機器人在鉆頭焊接設備上的應用

顏 進，陳本亮，王錦夏

(成都焊研威達科技股份有限公司，四川 成都 610300)

0 概述

隨著煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，為了滿足安全生產、提高產量的要求，需要煤礦機械設備中的掘進機械構造更加大型化。作為其核心部件，鉆頭的加工工藝更為復雜。其結構形式分布是按照空間螺旋線排列，焊接結構比較特殊。在生產中，能否精確保證截齒的空間位置是決定截齒壽命和掘進機生產質量的關鍵。稍有角度偏差，就會影響整機的使用壽命和掘進進度。目前國內掘進鉆頭生產所用基本上都是一些陳舊設備，鉆頭生產采用的也是手工焊接，通過工裝夾具和手工劃線無法保證其空間角度的準確性。焊接的實施和變形的控制通過人工來完成。其焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾渣，焊接質量不穩(wěn)定，焊工勞動強度大，已成為制約鉆頭生產的主要因素。以機器人的靈活性、高速性和自動焊的效率特性作為系統(tǒng)的設計基礎，配合高精度轉臺和氣動手指設計的系統(tǒng)，具有需要人員少、勞動強度低、能焊鉆頭種類多、生產效率高、易于批量化生產、空間角度易保證等諸多優(yōu)點，其效率、質量和可重復性都大幅度提高，可以很容易地實現(xiàn)不同小批次的自動化生產，滿足用戶對大型掘進機械的更高要求。

掘進機鉆頭焊接的主要工序為：截齒座與截割頭的空間定位，然后進行焊接。其工件材質為碳鋼、低合金鋼等，組裝形式如圖1所示。

1 鉆頭機器人自動焊接系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)概況

圖1 截割頭、截齒座簡圖及焊縫位置

鉆頭機器人自動焊接系統(tǒng)采用單工位結構形式，以精密轉臺為中心，兩邊分別布置搬運機器人和焊接機器人，截割頭安裝在精密轉臺上，分度轉動到位后，搬運機器人抓持截齒座至截割頭預定位置，焊接機器人對此進行點固焊，實際工作區(qū)域為一扇形地域。主要由焊接機器人系統(tǒng)、智能焊接系統(tǒng)、搬運機器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、抓取裝置、高精密轉臺、自動化程控系統(tǒng)、焊接夾具、存料臺及其他輔助設備組成。系統(tǒng)具有技術先進、功能完善、適應性強、可靠性高的特點。

1.2 機器人

由于國內的鉆頭形式多樣，體積大小不一，焊縫數(shù)量多，如用專機來實現(xiàn)焊接，很難滿足種類、形式等需求，不利于后續(xù)的功能擴展，機器人就成為目前的最佳選擇。為了在高性能、低成本等條件下達到最佳配置，借助目前先進的模擬設計軟件，以機器人配合智能焊接系統(tǒng)和位姿標定系統(tǒng)等就構成了機器人焊接系統(tǒng)，具體結構形式有兩種：（1）焊接機器人＋智能焊接系統(tǒng)＋監(jiān)測及標定系統(tǒng)+高精度轉臺+輔助裝置等；（2）焊接機器人＋智能焊接系統(tǒng)＋監(jiān)測及標定系統(tǒng)+搬運機器人+視覺系統(tǒng)++高精度轉臺+輔助裝置等（其設備布局方式見圖2）。第一類機器人自動焊接系統(tǒng)適合于中小型鉆頭的加工，要求工件表面相對平整且曲率變化較?。坏诙悪C器人自動焊接系統(tǒng)適合于大型鉆頭的加工或者復雜表面的工件焊接，標定的位置精度高。結合國內掘進機械的大型化發(fā)展趨勢，本設計采用第二種結構形式。

其中焊接機器人系統(tǒng)具有電弧自動跟蹤、焊縫自動尋找、多層多道焊接、防碰撞等多種功能，以便靈活運用來滿足不同鉆頭的焊接要求。搬運機器人系統(tǒng)配備視覺系統(tǒng)和抓取裝置等，可根據(jù)具體情況配合焊接系統(tǒng)進行協(xié)調工作。

