摘要：為了提高鍋爐管壁焊接質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)。首先，介紹了焊接熔覆策略。其次，根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器、控制器、控制電子裝置等硬件部分和用戶登錄模塊、管壁包膜焊接模塊、機(jī)器人焊接參數(shù)設(shè)置模塊等軟件組成部分。最后，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn)，不僅可以保證鍋爐管壁焊接質(zhì)量，還能夠提升焊槍振幅，避免出現(xiàn)較多的焊縫。希望通過(guò)這次研究，為相關(guān)人員提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：熱電廠鍋爐；管壁包膜；自動(dòng)化焊接；焊接軌跡；機(jī)器人系統(tǒng)

一、引言

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化和智能化已成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要趨勢(shì)。在熱電廠的運(yùn)營(yíng)中，鍋爐作為核心設(shè)備，其運(yùn)行效率和穩(wěn)定性直接關(guān)系到電力供應(yīng)的安全與可靠。然而，鍋爐管壁在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遭受高溫、高壓及腐蝕等多重因素的影響，導(dǎo)致管壁減薄、性能下降，甚至引發(fā)安全事故。因此，定期對(duì)鍋爐管壁進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，特別是通過(guò)包膜處理提高其防腐蝕性能，成為熱電廠日常運(yùn)維的重要工作之一。與手工焊接方式相比，自動(dòng)化焊接方式具有高效、智能、快捷特點(diǎn)[2]。但市面上的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)功能單一，僅使用一根軸線，容易增加焊槍震蕩運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，降低焊接過(guò)程的穩(wěn)固性，不利于后期精確地調(diào)整和控制導(dǎo)電嘴與工件之間的距離，造成管壁在后期焊接期間，容易出現(xiàn)滲透、飛濺等問(wèn)題。而鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)可以解決以上問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，可以提高鍋爐管壁包膜的焊接效率和焊接質(zhì)量。

二、焊接熔覆策略

在表示鍋爐管壁的幾何形狀時(shí)，通常會(huì)用到多個(gè)特征參數(shù)。采用雙面焊方式，將管壁直接連接于覆蓋膜。在本次研究中，選用脈沖熔化極氣體保護(hù)焊接方式，對(duì)鍋爐管壁進(jìn)行包膜焊接處理，并沿著垂直向下的方向，對(duì)焊珠重疊進(jìn)行沉積處理。沿著垂直向下方向進(jìn)行焊接，可以最大限度地提高焊接電流和焊接沉積率，還能降低滲透程度，確保焊槍與鍋爐管壁始終保持相互垂直狀態(tài)[3]。另外，運(yùn)用該焊接熔覆策略，可以在確保導(dǎo)電嘴與工件距離不變的情況下，獲得較高的焊槍擺動(dòng)幅度、較低的滲透。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，保證系統(tǒng)適用性，需要嚴(yán)格按照以下設(shè)計(jì)要求，對(duì)鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。首先，頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間短。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)性能，需要將系統(tǒng)頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間統(tǒng)一控制在5s以內(nèi)。其次，并發(fā)性強(qiáng)。允許200人以上用戶同時(shí)登錄和訪問(wèn)本文系統(tǒng)，且系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定地運(yùn)行。第三，安全性高。系統(tǒng)應(yīng)強(qiáng)化對(duì)用戶隱私信息的保護(hù)，避免用戶隱私信息泄露[4]。同時(shí)，還要采用數(shù)據(jù)加密的方式，加密保護(hù)敏感數(shù)據(jù)。第四，易操作性。為了提高系統(tǒng)交互性和友好性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面應(yīng)方便用戶操作使用。第五，兼容性高。要求本系統(tǒng)可以在Linux、Windows等主流系統(tǒng)上順暢運(yùn)行。最后，可拓展性高。要求該系統(tǒng)具有較高的可拓展性，方便后期系統(tǒng)需求變更時(shí)，能夠快速拓展原有系統(tǒng)架構(gòu)。

