球罐全位置焊接機器人研究現狀及其關鍵技術

羅 雨，張中亮，焦向東，楊成功

（1.北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京高校工程研究中心，北京102617；2.北京化工大學機電工程學院，北京100029）

球罐全位置焊接機器人研究現狀及其關鍵技術

羅 雨1，張中亮2，焦向東1，楊成功1

（1.北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京高校工程研究中心，北京102617；2.北京化工大學機電工程學院，北京100029）

隨著我國能源工業的發展和能源結構的調整，球罐與儲罐工程建設的又一次高峰期已經到來，球罐全位置焊接機器人作為球罐制造中的關鍵設備，其應用可大幅提高球罐的焊接質量和焊接效率。綜述了球罐全位置焊接機器人的發展概況和研究現狀，從工程應用發展角度出發，分析了球罐全位置焊接過程中關鍵技術的研究進展和應用前景。

球罐焊接；全位置焊接機器人；多層多道焊縫跟蹤；多機器人協同控制

0 前言

隨著我國能源工業的發展和能源結構的調整，球罐與儲罐工程建設的又一次高峰期已經到來。在國家石油戰略儲備建設的同時，我國的商業儲備建設也在進行。國內煉油化工產業的快速發展，液化氣、乙烯等高溫高壓、易燃易爆產品儲存設施不斷地向大型化、規模化發展，使大型球罐群在煉化工程中得到普遍應用。傳統焊條電弧焊接工藝效率低的弊端日顯突出，球罐全位置焊接機器人成為石化建設者的夢想。

1 球罐全位置焊接機器人

1.1 發展概況

國外從20世紀70年代起，相續對埋弧焊、藥芯焊絲自保護焊機MIG焊等方法應用與球罐全位置自

動焊的問題進行了研究。美國林肯等公司于20世紀80年代在自保護全位置自動焊應用上取得了成功，研制出可用于球罐全位置自動焊的自保護焊絲及自動焊機（NR203藥芯焊絲、BUG-O自動焊頭），這一技術已應用于美、日等國的球罐以及其他類的壓力容器；1985年日本的三菱重工還曾建造了15臺容積為25 000 m3的球罐，采取以MIG焊接工藝為主的自動焊，自動焊的比率達到了95％以上。我國的球罐自動化焊接仍處于試驗研究階段。20世紀80年代，國內曾就MIG焊用于球罐全位置焊自動焊進行了試驗研究，但最終沒有得到實際應用。1993年起，中國石化第三建設公司等單位從美國引進了球罐全位置焊接設備（BUG-O系統），該設備主要由爬行機構、擺動機構、柔性或半柔性軌道等部分組成。幾年來，中石化三建公司應用此設備對球罐的縱縫、環縫焊接進行了各種試驗及工藝評定，并用其完成9臺容積為1 000 m3的球罐及4臺4 000 m3球罐的焊接，全部縱縫、環縫均采用自動焊，工藝方法主要是藥芯焊絲CO2氣體保護焊。這些球罐的一次焊接合格率達95％以上，最高達98.7％，為我國大型球罐現場全位置自動焊接技術開創了良好的前景。但也應該指出，該系統沒有焊縫自動跟蹤系統，根據美國焊接學會的定義，該系統還不構成自動化焊接。實際上這套系統在使用時，仍要求操作者對焊炬進行調整與焊縫對中，因而其自動化程度還是很不理想。

1.2 國內外研究現狀

目前國外的球罐全位置自動焊接設備比較齊全。典型的如美國BUG-O和A.O.Smith公司的焊機、加拿大Servo-robot和GULLCO OSCILLATOR公司的焊機、瑞典ESAB公司的焊機。

BUG-O公司生產的全位置焊接設備主要由爬行機構、擺動機構、柔性或半柔性軌道等部分組成[1]。如圖1所示，在焊接過程中，該系統要求操作者仔細觀察熔池并不斷調整焊炬來對中焊縫，由于該系統沒有焊縫自動跟蹤系統，僅解決了球罐全位置焊接的機械化問題，其自動化程度不夠理想。