圖2 截割頭、截齒座平面布局圖及設備位置

1.3 智能焊接系統(tǒng)

智能焊接系統(tǒng)選用雙脈沖數(shù)字化機器人專用的高性能焊接電源。性能穩(wěn)定可靠、內存多組焊接專家系統(tǒng)、一元化參數(shù)調節(jié)；瞬間斷弧時間檢測等多個實用周全的控制功能，充分保證焊接質量及設備自身保護；通過總線與控制器進行通訊，具有點焊功能和電弧推力控制功能，滿足全位置焊接。同時配備大功率機器人水冷焊槍，采用兩路保護氣設計，外層通道的保護氣成軸向氣流，而內層通道的保護氣成徑向氣流，在噴嘴內混合形成層流狀保護。由于加強了保護氣的流動控制，使得氣體保護效果非常優(yōu)秀，焊縫質量高。同時加裝高靈敏度防碰撞傳感器和焊槍服務系統(tǒng)，滿足無人化智能焊接?？梢栽诤芨叩暮附铀俣认聦崿F(xiàn)高度靈活的焊接，減少合金元素燒損，減小熱輸入量，使焊接效率高，工件變形小。

1.4 高精密轉臺和焊接夾具

由于掘進機鉆頭的截割頭需要在旋轉運動下完成多個截齒座的焊接，工件越來越大，其定位精度成倍增加，如果靠單純的手工焊接很難在節(jié)拍、精度上滿足要求。

根據(jù)要求設計的高精密轉臺具有高速旋轉、高精度自動定位等功能，它是焊接夾具的載體，帶動工件分度旋轉，與搬運機器人及焊接機器人配合，用于截齒座組對。精密轉臺的旋轉運動由高分辨率交流伺服電機驅動，分度準確，具有可靠的自鎖功能，同時回轉體采用高精度回轉支撐，與搬運機器人及焊接機器人通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)程序自動控制，程序控制轉角。能夠根據(jù)工序自動變換焊接角度，使焊接完全實現(xiàn)自動化，能有效減輕焊工勞動強度，提高生產效率。

面對批量化的生產，而工件外觀、種類都在不斷地發(fā)生變化，這對工裝夾具的定位精度和滿足不同尺寸方面提出了挑戰(zhàn)。通過采用標定系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)，結合三爪卡盤反爪繃緊截割頭內空，自動操作，自動定心。有效解決了上述問題，滿足自動化焊接的要求。

1.5 自動化程控系統(tǒng)與氣動手指

要將搬運機器人與焊接機器人、智能焊機系統(tǒng)、高精密轉臺有機地聯(lián)系在一起，滿足全自動化焊接的要求，就離不開自動化程控系統(tǒng)。幾者之間通過接口進行通信和相關動作的鏈接，共同完成送料、分度轉動、截齒座的定點抓取、定位及點固焊接等工作。工作站程控系統(tǒng)選用PLC為控制核心，整個系統(tǒng)通過CC－LINK、PRORFTBUS有機地聯(lián)系在一起，達到最優(yōu)的自動化控制效果。

氣動手指安裝在搬運用機器人的第六軸上，氣動夾緊截齒座內孔，不受截齒座外形方向影響。通過合理的設計，其壽命長，機械手正常使用抓取次數(shù)可高達數(shù)萬次。產品夾持力大，結構緊湊，外形尺寸小，精度高、快速。配合轉臺式存料結構，臺上可放4個或更多的截齒座，便于搬運機器人定點取件。

2 鉆頭工藝流程

2.1 焊前準備

確認焊接機器人、搬運機器人到達原位置。在手動狀態(tài)下，選擇轉臺控制類型與正轉反轉配合方式。將合格的截齒座置于轉臺上，人工將截割頭吊裝到變位機上，用卡盤定位完成后，啟動自動程序準備焊接。