四、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了促使鍋爐管壁包膜焊接變得更加高效化、精確化，在設(shè)計(jì)鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，要重視對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合焊接熔覆測(cè)量，不斷提高焊槍的振幅，方便用戶修改和調(diào)整焊接路徑。同時(shí)，運(yùn)用力學(xué)特性，構(gòu)建自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包含數(shù)控（ComputerNumericalControl，CNC）機(jī)器人、焊槍、磁基。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝、易調(diào)試等特點(diǎn)，焊接機(jī)器人較輕，僅達(dá)到16kg。在自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，通常采用牽引運(yùn)動(dòng)方式，該運(yùn)動(dòng)方式沿著x軸方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即機(jī)器人沿著鍋爐管壁軌道進(jìn)行穩(wěn)定移動(dòng)。在磁基上，安裝和部署相應(yīng)的軌道，該軌道適用范圍廣，可以適用于不同大小的包膜或者管道[5]。另外，將棱形橡膠磁道安裝和固定到軌道上，為機(jī)輪組提供了一定的牽引力，方便機(jī)輪組沿著軌道移動(dòng)。此外，自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)含有四個(gè)自由度，方便焊槍靈活運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人沿著x、y、Z軸向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)設(shè)置以下參數(shù)：機(jī)器人沿著x軸方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)將運(yùn)動(dòng)速度控制在5.0m/min以下，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人工作空間的拓展；機(jī)器人沿著y軸、Z軸方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要將沿y軸、Z軸運(yùn)動(dòng)最大速度統(tǒng)一設(shè)置為7.0m/min，將沿著y軸、Z軸運(yùn)動(dòng)最大位移分別設(shè)置為120mm、40mm；為熔敷焊接提供合適的角振幅，確保焊槍與鍋爐管壁之間形成相互垂直關(guān)系。將角軸位移、角速度分別設(shè)計(jì)為180°、300°/s。

五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)器作為自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)的重要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，起到控制焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡的作用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件時(shí)選用的伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)在規(guī)劃復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡基礎(chǔ)上，將編程難度降到最低，從而減輕開(kāi)發(fā)人員工作量[6]。

（二）控制器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，本文選用Mach3控制器，因其提供簡(jiǎn)潔友好的圖形界面，便于用戶操作。同時(shí)，結(jié)合單個(gè)焊接任務(wù)，Mach3控制器能創(chuàng)建合適的焊接環(huán)境，提高焊接效率和質(zhì)量。此外，在Mach3控制器中安裝和配置示教器和觸摸屏，增加用戶視覺(jué)交互體驗(yàn)，使操作更加直觀和便捷。為降低機(jī)器人焊接軌跡編程難度，重點(diǎn)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，通過(guò)Mach3的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種功能，如直接支持多種文件格式輸入、視覺(jué)G代碼顯示等，提高系統(tǒng)的易用性和靈活性[7]。另外，還方便用戶采用手工調(diào)整的方式，調(diào)整和設(shè)置機(jī)器人焊接軌跡，需要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)特定的圖形界面，利用該界面，獲得焊槍位置、方向，方便用戶快速、精確地調(diào)整和設(shè)置機(jī)器人焊接速度。

（三）控制電子裝置設(shè)計(jì)

控制電子裝置包含電腦主板、電源、保護(hù)電路。電腦主板利用并行端口，將數(shù)字指令傳輸至伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行控制程序。當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障問(wèn)題時(shí)，控制電子裝置會(huì)自動(dòng)啟用邏輯電路的保護(hù)功能，暫停用戶操作。如果伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)運(yùn)行異常問(wèn)題時(shí)，用戶可以在第一時(shí)間點(diǎn)擊“緊急停止”按鈕[8]。

