能源工程焊接機器人的智能化技術

焦向東

（北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市研究中心，北京 102617）

1 無導軌焊接小車吸附及軌跡跟蹤自動控制

焊接小車通常采用沿鋪設的導軌行走的技術方案。球罐表面是空間多方向有曲率的焊接位置，在焊縫長度方向和寬度方向上都有曲率變化，且變化率也是變化的，是較為復雜的焊接軌跡。最理想的焊接軌跡的實現方法是焊接小車能在表面沿待焊軌跡自由行走，無導軌自吸附焊接小車是當今技術最先進的設備。

清華大學機械工程系推出了其開發的爬行式焊接機器人，采用履帶和懸浮磁吸附方式，履帶由多個永磁體連接構成，吸力可達到10 000 N以上。為了能在圓罐型或球罐上爬行，其底盤高度可調，且履帶具有一定的撓度以適應曲面焊接；通過磁力控制機構對永磁進行消磁和加磁，以適應磁力控制的需要；變向導向裝置使得爬行機構可以按給定的信號靈活轉彎控制而不受磁力的影響。機器人裝備有自主開發的焊縫跟蹤視覺跟蹤傳感器，能夠實現機器人自主爬行，自主跟蹤焊縫；爬行式弧焊機器人具有焊接自適應性，能夠根據實際工況自主調整焊接過程，保障焊接工藝和焊接質量。該技術是大型結構件的現場自動化焊接的良好解決方案。

北京石油化工學院能源工程焊接技術研究團隊在2000年推出第一款磁輪吸附式無導軌球罐焊接機器人后，又推出一款新型的無導軌全位置焊接機器人，技術上有了很大突破。與履帶式相比具有軌跡變化靈活的特點。該型焊接機器人改進了磁輪走機構，吸附力更強；具有磁輪柔性調節機構，可在一定范圍內超過工件表面的障礙物；具有專利技術的檢測跟蹤裝置，可實時檢測適應工件表面曲率變化，自動跟蹤調節焊接小車。該型焊接機器人可應用于各種管徑管道的內外焊焊接以及球罐、儲罐、船體等大型構件的焊接，應用前景較廣。已完成北京市自來水集團瑞洲工貿有限公司在輸水管道現場焊接的工藝試驗。

圖1 無導軌焊接機器人實施自來水管焊接

機器人引入視覺信息有三個途徑：一是利用靜止的攝像機跟蹤運動目標，通過坐標變換將目標的運動傳遞給機器人系統；二是將攝像機安裝在機器人手臂的末端，形成手眼系統，進行視覺反饋控制，但攝像機相對固定點不動，攝像機的運動通過機器人手臂間接實現；三是攝像機本身帶有視覺伺服系統。此閉環系統的參考輸入及被控制量均為一維特征量，視覺作為閉環控制中圖像到特征的一個映射工具，實際控制則是這一映射量作為控制目標，其控制精度直接依賴于特征即跟蹤輔助線位置的提取精度，實現了“視覺與控制的集成”。

研制的球罐智能機器人實現了“視覺與控制的集成”的目標。視覺智能控制系統的特點是一個CCD攝像機安裝于機器人的跟蹤機構（所謂機器人手臂），另一個CCD攝像機安裝于機器人本體，組成兩點式視覺實時閉環跟蹤系統。此系統可實現焊槍和機器人本體的實時動跟蹤，如圖2所示。

圖2 球罐焊接機器人視覺跟蹤原理

2 復雜曲線焊接機器人的數字化控制

復雜焊縫軌跡是專用焊接機器人必須面對的難題。波紋管是石油勘探鉆井的一項新技術，用于井壁的膨脹加固，是鉆井技術的革命。膨脹波紋管技術（Expandable profile Liner，EPL）是對圓形管材進行冷壓處理，使圓管徑向發生塑性變形，管柱截面形狀呈波紋狀，以達到減小管外徑的目的，使其可以通過上層套管順利到達所封堵地層位置，借助液壓將其膨脹，在外加液壓力的作用下，使其完全膨脹成圓管，封堵復雜地層的一項新型技術。其截面如圖3所示，解決自動化焊接是世界技術難題。