2.2 工藝措施

（1）機器人檢測截齒位置的標定。

由于截割頭體積大，并且要在不同的分度位置焊接螺旋線式的截齒座，如果通過人工劃線示教來實現(xiàn)，既繁瑣又不能保證一致性和高精準性。通過建立數(shù)學模型，假設通用的常數(shù)項數(shù)字值，實現(xiàn)軌跡的自動生成，運用在線修改工具，到達理論與實際的吻合。

截齒在截割頭上的空間位置是由截齒定點的空間坐標和截齒的法向向量角度來確定的。如圖3所示，截割頭位于直角坐標系中，對于截齒齒尖坐標為一個截齒，用坐標系對截齒進行定位。

圖3 截割頭、截齒座坐標系的表達參數(shù)

首先檢測截齒的頂點坐標（計算樣表見表1），由此來精確定位截齒座在截割頭螺旋線上的位置；再檢測截齒法向向量角度（計算樣表見表2），通過頂點與線的向量角度，由此確定截齒座的空間三維位置。

表1 機器人檢測截齒頂點坐標

（2）機器人在焊接中的運用。

搬運機器人借助視覺系統(tǒng)從存料架上準確抓取截齒座至截割頭的算法空間預定位置，焊接機器人使用焊縫自動尋位功能對截割頭焊縫進行起始點的尋找，點固與焊接截割頭，在焊接過程中，機器人使用電弧跟蹤實現(xiàn)焊縫跟蹤，保證焊槍對中，糾正由于工件裝配或焊接變形產生的偏差（見圖4）。整個工件的焊接由機器人自動程序通過協(xié)調搬運機器人和焊接機器人等部件來實現(xiàn)。不同工件可調用不同的程序進行焊接。

表2 機器人檢測截齒法向向量角度

圖4 雙機器人焊接系統(tǒng)

（3）焊接參數(shù)與方式的設定。

保護氣體選用φ(Ar)83%+φ(CO2)17%的混合氣體，焊絲直徑φ1.6 mm。截齒座的每條焊縫采用相同的焊接參數(shù)進行焊接，焊接中，自動焊槍根據(jù)每條焊縫的實際位置，調整最佳姿態(tài)并使用擺動功能。通過不同的分度轉動與螺旋曲線移動，完成整個截齒座在截割頭上的焊接。

2.3 焊接質量的檢驗

達到GB/T11345-89Ⅰ級（鋼焊縫手工超聲波探傷方法及探傷結果分級），保證焊縫內無裂紋、未融合、未焊透、不咬邊等缺陷，具體實物效果如圖5所示。截齒座在截割頭上的準確定位和連接已近理想化的設計模型，為提供具有超強截割硬度、超長使用壽命和極高截割效率的截割頭和截齒座奠定了堅實的基礎。

3 結論

（1）通過現(xiàn)場工件焊接，機器人智能焊接系統(tǒng)比傳統(tǒng)焊接效率提高了2～3倍。

圖5 截割頭、截齒座焊接效果

（2）焊接中無需人工參與操作，一個啟動按鈕機器人就可以完成整個工件的焊接。位置自動計算，上件速度快，效率高，最大化地減輕了工人的勞動強度；不同類型的工件焊接更換流程簡單，僅需重新設置標定系統(tǒng)即可；同批次的工件焊接中無需做任何變動，重復定位精度高。

（3）在其動作范圍內可自由選擇工件，易與各種設備形成柔性焊接生產線或自動生產線，經濟效率高。其投入使用后，將大幅提高鉆頭的生產效率和產品質量，加快工程進度，降低生產成本和焊工勞動強度，必將獲得良好的經濟和社會效益。

（4）此項技術的成功應用，為掘進機更高的掘進效率、更佳的穩(wěn)定性提供了有力保障。為今后更多形式的鉆頭自動化焊接以及其他類似領域的廣泛應用提供了比較成熟的技術支持。