便攜式相貫線切割焊接一體機的設計

王含宇，崔 軍，張國濤

(新疆威奧科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834003)

便攜式相貫線切割焊接一體機的設計

王含宇，崔 軍，張國濤

(新疆威奧科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834003)

支管和支管間狹小空間的相貫線自動焊接是一個難題，同時，一般相貫線焊接設備的吊裝不便也限制了相貫線自動切割、焊機的大規模推廣應用。根據對相貫線數學模型的研究，在充分了解了焊接生產需求和焊接工藝的基礎上，設計了一種用于接管與筒體正交的馬鞍形焊縫的便攜式的相貫線切割、焊接一體機。通過采用輕量化機械結構設計，達到了便攜式效果。重點介紹了控制系統相關內容，以及無線遙控器在線微量調節焊機參數的方案。

相貫線；切割；焊接；馬鞍型焊機

0 前言

在鍋爐、壓力容器、石油管道管線等的制造安裝過程中，相貫線的切割、焊接形式使用量很大。在國內，這種空間曲線形式的切割通常是先在筒體上人工放樣，然后手工沿著相貫線軌跡進行切割，最后打磨成型。手工切割勢必導致工人勞動強度大，生產率低，對工人的熟練程度和技術水平要求較高，有嚴格的要求，加工質量和加工精度均得不到保證，產品一致性較差[1-2]。在焊接過程中，采用手工焊接的方法同樣存在與手工切割一樣的勞動強度大，質量不穩定、效率低等問題。為此，北京航空航天大學研制了一種大型的騎座式相貫線焊接機器人結構[3-4]。山東大學王新剛等人設計了一臺五軸聯動自動焊接機床[5]。國內多家焊接裝備公司也研發了各自的相貫線焊接設備[6-9]。這幾款相貫線焊接設備雖然能解決一定量的相貫線焊接，但普遍存在焊接機器人或焊接專機體積大、結構復雜、焊前裝卡和焊后拆卸不便等問題。設備在施工現場使用時，一般都需要行車等起重設備先將其吊起，再安裝固定于待焊的支管上。如果需要焊接一個筒體上的多個相貫線接管、人孔，需要多次起吊、安裝，造成不便。當各支管之間空間距離狹小時，相貫線機構與接管可能發生干涉，無法完成自動焊接。為此，設計了一種用于接管與筒體正交的馬鞍形焊縫的便攜式相貫線切割焊接一體機。該焊接切割一體機的最大特點是機械結構的輕量化設計，簡便的自動裝夾方式，可實現單人裝夾、切割、焊接全套操作，不需要機械吊裝和裝夾，提高了生產效率。

1 相貫線數學模型的建立

查閱了相關文獻[1，3，4，6]，他們對兩圓柱正交相貫線的理論數學模型都做了推導和研究，兩圓柱正交相貫線示意如圖1所示。由圖1可知，相貫線空間坐標系xyz下的各個軸投影的計算為

圖1 相貫線模型

式中 r為支管半徑；R為筒體半徑；θ為切割／焊接旋轉角度；x，y，z為投影到xyz坐標軸上的相貫線曲線的空間位置。

由式(1)推導出槍頭隨相貫線旋轉運動中的高度為

式中 h為相貫線在角度變化過程中的高度方向上的變化量；R為筒體半徑；r為支管半徑；θ為旋轉角度；v為旋轉速度；t為旋轉時間。

槍頭隨相貫線旋轉運動中水平方向運動的計算式為

式中 β為割槍角度；h為割槍高度；θ為切割旋轉角度；r為開孔半徑；R為筒體半徑；H為切割時橫臂水平方向位置。

2 機械結構設計

根據相貫線數學模型，設計出相貫線機械結構，如圖2所示。通過槍頭姿態調整電機，調節槍頭姿態，使得槍頭始終位于相貫線焊縫上任意插補點處切線的法平面內[10]。同時實現槍頭的焊接擺動功能。材料采用鋁合金型材，結構設計精巧，總質量不超過20 kg，一人可單手提起進行裝夾，攜帶、安裝方便，體現了便攜式的優勢。同時采用滾珠絲杠和直線滑軌，保證運動執行的精確度。采用三爪自定心卡盤支撐，自動找中，免去人工對中的繁瑣。

圖2 機械結構示意

3 控制方案設計

3.1 控制方案

相貫線切割焊接一體機的控制方案如圖3所示。

圖3 相貫線切割焊接一體機的控制方案

由圖3可知，便攜式相貫線切割焊接一體機采用歐姆龍PLC作為核心控制單元，分別實現了無線遙控器的在線調節、人機界面交互、四軸聯動等控制功能。

將控制箱、人機界面、送絲機及焊接電源等設備整合為一個控制柜(見圖4)，置于焊接件旁。該便攜式切割焊接一體機切割時采用火焰切割；焊接時采用氣體保護焊；切換時，只需更換割槍和焊槍，修改人機界面參數即可，操作簡便。

3.2 人機界面

設計的人機操作界面如圖5所示。通過用戶輸入的筒體和接管參數，自動擬合相貫線曲線軌跡，實現自動的切割和焊接功能。同時，可設置焊接一鍵起動，焊槍擺動速度、幅度、左右停留時間，相貫線焊機旋轉速度、旋轉方向等。

圖4 送絲、焊接電源及控制箱布局

圖6 人機操作界面

3.3 無線遙控器實時在線控制調節方案

筒體和支管的加工、筒體與支管的組對等過程中必然會產生一些變形和誤差量，導致用于切割或焊接的實際相貫線曲線與理論計算的相貫線之間存在隨機偏差量，且無法通過數學建模的方式解決。雖然支管與筒體由于裝配誤差所導致的偏差量并不大，但是如果忽略不補償，又會影響切割精度和焊接質量，在偏差處產生缺陷。