圖3 膨脹波紋管斷面示意

膨脹波紋管斷面的特點為：

（1）外形尺寸小。波紋管水平外徑225 mm，波高178 mm，截面整體外形尺寸較小。

（2）由多段圓弧組成。波紋管斷面由多斷圓弧分段組成，既有外圓弧到內圓弧再到外圓弧的變化，同時各段圓弧的半徑尺寸變化也較大，最小圓弧半徑只有28 mm。

（3）波谷小。波谷段的圓弧半徑只有28 mm，可提供的焊接操作空間小。

（4）成形誤差較大。由于制管工藝的限制，實際的波紋管斷面與設計斷面存在一定的成形誤差。

基于以上特點，要實現膨脹波紋管“8”字形斷面焊縫的自動焊接，要求所采用的自動焊設備具有“8”字形斷面焊縫軌跡適應能力、機構響應速度快、較大的機構承載能力和很小的焊接執行機構。常規的自動焊設備難以達到此要求。

以圖3中號膨脹波紋管的截面軌跡為例，長軸為y軸、短軸為x軸，建立坐標系。由于整個輪廓由多段曲線組成，須分段建立方程，此處以第一象限為例研究截面軌跡方程，其他象限分析方法類似，建立曲線方程為：

由上述膨脹波紋管焊縫軌跡的特點和分段數值描述結果可知，波紋管焊縫軌跡是由若干個大圓弧、小圓弧和直線段相間連接而成，彼此之間平滑過渡，沒有死點，但是截面尺寸數值小，斜度變化率大，為自動化焊接方案提出了嚴峻的挑戰，這也是目前國內外沒有解決自動焊接之所在。

從焊縫成形和焊接質量的角度考慮，要求焊槍與焊接方向保持近90°的姿態角，由具體焊接工藝確定。但是對于膨脹波紋管焊縫軌跡的起伏劇烈變化，保證焊接的氣體保護效果在各種弧段上都保持良好狀態，應該時刻保持焊槍在垂直位置是最好的焊槍姿態要求。質量保障的另一個條件是要求膨脹波紋管軌跡全位置焊接過程中，焊槍噴嘴距離焊縫的高度要恒定。

從對焊槍噴嘴的兩個要求條件出發，可以描繪出焊槍噴嘴的運動軌跡是與膨脹波紋管截面軌跡相似的等距離外包絡線，且焊槍姿態角垂直于包絡線切線方向。為此提出開發仿形焊接機器人解決復雜軌跡的焊接問題，這種機器人可以解決膨脹波紋管井口垂直作業的水平橫焊焊接。對于現場波紋管的預制，受現場條件的限制，不能夠采用井口作業的辦法，要求水平組對焊接。眾所周知，對于常規的圓管道的水平焊接，由于焊槍沿著管道運行的各種位置時包含了平焊、下降焊、仰焊和上升焊的各個變化過程，同時疊加重力場的作用，使焊接成形和質量都很難得到保障，所以除非固定口的管道焊接外，一般的水平焊接都要保證焊槍在最高點的水平焊接狀態，讓滾輪架驅動管道旋轉，通過二者協調配合作業完成焊接。8字波紋管自動焊機如圖4所示。

圖4 8字波紋管自動焊機

對于波紋管的預制焊接，其難度可想而知，對于實現“8”字形截面軌跡的仿形運動，會出現各種復雜的焊接姿態，嚴重影響焊接質量。因此，提出一套解決這種焊接的方案，即膨脹波紋管仿形焊接機器人配合膨脹波紋管水平組對協動系統，兩者構成膨脹波紋管水平組對焊接機器人系統，通過復雜的協調運動，解決膨脹波紋管的水平狀態的整周焊接。波紋管焊縫如圖5所示。

圖5 波紋管焊縫

3 海底管道維修水下焊接機器人的遙操作化

實現水下焊接自動化主要有三種方式：水下軌道焊接系統、水下遙控焊接、水下焊接機器人系統。軌道焊接要求安裝行走軌道，所以受人的潛水深度限制。遙控焊接一般難以達到焊接精度要求。近年來，基于特定用途的機器人得到迅猛發展，水下焊接機器人被認為是未來水下焊接自動化的發展方向。

水下焊接機器人首先可以使潛水焊工不必在危險的水域進行焊接，保證人員生命安全；其次，極大地提高工作效率，減少或去除手工焊接所需的生命維持系統及安全保障系統，增加有效工作時間，提高焊接過程的穩定性和一致性，獲得更好的工程質量和經濟效益。但由于水下焊接環境的復雜性和不確定性，研制水下焊接機器人的難度很大，目前該研究僅限于少數發達國家，而且水下焊接的研究主要集中在水下焊接工藝和水下焊接材料方面，水下自動焊接僅限于確定焊縫位置和焊縫跟蹤、水下電弧圖像處理以及水下遙控焊接等少數幾方面，因此水下焊接機器人還有待不斷地發展和完善。

