管道插接專用焊接機器人系統

任福深，董 峰，侯永強，王 晶，任永良

（1.東北石油大學，黑龍江大慶，163318；2.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶，163414） ①

·設計計算·

管道插接專用焊接機器人系統

任福深1，董 峰2，侯永強1，王 晶1，任永良1

（1.東北石油大學，黑龍江大慶，163318；2.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶，163414）①

針對管道插接焊縫的特殊焊接工藝要求，研制了一款專用的開放式焊接機器人系統。在對焊接任務和機器人運動分析的基礎上，設計了管道插接專用的5軸焊接機器人，建立了焊縫位置模型、焊接速度模型。采用IPC＋PMAC控制模式，建立機器人的開放式控制系統。系統中以在IPC機中開發的軟件平臺對焊接工藝參數進行管理，以多軸運動控制器PMAC作為焊接機器人各個關節的運動控制核心，實現了整個機器人系統的控制。焊接試驗結果表明，該焊接機器人系統能夠實現管道插接焊縫的焊接工藝。

焊接機器人系統；相貫線焊縫；專用；開放式

在石油化工、鍋爐等行業中，管道插接是普遍采用的接管形式，也構成油氣長輸管道的重要組成部分［1］。由于焊縫特征是厚壁大管徑的相貫線焊縫，因此焊接周期長，勞動強度大，生產效率低，焊接質量不穩定。現有從國外引進的焊接機器人，均采用了封閉式控制器結構，開放性差，很難針對管道插接焊縫的特殊焊接工藝進行工藝設置。本文針對管道插接的特種焊接工藝，研制了一種開放式管道插接焊接機器人系統。該系統采用多軸運動控制器PMAC（Programmable multi－axis controller）作為焊接機器人各個關節的運動控制核心，采用IPC機焊接工藝參數進行管理。焊接過程中，焊接機器人以管道內壁作為錨固對象，以管道軸線為旋轉中心，在不采用變位機的情況下實現了管道插接相貫線焊縫的焊接工藝。

1 焊接任務及運動分析

1.1 焊接任務分析

管道插接模型如圖1，R和r分別為主管和支管的半徑（通常R為主管的內徑，r為支管的外徑）；θ為相貫角；σ為偏心距。

圖1 管道插接模型

焊縫是由2個不同半徑的管道插接而成的相貫線焊縫，焊接過程中要求焊槍具有很好的位置特性和姿態特性；此外，在實際工況中是多個支管與主管相交，因此焊縫周圍空間受限，要求焊接機器人具有較小結構尺寸以避免同其他焊接機器人的運動干涉；由于該種焊接工況不易采用變位機，因此要求機器人能夠相對管道移動，即機器人具有便攜特性；在機器人與焊縫進行標定時，要使機器人與焊縫位置是確定的，較為適宜的方式是利用支管內壁對機器人進行錨固。

1.2 機器人運動分析

焊接過程中，機器人的運動可分為3類。

1） 以支管軸線為轉動中心的焊接機器人腰部的旋轉運動。因為機器人安裝在管道頂部并以支管內壁為錨固的對象，因此腰部轉動中心與管道同心，要求機器人具有一個腰部旋轉運動的自由度。

2） 焊接機器人焊槍相對焊縫位置的運動。結合焊接機器人的腰部旋轉運動，此處需要機器人具有2個自由度的運動。

3） 焊槍姿態的調整運動。焊槍姿態的調整通常需要3個自由度，由于焊絲是軸性回轉體，因此此處只需要焊接機器人具有2個自由度。可見，該專用焊接機器人至少需要5個自由度才能完成管道插接相貫線焊縫的焊接任務，如表1。

表1 焊接機器人所需運動

2 系統組成及工作原理

2.1 總體結構

焊接機器人系統主要由焊接機器人、焊接電源系統和控制系統3大部分組成。焊接機器人是根據焊接任務而專門設計的；焊接電源系統包括焊接電源、送絲系統和送氣系統組成，焊接電源是經過改進的DC400，利用改進設計的接口裝置，使焊接電源成為了控制系統的一個受控對象［2］；控制系統主要由工業計算機IPC、多軸運動控制器PMAC等硬件設備及在工業計算機中開發的操作控制平臺軟件、PMAC中存儲的PLC程序和運動程序組成，機器人系統的總體結構如圖2。