六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）用戶登錄模塊

用戶登錄模塊用于保護(hù)用戶登錄賬號(hào)、登錄密碼，只有通過(guò)系統(tǒng)安全認(rèn)證的用戶才有登錄系統(tǒng)權(quán)限，避免非法人員登錄系統(tǒng)而造成數(shù)據(jù)丟失、泄露。用戶登錄模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，使用HTML、CSS和JavaScript等前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)登錄頁(yè)面設(shè)計(jì)和交互，同時(shí)，還利用加密技術(shù)，對(duì)用戶登錄信息進(jìn)行加密保護(hù)，保證用戶隱私信息的安全性和可靠性。

（二）管壁包膜焊接模塊

管壁包膜焊接模塊作為自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)重要模塊，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)做好對(duì)參考軸、焊槍位置等參數(shù)的設(shè)置。同時(shí)，還要定義管件中心。為實(shí)現(xiàn)對(duì)管件中心的有效定義，需要做好對(duì)焊槍坐標(biāo)系的定義和設(shè)置，從而獲取三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的初始位置，然后，正式進(jìn)入到管壁包膜焊接工作。在管壁包膜焊接模塊中，含有膜層焊接、管膜結(jié)合區(qū)焊接兩個(gè)子模塊。

1.膜層焊接子模塊

在膜層焊接子模塊中，首先，做好對(duì)初始位置、振幅、焊接距離、頻率等參數(shù)設(shè)置。當(dāng)以上參數(shù)設(shè)置完畢后，正式進(jìn)入膜層包覆焊接環(huán)節(jié)，即焊槍從P4點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P5點(diǎn)，膜層焊接示意圖如圖1所示。在P5點(diǎn)位置處，焊接電源自動(dòng)啟用，在焊槍振動(dòng)模式下，首個(gè)焊珠精確地落至P5'。其次，機(jī)器人自動(dòng)控制焊槍快速移動(dòng)到P5點(diǎn)，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)至P6點(diǎn)。在P6位置處，焊接電源被再次啟用，P6'位置處出現(xiàn)第二個(gè)焊珠。最后，機(jī)器人自動(dòng)控制焊槍向P4點(diǎn)移動(dòng)。

2.管膜結(jié)合區(qū)焊接子模塊

在管膜結(jié)合區(qū)的焊接子模塊作業(yè)中，務(wù)必嚴(yán)格遵循既定的焊接規(guī)范與要求，細(xì)致地對(duì)管壁實(shí)施包膜及焊接操作。針對(duì)兩條焊縫的焊接參數(shù)配置，可以借鑒膜層焊接的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。在此關(guān)鍵焊接區(qū)域，需特別注意調(diào)整焊槍的振幅頻率，應(yīng)適當(dāng)降低，以防止因焊珠重疊而導(dǎo)致的焊接缺陷。為克服焊槍振幅降低可能帶來(lái)的焊接效率下降問(wèn)題，應(yīng)相應(yīng)提高焊槍的焊接速度，以確保焊接質(zhì)量與效率的雙重保障。此過(guò)程中，機(jī)器人將發(fā)揮精確控制的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)y軸與Z軸的自動(dòng)化移動(dòng)，精準(zhǔn)引導(dǎo)焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，考慮到實(shí)際作業(yè)中相鄰管件焊槍可能發(fā)生的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，需采取預(yù)防措施。具體而言，可通過(guò)A軸的旋轉(zhuǎn)功能，將其中一條焊縫巧妙地旋轉(zhuǎn)至60°位置，從而有效避免焊槍之間的干擾與碰撞，確保焊接作業(yè)的順利進(jìn)行。

（三）機(jī)器人焊接參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊用于對(duì)機(jī)器人焊接參數(shù)的修改和設(shè)置?？晒┰O(shè)置的機(jī)器人焊接參數(shù)包含以下兩種類型：1.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)?？梢越Y(jié)合焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、步長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2.焊接工藝參數(shù)。通過(guò)設(shè)置機(jī)器人焊接工藝參數(shù)，可以控制機(jī)器人直線擺動(dòng)振幅等參數(shù)。