圖1 K-BUG 6000型球罐焊接機器人

GULLCO OSCILLATOR公司的焊機與美國BUG-O公司的產品類似，如圖2所示。該公司產品使用藥芯氣保護和自保護焊絲，產品的高低調整和橫向調整機構沒有電機，都由焊工使用手動輪機械調節，焊接過程中沒有擺動，該類產品同樣只解決了球罐全位置焊接的機械化問題，其自動化程度較低，由于沒有擺動焊接成形質量較差[2]。

圖2 GULLCO OSCILLATOR球罐焊接機器人

瑞典ESAB公司的Railtrac FWR1000型機器人如圖3所示，Railtrac是一種可實現機械化焊接應用的系統。該機械系統體積小、結構緊湊、可控性較強、控制精度也高，帶驅動擺動和反向回焊功能，可根據自帶的專家系統自動規劃焊接參數，由于無焊縫跟蹤功能，且該焊接機器人產品價格昂貴，在球罐焊接領域還沒大量應用，該系統鐵路軌道焊接領域應用較多[3]。

圖3 Railtrac FWR1000型機器人

加拿大Servo-robot公司的焊機性能適用性較好，其生產的MWR-100/350TM型便攜式機器人是一套創新的有視覺且完全可編程的移動式焊接機器人，如圖4所示。這套三軸機器人能夠用于各種焊接材料及焊縫類型的全位置焊接。此系統的便攜性

能夠將其置于像球罐、儲罐、船板加強筋以及采礦設備這樣的大型焊接件上進行工作，系統操作簡單，可以同時操作幾套系統，進一步降低了操作成本。集成式的激光視覺焊接跟蹤系統配備了2D彩色視頻攝像頭，能實現遠程示教及過程監控，同時讓操作員遠離惡劣的焊接區域。該機器人在美國的核潛艇制造上應用較多，由于配備視覺跟蹤模塊，該機器人產品的價格也最為昂貴[4]。

圖4 MWR-100/350型焊接機器人

目前我國的球罐自動化焊接仍處于試驗研究階段。20世紀80年代，國內就MIG焊用于球罐全位置焊自動焊進行過試驗研究，但最終沒有得到實際應用。1993年起，中國石化第三建設公司等單位從美國引進了球罐全位置焊接設備（BUG-O系統），該設備主要由爬行機構、擺動機構、柔性或半柔性軌道等部分組成。幾年來，中石化三建公司應用此設備對球罐的縱縫、環縫焊接進行了各種試驗及工藝評定，并用其完成9臺容積為1 000 m3的球罐及4臺4 000 m3球罐的焊接，全部縱縫、環縫均采用自動焊，工藝方法主要是藥芯焊絲CO2氣體保護焊。這些球罐的一次焊接合格率達95％以上，最高達98.7％，為我國大型球罐現場全位置自動焊接技術開創了良好的前景。但也應該指出，該系統沒有焊縫自動跟蹤系統，根據美國焊接學會的定義，該系統還不構成自動化焊接。三建與十建公司在球罐自動焊工作中采用美國的BUG-O型焊車及加拿大的GULLCO OSCILLATOR型自動焊車，這些設備均需要人工調節焊縫對中，因此仍需要進一步解決自動跟蹤及焊縫參數的自適應控制等問題。

國內一些高校、科研機構在吸收國外產品先進技術的基礎上，并在國家863計劃的支持下，先后開展了球罐全位置焊接機器人的研究。北京石油化工學院光機電裝備技術北京市重點實驗室研究開發的具有自主知識產權的系列化無導軌、有導軌及柔性導軌全位置智能焊接機器人，包括焊接機器人機械機構、機械接觸跟蹤、焊縫軌跡示教、焊接工藝參數管理系統等關鍵技術的研究[5-7]。

圖5 RHC-3柔性導軌全位置焊接機器人

RHC-3柔性導軌全位置焊接機器人系統如圖5所示，該系統適用于柔性軌道和圓軌道，能夠較好地完成復雜工件的多種焊縫的現場焊接，尤其是球罐全位置焊接的工藝要求。但該系統沒有自動跟蹤功能，在焊接過程中還需要焊工實時觀察熔池，通過手控盒實時調整高低和擺心才能保證良好焊接質量，勞動強度仍然很大[8]。