圖2 焊接機器人系統組成

傳統焊接機器人系統，焊接電源焊接參數的控制和焊接機器人的運動控制隸屬于2個獨立的控制器，焊接過程中按照一定的邏輯關系相互配合來完成焊接任務。本文設計的焊接機器人系統采用了IPC＋PMAC系統控制模式，硬件系統平臺是以工業控制機和PMAC運動控制卡為核心，二者間以PCI總線方式的連接。IPC負責系統的管理及與外部其它輔助設備的連接與通訊。PMAC負責機器人運動和焊接電源的控制，主要包括機器人焊槍運動軌跡、焊槍姿態、焊接速度和焊接電源參數及焊接系統中的開關量參數的監控。從控制系統硬件平臺結構可以看出，IPC在整個系統中只是起到了一個輔助管理的作用，根據工況需要，PMAC完全可以脫開IPC而獨立完成機器人的運動控制和焊接過程控制，這樣增強了系統的互換性和可移植性，滿足開放式控制系統在硬件方面所要求的互換性和可移植性的功能，使控制系統具有較好的開放式性能。

2.2 專用焊接機器人

專用焊接機器人主要由5部分組成：錨固機構、自定心手腕機構、腰部旋轉機構、送絲機構和2自由度位移機構，如圖3。各個機構以機器人的旋轉軸線為中心對稱分布，降低了由于載荷不均衡而使機器人運動不平穩的因素。將送絲機構也安裝在機器人上，讓其隨腰部旋轉機構一起轉動，這樣可以避免機器人旋轉時帶來的纏繞問題。在焊接過程中，通過機器人的錨固機構將整個機器人固定在支管內壁上，焊槍軌跡的控制通過兩自由度位移機構和腰部旋轉機構來實現，焊槍姿態的調整通過自定心手腕機構來控制［3］。

2.3 開放式控制系統

2.3.1 硬件結構

焊接機器人的控制主要由控制機器人關節電機的運動控制器、控制焊接參數的控制器和關節驅動單元組成，共同完成機器人機構按照預期的運動軌跡和運動狀態下焊接任務。此外，在焊接機器人系統中，焊接電壓的控制是通過PAMC的軸通道來實現的，因此焊接電源電壓成為了PMAC中的一個虛擬軸，而焊接電流是通過調整送絲速度來實現的，也就是PMAC對送絲電機的轉速控制實現焊接電流控制。可見，在PMAC控制器中，實際上是對包括機器人5個自由度在內的7個自由度進行的控制，其控制系統硬件結構如圖4。

圖3 焊接機器人

圖4 控制系統硬件結構

2.3.2 伺服控制

機器人運動過程的載荷是不斷變化的，慣性力、耦合反應力和重力等載荷會對機器人的機械手的位置精度和速度精度都會產生影響。采用動力學方法是較為理想的控制方法，然而會影響控制系統的實時性。本系統中將機器人的每一個關節都當作一個單獨的非線性耦合，按照機器人力矩、速度為內環，位置為外環的3層閉環控制方法進行控制，其原理如圖5。

系統中電流閉環依靠伺服放大器的內特性來實現；操作者可以根據實際需要通過調整比例常數Kvp和積分常數Tvi來獲得滿意速度閉環特性；位置閉環控制則由PMAC來實現，操作者可以手動設置PMAC控制器的系統I變量，也可以通過PMAC提供的自動檢測系統負載進行PID參數自動調節功能來實現參數的確定，從而實現對位置精度的調整。

圖5 機器人關節控制原理

2.3.3 控制系統軟件體系結構

控制系統的軟件結構體系影響著控制系統的開放性能，各個功能模塊的獨立性越好，接口功能越完備，系統的開放特性也就越明顯。按照開放式結構設計思想，設計了分層遞階結構的焊接機器人的軟件體系，結構如圖6。

圖6 焊接機器人軟件體系結構

軟件系統根據載體的不同，可以分為上位機軟件和PMAC內置軟件2大塊。在Windows環境下，利用C＋＋Builder開發平臺在上位機中開發了焊接機器人管理平臺，軟件中的各個功能完全按照模塊化結構進行設計，通過調用PAMC應用開發工具中提供的PComm32.DLL動態鏈接庫與PMAC底層庫進行通訊，實現數據和命令的傳輸。軟件平臺主要包括：系統設置模塊、狀態監控模塊、運動控制模塊、專家系統模塊、數據管理模塊、在線指令模塊和通訊模塊7個功能模塊。這些模塊屬于數據管理類程序和輔助類程序，并不直接與外部設備通訊。在PMAC內，PLC程序、運動程序都是基于PAMC語言開發的，是真正直接和外設進行通訊和控制的程序。這些程序可以在上位機中開發，然后通過接口程序下載到PMAC中，也可以通過PMAC工具窗口開發，然后直接下載到PMAC中。