七、系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性和可靠性，現(xiàn)對(duì)鍋爐管壁進(jìn)行處理，如管壁包膜、管壁焊接實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)選用四根管件，不同管件長(zhǎng)度不同，但直徑相同，均為38mm。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：首先，做好對(duì)自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)安裝和定位，并設(shè)置改系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合三個(gè)測(cè)試點(diǎn)定義零點(diǎn)，該三個(gè)測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)分別為

P1 （0， 0， 0）、P2 （0， -33， 0.5）、P3 （0， -14.7， 9.4）。管件半徑r為19.0mm，坐標(biāo)系零點(diǎn)P0 （0， -16.7， 9.9），獲得管件對(duì)應(yīng)的幾何輪廓，從幾何輪廓中可以看出三個(gè)初始測(cè)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。在擺放焊槍期間，需要將焊槍擺放于管件垂直的位置，并將焊槍與管壁之間的距離控制為16mm。本次實(shí)驗(yàn)選用了不銹鋼焊絲材料，該材料直徑和送絲速度分別為1.3mm、6.2m/min。選用的保護(hù)氣體含有Ar、CO2、N2三種成分。同時(shí)，選用脈沖熔化極氣體保護(hù)焊接方式，將脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖頻率、脈沖電流分別設(shè)置為4.6ms、74Hz、300A，以保證電弧穩(wěn)固性。

在進(jìn)行鍋爐管壁包膜焊接時(shí)，務(wù)必遵循特定的焊接順序以確保焊接質(zhì)量。整個(gè)焊接流程需分為膜層、管膜結(jié)合區(qū)及裸管三大部分，總焊接長(zhǎng)度應(yīng)精確控制在1.4米。對(duì)于膜層的焊接，焊槍振幅設(shè)定為12毫米，焊接速度保持在0.40米/分鐘，以確保膜層焊接的均勻性和牢固性。接下來(lái)是管膜結(jié)合區(qū)的焊接，此環(huán)節(jié)焊槍振幅需調(diào)至32毫米，而焊接速度仍維持在0.40米/分鐘，這樣的設(shè)置有助于實(shí)現(xiàn)管膜之間的緊密結(jié)合。最后，進(jìn)入裸管的焊接階段，關(guān)鍵在于焊珠的布置。應(yīng)將焊珠數(shù)量設(shè)定為3個(gè)，重疊角設(shè)為12.5°。焊槍在振動(dòng)過(guò)程中，三個(gè)焊珠對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)定位角需分別精確控制在48.5°、131.5°和90°，以確保焊接的強(qiáng)度和密封性。同時(shí)，裸管包膜的焊接速度應(yīng)調(diào)整為0.44米/分鐘。運(yùn)用金相學(xué)分析理論，精確計(jì)算出參數(shù)強(qiáng)化、滲透和稀釋等值，從而達(dá)到量化分析焊接質(zhì)量的目的。經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，參數(shù)強(qiáng)化取值范圍為（0.73mm，2.17mm）；滲透取值范圍為（0.26mm，0.96mm），管壁包膜所對(duì)應(yīng)的稀釋比例為29%。自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)利用1小時(shí)時(shí)間，所獲得的管壁包膜焊接面積達(dá)到0.3m2，整個(gè)焊接時(shí)間、焊槍移動(dòng)時(shí)間、閱讀點(diǎn)時(shí)間分別為56min、1min、3min。

八、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文運(yùn)用多軸同步振蕩運(yùn)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以結(jié)合管件表面幾何形狀，設(shè)置比較貼近的焊接軌跡。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)四根管件的管壁包膜進(jìn)行連續(xù)焊接實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文系統(tǒng)具有管壁焊接質(zhì)量高、焊接效率高、焊槍振幅高、焊縫數(shù)量少等特點(diǎn)，保證了管壁表面焊接的平整性，可以滿足鍋爐管壁包膜精細(xì)化焊接需求。

作者單位：李明旭 江蘇省連云港市連云港虹洋熱電有限公司

趙毅 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司連云港分公司

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