為此，設計了一種無線遙控器方案[11]。無線遙控器方案是在切割或焊接過程中，讓切割或施焊的工人通過一個手持式無線遙控器在線微量調節割槍／焊槍的位置和角度，使得切割和焊接作業能夠應對復雜的工況條件，達到合格的切割和焊接效果。無線遙控的技術方案采用波特率為9 600的無線收發通信模塊，將無線遙控器中的51單片機和控制柜中的PLC進行串行通信。通過識別發射功能碼，PLC控制相應電機驅動器，實現在線微調。

4 樣機及其技術指標

便攜式相貫線切割焊接一體機實物如圖6所示，主要技術參數如表1所示。

圖6 樣機

表1 技術參數

5 工程應用實例

2010年在中石化60萬t／年連續重整裝置的四合一重整進料加熱爐集合管的批量制造項目中，該便攜式相貫線切割焊接一體機在極短時間內完成了焊接生產任務。該項目中集合管的規格為φ 660mm× 20.62 mm，材質1／4CR-M01／2，其上騎座式均勻排布了30～34個直徑為φ 142 mm、材質為F11的三級鍛支管接頭，且每個支管的中心距為256 mm，支管高度106 mm。根據焊接工藝要求，需采用單面焊全焊透的D類焊縫坡口[12]，實心CO2氣體保護焊。由于支管壁厚為30 mm，故平均每個坡口需要焊接約26道。同時，焊前預熱300℃，焊中加熱，焊后后熱。集合管坡口加工精度要求高，加工完畢后需對每個坡口表面實施滲透檢測工藝。

該項目中，密集的各個支管間空間狹小，施工密度大，施工條件惡劣，工程量大，且質量要求高。若采用手工焊接，一個熟練焊工一天最多完成2～3個接頭的焊接工作量，且工作環境惡劣，勞動強度大。由于支管和支管之間空間狹小，支管高度僅為106 mm，限制了一般相貫線焊接機在這個項目中的應用。通過采用便攜式相貫線切割焊接一體機成功解決狹小空間中的自動切割及焊接問題，使用自動焊完成了集合管的制造任務。在多層多道焊接過程中，通過采用正轉一遍，反轉一遍的方法，解決電纜纏繞問題。經過現場實地測量，采用此焊接機后，極大提高了生產效率，降低了工人的勞動強度，穩定了焊接質量。焊接完成后，進行質量檢測，焊縫外觀和成形良好，無可視缺陷。集合管的焊縫成形和集合管焊后效果如圖7所示。

圖7 集合管的焊后效果

6 結論

設計的便攜式相貫線切割焊接一體機具有便攜安裝、無線遙控在線調節焊接參數等特點，在工程實踐中取得良好效果，值得大規模推廣應用。

[1]徐 巖.大直徑筒體數控切管設備的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[2]戴俊平.管接頭切口相貫線加工裝置設計[J].陜西工學院學報，1996，12(2)：76-79.

[3]苗新剛，汪 蘇，李曉輝.大構件相貫線焊縫軌跡擬合方法[J].焊接學報，2011，32(1)：89-92.

[4]汪 蘇，蔡玲玲，苗新剛，等.騎座式相貫線焊縫焊接機器人連續軌跡規劃[J].焊接技術，2010，39(7)：44-47.

[5]王新剛.多功能自動焊接機床伺服控制技術研究與設備開發[D].山東：山東大學，2007.

[6]劉振亞，劉亞洲.一種簡易數控相貫線管孔切割機的設計[J].金屬加工切割技術，2010(4)：41-43.

[7]尹 萍.自動焊接機床運動控制算法研究與軟件系統開發[D].山東：山東大學，2006.

[8]張格睿，張忠厚.一種相貫線曲線通用切割機的研制[J].電焊機，2010，40(2)：91-94.

[9]陳樹君，管新勇，殷樹言，等.管內錨固式相貫線專用焊接機器人[J].電焊機，2009，39(4)：100-103.

[10]李 侃.嵌入式相貫線焊接控制系統開發與實現[J].山東大學學報(工學版)，2008，38(4)：1-6.

[11]蔡興龍，王富林，張奕黃.基于ATmega16的多功能焊機遙控器設計[J].電焊機，2010，40(6)：27-29.

[12]劉曉明，朱向楠，王佳珂.壓力容器C、D類焊縫接頭形式及施焊工藝分析[J].電焊機，2005，35(9)：64-67.

A kind of portable cutting and welding all-in-one machine

WANG Han-yu，CUI Jun，ZHANG Guo-tao
(Weld-Auto Technologies Company，Qaramay 834003，China)

If the space between the branch pipes is narrow and small，automatic welding intersection line is difficult.At the same time, the ordinary intersection line welding machine is inconvenient hoisting which limited the application and dissemination.According study the intersection line's mathematical model，and lean the welding requirements and the welding process，the article designed a kind of portable cutting and welding all-in-one machine.Through the lightweight design，the machine could be portable.The article emphasis on the design of the control system，and the wireless remote control unit which could adjust the parameters online with micro-scale.

intersection lines；cutting；welding；saddle type welding machinene

TG409

A

1001-2303(2012)03-0055-04

2011-04-27

王含宇(1981—)，女，新疆克拉瑪依人，碩士，主要從事焊接自動化設備的研發工作。