在實際作業中，可以采用2種控制方式。

1） 系統通過傳感器等外部設備，不斷獲取外部信息數據，然后通過上位機處理后，產生新的控制數據。新的控制數據通過通訊接口下載到PAMC卡中，由PMAC卡直接驅動外部設備。這種情況多數是在外部環境和控制參數未定的情況下進行的，根據不斷變化的外部環境來確定新的控制數據。

2） 上位機預先設定好參數和控制程序，然后將參數和程序下載到PAMC卡中，由根據不斷獲取外部信息數據和PMAC的內部程序來進行系統控制。第2種控制方案可移植性好和具有較低的開發成本，應用較多，然而也要求PMAC內部程序具有很好的可靠性和通用性。

2.3.4 控制系統數學模型

焊接機器人以焊槍的位置、姿態和速度為最終控制目標，而焊槍位置和姿態與焊縫的位置和姿態直接相關。針對管道插接焊縫的通用模型，焊槍的位置模型、焊槍的姿態模型和焊接速度模型的具體內容及求法可以參考文獻［3－4］。

3 焊接試驗

焊接機器人樣機如圖7。使用該機器人對主管直徑?300mm、厚度50mm、支管直徑?180mm、厚度20mm、相貫角為90°、偏心距為零、支管開單邊型坡口的試件進行了焊接試驗，焊接過程參數如表2，焊接效果如圖8。

圖7 焊接機器人樣機

表2 焊接參數

圖8 焊接機器人焊接的管道插接焊縫

焊接過程中，機器人能夠利用支管內壁實現牢固的錨固，焊接機器人的旋轉中心線與支管的中心線實現了很好的同軸度要求，實現了焊槍位姿的獨立控制，焊接過程平穩。在相貫線不同位置，焊槍能夠很好地實現位置精度和速度精度的實時控制。上位機控制軟件與PMAC的通訊良好，能夠完整地記錄焊接過程數據，很好地實現了管道插接焊接任務。

4 結論

1） 針對管道插接而開發的專用焊接機器人系統能夠很好地實現管道插接相貫線的焊接任務。

2） 開放式控制系統具有很好的穩定性和開放性，系統中的伺服系統3層閉環控制和焊接電源與焊接機器人一體化控制方式完全滿足焊接機器人系統的作業要求。

［1］ 王 鵬，劉迎來，吉玲康，等.管道工程用厚壁大口徑X80熱擠壓三通性能試驗研究［J］.石油礦場機械，2010，39（10）：63－66.

［2］ 任福深，陳樹君，管新勇，等.基于PMAC的開放式弧焊機器人系統接口設計［J］.電焊機，2008，38（12）：62－65.

［3］ 任福深，陳樹君，管新勇，等.管道插接相貫線專用焊接機器人［J］.焊接學報，2009，30（6）：59－62.

［4］ 任福深，陳樹君，殷樹言，等.焊接位姿參數討論及管道插接建模［J］.焊接學報，2008，29（11）：33－36.

Special－Purpose Welding Robot System of Intersecting Pipes

REN Fu－shen1，DONG Feng2，HOU Yong－qiang1，WANG Jing1，REN Yong－liang1
（1.Norcheast Petroleum University，Daqing163418，China；2.No.2 Production Plant，Daqing Oilfield Engineering Co.，Ltd.，Daqing163414，China）

A portable welding robot for the welding of intersected pipes was developed.Based on the analysis of the welding task and motion of welding robot，a five－degree portable welding robot has been designed，and the mathematical model for welding seam of intersecting pipes has also been established.An open architecture arc－welding robot control system was established with the mode of IPC＋PMAC.The software in IPC manages the welding technological parameters and the PMAC controls the robot motion.The welding result indicates that the welding robot system can achieve good welding technology for welding seam of Intersecting pipes

welding robot system；welding seam of intersection；special－purpose；open architecture

1001－3482（2012）01－0020－05

TE973.3

A

2011－07－18

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（11551013）

任福深（1976－），男，遼寧遼陽人，副教授，在站博士后，主要從事石油礦場機械及其控制研究，E－mail：renfushen＠126.com。