圖6 BIPT-5無導軌全位置焊接機器人

BIPT-5無導軌全位置焊接機器人使用了CO2氣體保護藥芯焊絲全位置多層多道焊的工藝技術。如圖6所示，該機器人采用柔性磁輪式機構和CCD光電測控技術實現了無導軌全位置自由行走和球罐多層多道焊的實時跟蹤等關鍵技術問題，該機器人能對球罐內外縱縫、橫縫及仰縫進行無導軌全自動焊接，達到了高效率、高質量、無人實時操作、低勞動強度。但由于該機器人系統的跟蹤精度及穩定性還有待提高，仍具有一定的局限性，迄今為止還未見大規模的現場應用[9]。

唐山開元機器人有限公司推出一款全自動焊接機器人MICROBO，如圖7所示，該機器人配備具有磁性的柔性導軌，可完成全位置焊接，該機器人體積小、便于攜帶搬運、易安裝。系統具有全自動傳感功能，無需示教和繁瑣的數據輸入，檢測，工藝規范、焊接自動完成。接觸傳感自動識別焊縫起始點、母材板厚、坡口角度、根部間隙等相關信息，并自動生成焊接條件。該機器人操作簡單，1人可操作2臺以上，還可進行多機器人群控實現焊接任務的協調操作。由于該系統使用多種傳感方式，價格較同類產品昂貴[10]。

MICROBO便攜式全自動焊接機器人主要應用于建筑鋼結構、橋梁、造船、通用機械等行業的中厚板結構件廠內制造及現場安裝的焊接。MICROBO具有焊縫信息自動檢測、工藝規范自動生成功能，全自動完成多層多道焊接；體積小、可搬運、易安裝；可完成平焊、角焊、橫焊、立焊及爬坡焊等多種焊接位置作業。迷你的機身、便捷的操作、強大的功能、卓越的焊接品質，使MICROBO成為焊接行業的新亮點。

圖7 MICROBO便攜式全自動焊接機器人

以提高焊接質量及效率、縮短工期、降低勞動強度和施工成本以及解決球罐焊工培養、流失嚴重等問題為目的，國內外球罐焊接機器人朝著操作自動化、功能智能化及網絡化方向發展。圍繞著球罐組焊全位置藥芯焊絲焊接工藝、焊縫自動跟蹤控制技術及球罐組焊生產線多機器人集群控制網絡的等關鍵技術，國內外球罐焊接設備經歷了機械化操作向全位置自動焊接機器人的發展，球罐全位置焊接機器人可分為三代。第一代是跟蹤示教型，這種機器人的特點是焊接前需要在軌道上試車，同時通過機械接觸式傳感器及激光傳感器等測量設備，監測管道坡口的變化情況，并將變化量儲存在計算機中，以供焊縫跟蹤系統進行參數調節，如美國BUG-O公司的K-BUG6000型機器人及北京石油化工學院的RHC-3型柔性導軌全位置焊接機器人；這種方法已經得到了一定量的應用，但由于參數調節缺乏實效性，往往難以實現高精度的跟蹤。第二代是自適應焊接機器人，這種機器人克服了第一代跟蹤示教機器人的缺點，通過配備的視覺傳感器可以檢測焊縫的實時變化并對焊接參數進行調節，具有很高的焊接精度和可靠性且不易受裝配精度的影響，是目前市場上應用最為廣泛管道焊接機器人并逐步取代跟蹤示教型機器人，如加拿大Servo-robot公司的MWR-100/350TM型機器人和北京石油化工學院的BIPT-5無導軌全位置焊接機器人；但這種焊接機器人的焊接質量的好壞依然依賴于操作人員的參數選擇和操作，因此還有很大的提升空間。第三代是智能型焊接機器人，隨著3D掃描技術的進步和計算機運算速度的提高，第三代管道焊接機器人將具有自動識別焊縫并選擇焊接參數的能力，并且機器人系統具備由單機操作向以智能化為核心的球罐生產線多機器人協同操作的擴展功能。目前這種焊接機器人尚處于研究當中，還沒有產品問世。唐山開元公司代理的日本神戶制鋼的MICROBO型便攜式焊接機器人最接近第三代智能型焊接機器人。

