孫甲利，劉紅衛(wèi)

(山推建友機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

受一帶一路等大工程影響，攪拌車市場(chǎng)在2018年至2020年迅速擴(kuò)張，而容量低于12立方米的輕量化攪拌車增速最快。攪拌車主要由車輛底盤、上裝系統(tǒng)組成，上裝系統(tǒng)主要包含副車架及筒體兩大部件。市場(chǎng)的擴(kuò)張對(duì)前端生產(chǎn)效率的提升提出迫切需求；目前行業(yè)主流方法為半自動(dòng)化二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，自動(dòng)化埋弧焊，在焊接過程中均需要人工參與和調(diào)整，效率不高。

本次研究主要針對(duì)焊接過程智能化，利用視覺系統(tǒng)由機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別工件差異、自動(dòng)跟蹤焊縫位置和變化，全程無需人工干預(yù)。

1 攪拌車筒體一般焊接工藝

（1）攪拌車筒體由封頭、前錐、中筒、后錐、滾道、套圈組成，焊縫組成主要為環(huán)焊縫和縱焊縫，國內(nèi)攪拌車筒體一般由11條環(huán)焊縫及5條縱焊縫組成，如圖1所示。

圖1 攪拌車筒體模型Fig.1 Mixer cylinder model

（2）攪拌車筒體各部件的生產(chǎn)工藝

①封頭

封頭主要由模壓或者旋壓工藝完成，壓制完成后切割反錐板，模壓工藝圓度可以做到約3 mm以內(nèi)，旋壓工藝圓度約在5 mm以內(nèi)。

國內(nèi)攪拌車行業(yè)普遍使用板材厚度約在5 mm至10 mm之間。

②前錐、中筒、后錐

主要由高強(qiáng)度板卷制成型，目前國內(nèi)三輥或四輥卷板機(jī)最高精度可以保證圓度在千分之三以內(nèi)，意大利、日本、瑞士等卷板機(jī)可以保證圓度在千分之一以內(nèi)。

國內(nèi)攪拌車行業(yè)普遍使用 Q355/BW300TP/B520JJ等材質(zhì)[1]，厚度約在3.5-6 mm之間。

③滾道

滾道一般為鍛造加工件，精度可以保證在0.5 mm以內(nèi)。

（3）攪拌車筒體的焊接工藝

①將封頭和前錐分別放入工裝[2]，壓緊組對(duì)。

②內(nèi)側(cè)點(diǎn)固連接處并手動(dòng)焊接完成。

③將中筒放入工裝。

④將后小錐、滾道、后大椎依次放入工裝。

⑤手動(dòng)焊接內(nèi)部焊縫

⑥將前錐工裝、中筒工裝、后錐工裝分別吊裝至滾輪架，整體組對(duì)。

⑦拆卸工裝。

⑧整體吊裝至焊接設(shè)備，進(jìn)行外部焊縫焊接。

（4）典型焊接工藝面臨的問題

①使用二氧化碳焊接專機(jī)[3]

圖2 二氧化碳焊接專機(jī)Fig.2 Special equipment for CO2 welding

常規(guī)使用的二氧化碳焊接專機(jī)（由三軸專機(jī)本體、滾輪架等部分組成）

由于各工件的誤差，導(dǎo)致環(huán)焊縫的縱向（長度方向）位置偏差、環(huán)焊縫的圓度方向偏差、錯(cuò)變量偏差，常規(guī)使用的二氧化碳焊接專機(jī)需要全程進(jìn)行人工干預(yù)，根據(jù)工件偏差隨時(shí)調(diào)整焊槍位置和姿態(tài)，以保證焊接過程的穩(wěn)定進(jìn)行。

附：實(shí)際組對(duì)后的檢測(cè)數(shù)據(jù)

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

①使用埋弧焊接專機(jī)

常規(guī)使用的埋弧焊專機(jī)（由三軸專機(jī)本體、可調(diào)節(jié)角度的滾輪架等部分組成）

此種焊接方式與二氧化碳焊接專機(jī)相比[4]，可實(shí)現(xiàn)所有環(huán)焊縫和縱焊縫的焊接，但同樣因工件的誤差原因，需要全程人工干預(yù)，焊接工人需要緊盯焊縫位置，根據(jù)工件偏差隨時(shí)調(diào)整焊槍位置和姿態(tài)，以保證焊接過程的穩(wěn)定進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

圖3 埋弧焊接專機(jī)Fig.3 Special equipment for SAW

而單純應(yīng)用焊接機(jī)器人，同樣不能解決由于工件誤差導(dǎo)致的焊接無法進(jìn)行。因此2020年以前行業(yè)內(nèi)極少在攪拌筒體上應(yīng)用焊接機(jī)器人的原因。

