企業(yè)要求。將人力從繁重的體力勞動以及惡劣的高溫粉塵環(huán)境中解放出來，只需要出現(xiàn)突變異常的時候進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控即可，具有很高的現(xiàn)實意義和使用價值，解決了企業(yè)的實際需求。通過投入現(xiàn)場的使用情況看，本焊接工作站具備以下優(yōu)點。

3.1提升產(chǎn)品質(zhì)量

系統(tǒng)采用PLC為主要控制單元，工業(yè)機(jī)械手作為底層執(zhí)行設(shè)備，人工只起到焊接過程遙控糾偏的作用。所以很大程度上保證了每次動作的精準(zhǔn)性，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2減輕勞動者強(qiáng)度

系統(tǒng)大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，使得工人不再進(jìn)行繁重的體力焊接工作，最大程度上減小了高溫、粉塵及焊接過程中的弧光、飛濺及煙霧等對人身造成的傷害，勞動者只需要糾正焊接過程中的偏差即可。

3.3提高生產(chǎn)效率

從企業(yè)管理的角度來說，都希望生產(chǎn)質(zhì)量和效率兼得。本系統(tǒng)由于采用機(jī)器人焊接，實現(xiàn)了產(chǎn)品工藝可控，排產(chǎn)方便，柔性很大，通過修改程序即可滿足不同工藝卡對焊接的要求，大大提高了效率，企業(yè)可以根據(jù)不同的訂單需求進(jìn)行排產(chǎn)，有計劃地進(jìn)行產(chǎn)量控制。