實現高效低成本焊接自動化一直是焊接科研工作者努力的方向，實現水下焊接自動化難度要大于陸地，水下環境對焊接工藝、焊接裝備、焊接自動化技術等都是嚴峻的挑戰。焊接機器人應用于水下焊接需要考慮水下結構物的水深、結構形式、重要性及水下焊接方法等方面，因此更是一個綜合性應用難題。將水下機器人與焊接機器人結合，形成水下焊接機器人，除了解決水下機器人和焊接機器人本身的問題外，水下焊接的輔助工作量往往大于真正實施焊接的工作量，如水下焊縫跟蹤、水下焊接質量控制、水下機器人穩定定位、水下遙控焊接、水下焊接目標尋找定位和避障（涉及三維軌跡規劃）、水下切割、水下結構物焊前清掃和給焊縫打坡口等。

海底破損管道焊接的自動化策略是“宏觀遙控，微觀自主”。水下干式管道維修焊接系統基本布置方案如圖6所示。根據美國API有關規范的要求，水下干式艙內只提供36 V低壓電，不能滿足焊接電源需要。所以海底管道修補時，焊接電源放置在甲板集裝箱內，與焊接電源有關的線纜通過焊接專用臍帶與干式艙相連接。位于支持母船上的保護氣瓶、焊接數據采集計算機與位于水下干式艙內的軌道焊機控制器、送絲機、焊槍、管道等的連接同樣通過焊接專用臍帶實現。干式艙內潛水員不直接控制焊接電源，而是通過聲訊系統與甲板上焊接監督工程師實現信息交流。焊接電流、電壓通過反饋信號線傳送到甲板上，供焊接監督工程師作為焊接電源控制之參考。干式艙內分步有照明和場景監視系統，焊接小車配備有坡口監視器和焊縫監視器，視頻信號同樣通過臍帶傳送至母船。焊接專用臍帶長度120 m，剩余部分散放在甲板上.

圖6 海底管道維修焊接系統構成

利用水下干式艙系統在海底管道泄漏點位置創造“干式”作業環境，即在艙內充入略大于水深壓力的高壓氣體，將海水從艙內“擠壓”出去，并維持艙壁內外壓力平衡，形成干式高壓環境。然后在艙內進行管道干式高壓全位置焊接修復。潛水員負責將焊接小車等從水密箱中取出安裝到待修部位，并在甲板上的高級焊工聲訊指導下調整好焊槍、焊絲和監控鏡頭的位置，隨后撤離干式艙。焊工啟動焊接，監控焊接參數和焊槍位置，完成焊接。

渤海灣在役石油管道的工作環境特點是水域較淺、水域混濁，即使在干式艙中工作，焊接坡口的制備和組對質量也很難保證，因此在60～100 m深的水域完成輸油管道的焊接修補作業所采取的策略是：經過初步焊接專業培訓的潛水員在由水面焊接專家的遙控指導下，在水下干式高壓艙中只完成設備安裝、鎢極更換、姿態調整等輔助工作，焊接機器人自動完成焊接。因而焊接機器人要求有很高的控制能力和可靠性、可操作性、安全操作性。

研制的GTAW焊接機器人系統主要有焊接行走小車、鎢極高度自動調節器、鎢極橫向自動調節器、鎢極二維精細調準器、焊接擺動控制器、遙控盒、送絲機構、導軌、GTAW焊接電源、GTAW焊炬、水冷系統、氣體保護系統、弧長控制器、角度檢測器、視頻監視系統、控制箱等部分。為保證施工現場安全，所有驅動電機均采用24V直流伺服電機或步進電機。行走機構采用變位調節裝置，這樣可以適應不同直徑導軌。全位置管道焊接機器人控制系統如圖7所示.