2 智能化焊接方案

實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵是自動(dòng)識(shí)別工件偏差、實(shí)時(shí)反饋機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)做出姿態(tài)調(diào)整，隨著視覺識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展，這種技術(shù)應(yīng)用已逐步成熟，但由于焊接過程中弧光嚴(yán)重，一般工業(yè)相機(jī)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤并采集數(shù)據(jù)，目前只能采用3D激光器。

因 3D激光器的激光線不能打在焊槍熔池位置，所以實(shí)時(shí)提取的位置并不是焊接時(shí)的位置。這樣就需要對(duì)前置量進(jìn)行緩存。機(jī)器人系統(tǒng)與變位機(jī)配合可以知道罐體的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行實(shí)時(shí)提取旋轉(zhuǎn)位置C和X Z軸進(jìn)行三維重建，得到X Z C的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行濾波去噪和圓滑處理，可以更高質(zhì)量擬合焊縫位置。

智能化焊接系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

①機(jī)器人系統(tǒng)+聯(lián)動(dòng)變位機(jī)系統(tǒng)；

②視覺識(shí)別系統(tǒng)[5]，識(shí)別各焊縫水平、垂直各方向位置、識(shí)別焊縫類型；

圖4 激光識(shí)別示意圖Fig.4 Laser identification

③根據(jù)視覺識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)跟蹤與調(diào)整焊槍位置與姿態(tài)。

包含以下部件：

表2 系統(tǒng)組成Tab.2 System composition

自動(dòng)化后的工作流程：

選擇所要焊接的攪拌筒型號(hào)，自動(dòng)調(diào)用相關(guān)編輯好的程序，滾輪架或變位機(jī)自動(dòng)移至相應(yīng)位置。

系統(tǒng)自動(dòng)將機(jī)器人及焊槍移動(dòng)到指示的環(huán)形焊縫上，通過視覺識(shí)別系統(tǒng)確定焊縫具體位置，實(shí)時(shí)跟蹤、自動(dòng)焊接，所有環(huán)焊縫一次性焊接完成。

通過視覺識(shí)別系統(tǒng)尋找縱焊縫位置，實(shí)時(shí)跟蹤并焊接此條縱焊縫，重復(fù)操作，直至所有縱焊縫焊接完成。

全程不需要人工參與。

此種焊接方法與傳統(tǒng)的的二氧化碳焊接專機(jī)和埋弧焊專機(jī)相比，不需要焊接工人時(shí)刻緊盯并隨時(shí)調(diào)整焊槍姿態(tài)，做到了實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)跟蹤并自動(dòng)調(diào)整焊槍位置和姿態(tài)。是新技術(shù)解決行業(yè)難點(diǎn)問題的典型應(yīng)用。

圖5 自動(dòng)化焊接工作站Fig.5 Automatic welding workstation

3 工藝效果

工藝效果主要體現(xiàn)在質(zhì)量、效率以及可推廣性方面；

在質(zhì)量方面，自動(dòng)化焊接工作站一般采用Ar+CO2混合氣保護(hù)[6]、脈沖工藝，焊接幾乎無飛濺，焊縫魚鱗紋美觀，外觀質(zhì)量較好，焊縫的相關(guān)力學(xué)性能比二氧化碳焊接也有顯著提升。

在效率方面，筒體外部焊縫從長度可達(dá)65-90米，自動(dòng)化焊接由于不需要人工參與，經(jīng)實(shí)際使用、效率可提高300%，非常顯著。

在可推廣性方面，采用視覺識(shí)別技術(shù)，可識(shí)別角焊縫、對(duì)接焊縫，識(shí)別后可實(shí)時(shí)跟蹤，一般焊接結(jié)構(gòu)件均可采用，大幅度降低前端工序的資源投入。

4 討論

在具體使用過程中，由于軌道結(jié)構(gòu)、其與前錐間焊縫間隙較大，必須使用多層多道焊功能。

縱焊縫（長度方向）的初始尋位時(shí)間較長，如在工裝組對(duì)時(shí)就考慮相對(duì)位置，可大大減少尋位時(shí)間。

可以應(yīng)用工業(yè)相機(jī)自動(dòng)識(shí)別攪拌筒型號(hào)，反饋至機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用相關(guān)編輯好的程序，適用于上下工件自動(dòng)化。

5 結(jié)論

機(jī)器人視覺在實(shí)際焊接過程中得到了很好的應(yīng)用，以往必須保證足夠的組對(duì)精度才能保證焊接過程的持續(xù)性和穩(wěn)定性，對(duì)前道下料工序、成型工序、組對(duì)工裝都具有較高的要求，資源投入較大；

使用視覺識(shí)別系統(tǒng)以后，對(duì)前道各工序的要求大大降低，同時(shí)可以保證良好的焊接質(zhì)量和焊接效率。

此種工藝方法不僅使用與攪拌筒體的焊接，對(duì)于小批量、多品種的生產(chǎn)模式具有明顯的借鑒意義。