圖7 水下GTAW焊接機器人控制系統方框圖

控制系統對運動參數的伺服控制。如行走小車的全位置的速度伺服控制、鎢極高度的設定和弧壓跟蹤的自動調節控制、鎢極橫向的自動調節器和手動的調節控制、鎢極二維精細調準控制、焊接的四種擺動方式的設定和擺動控制、送絲機的設定和恒速控制。

控制系統對焊接參數的控制。通過電源控制電路接口板，接管GTAW焊接電源，實現對GTAW焊接電源的焊接方式、焊接電流、脈沖頻率與占空比、接觸引弧、水冷系統、氣體保護系統等的控制。

控制系統監控參數，對人機交互系統的控制。通過遙控操作盒實現對運動參數和焊接參數的實時設定、調整和監控參數的顯示等控制，通過場景監視器可以監控焊接運行狀態和焊接熔池成形狀況。

4 海底管道鋪設焊接機器人的網絡化

海底管道鋪設生產線由坡口制備、預熱、消磁、根焊、填充焊、蓋面焊、無損檢驗和修補、防腐涂覆以及管道輸送等工段組成。優質高效的流水生產線作業是提高深水管道鋪設的效率和質量的基礎。文獻[2]提出了基于網絡和總線技術的計算機集成焊接作業線系統，以期實現對焊接生產過程的集散控制和協調管理；焊接作業線每個工作站配備兩套雙炬鋪管焊接機器人系統，在管道左右兩側對稱分布，并自各完成半個圓周的下行5G焊接。鋪管焊接機器人穩定高效的焊接是保證鋪管效率和質量的關鍵。目前國內外管道焊接機器人控制系統大多采用集中控制，結構封閉、系統可擴充性差，不利于系統功能的擴展；主控單元采用模擬量或串口通信方式對各功能單元進行控制，控制線纜多，信號抗干擾能力差、傳輸距離短、被控變量少，實現各功能單元間的協同控制較難，焊接智能化程度不夠，無法實現精細焊接，焊接質量不穩定。建立開放的管道鋪設焊接機器人控制系統的體系結構，實現規范化集成控制是解決問題的關鍵[2-3]。研制基于網絡及總線技術的海管鋪設焊接機器人，以開放式的異構控制網絡體系結構為理論指導,研究了鋪管焊接機器人系統中各功能單元間多總線的實時互聯問題。在CAN總線時鐘同步協議模型下，研究了執行同步指令的機理，提出了變負載運行下雙電機行走的同步控制算法。通過自動化設備規范通信技術，研究實現焊道自動覆蓋功能的技術手段。

海管鋪設焊接機器人控制網絡系統由主控單元、機器人本體驅動單元、焊接電源、手控盒系統以及電氣輔助系統組成，主控單元系統由基于Windows軟控制的六個功能單元模塊、人機組態平臺以及數據庫系統組成，如圖8所示。

主控單元控制器選擇緊湊型工業平板電腦，系統可同時運行控制程序和組態監控程序，通過ADS(自動化設備規范）通信接口保證數據的實時交換；主控單元集成了實時以太網，作為網絡節點可與上層管理系統無縫集成，實現鋪管生產線的動態協調及信息化管理。同時，海管鋪設焊接機器人系統控制網絡的多個功能子系統的多條現場總線通過高速以太網連接至各總線的耦合器模塊，完成各功能單元系統過程數據的實時交換。海管鋪設焊接機器人數據傳輸采用抗干擾能力較強的CAN總線通信，在高速實時以太網耦合單元下掛接CAN總線主站模塊，焊接機器人運動控制單元各伺服驅動器、傾角傳感器以及焊接電源作為CAN-open從站站點通過過程數據通信方式，完成CAN-open主從站的數據通信；海管鋪設焊接機器人控制網絡系統結構簡單，具備開放性、同步性、可重構性、實時網絡性等特點，可滿足管道鋪設高效可靠的要求。

圖8 海底管道鋪設焊接機器人控制網絡

[1]焦向東，薛 龍，蔣力培，等.無導軌球罐焊接機器人的軌跡預估控制[J].中國機械工程，2003，14（3）：187-189.

[2]徐立力，薛 龍，鄒 勇.異型斷面管道自動焊接執行機構設計及運動仿真[J].電焊機，2011，31（5）：5-11.

[3]周燦豐，焦向東，薛 龍，等.以空氣為艙內加壓氣體的鎢極氬弧焊接[J].焊接學報，2007（2）：9-12，117.

[4]焦向東，朱家雷.海洋工程水下焊接自動化技術應用現狀及展望[J].金屬加工（熱加工），2013（2）：24-26.

[5]焦向東，羅 雨，紀文剛，等.基于網絡及總線技術的海底管道鋪設焊接機器人[J].焊接學報，2013（6）：1-4.