國外球罐焊接機器人大多以嵌入式或PC機作為焊接機器人的控制系統，使傳統專用控制器計算負擔重、實時性差等問題得到了解決，還將電弧傳感跟蹤、接觸傳感、激光焊縫跟蹤、多層多道焊以及在線焊接參數優化、神經網絡控制和焊接專家系統等智能化應用編寫為焊接過程控制軟件，極大地提高了機器人系統的智能化程度。

國內焊接機器人控制系統的多數控制器由PLC、單片機構成，主控單元與焊接機器人本體、焊接電源以及手控器等的連接通常采用I/O信號直接相連的形式，線纜多，信號易受干擾，且控制電機（步進或伺服電機）的驅動器與電機分裝在主控系統和焊接機器人本體上；由于沒有使用網絡及總線技術，焊接電源與主控系統之間多采用模擬量或RS-232通信方式設定參數，抗干擾能力差、精度低，能夠監控的焊接過程量較少，傳輸數據慢，實現精細焊接非常困難；系統的開放性及可擴充性較差，不利于電弧傳感、接觸傳感、激光跟蹤等智能化應用功能的擴展，且較難實現球罐組焊生產線多級控制網絡平臺中信息網絡與控制網絡的無縫集成。針對球罐組

焊的施工特點及目前國內外現有技術基礎，研制和開發球罐全位置焊接機器人及球罐組焊生產線多機器人集群控制網絡關鍵技術是一項緊迫的任務。

2 球罐全位置焊接機器人關鍵技術展望

在研究球罐全位置焊接機器人的過程中,需要解決的關鍵技術問題是：多層多道自動跟蹤控制技術，全位置藥芯焊絲焊接工藝，多機器人協同控制技術[11]。

2.1 焊縫跟蹤技術

焊縫實時跟蹤技術是國內外學者的研究熱點，其研究方案主要有：激光傳感、基于CCD傳感器直接檢測弧焊區的視覺跟蹤法；采用接觸傳感器的記憶跟蹤法；采用電弧傳感器的實時跟蹤法，以及示教跟蹤法等，但要想將上述跟蹤方法用來對球罐全位置多層多道焊縫（縱焊縫和橫焊縫）進行實時跟蹤，尚有以下技術難點：

（1）焊接電弧強烈干擾，難以檢測焊接熔池實際位置。

（2）多層焊跟蹤時，難以檢測第一層焊縫之后的各層焊縫圖像。

（3）多道橫焊跟蹤更困難，由于是不擺逐道迭加焊，則第一道焊縫后，就難以實時檢測以后各道的焊縫位置，這包括較成熟的旋轉電弧法。

（4）球罐焊縫是弧形曲線，若用導軌焊機自動跟蹤法，導軌不可能與焊縫完全平行，只有采用記憶跟蹤法。研究表明，導軌焊機記憶跟蹤法雖然能達到一定的精度，但存在有需要標定起點，不能中間斷點復位等問題。

為此，需要綜合分析各種跟蹤技術方法的技術特點及使用局限性，提出一種較為可行的跟蹤方案并解決關鍵技術問題[12]。

2.2 藥芯焊絲工藝

由于藥芯焊絲中加入了穩弧劑，電弧燃燒穩定，熔化金屬呈滴狀均勻過渡，故焊接時飛濺很少，且飛濺顆粒細小，在鋼板上粘不住，極易清除。

藥芯焊絲的熔敷速度及焊接質量均高于實心焊絲。采用藥芯焊絲焊接時，由于焊絲斷面上通電部分的面積小于同樣粗細的實心焊絲，在相同的焊接電流下藥芯焊絲的電流密度高，焊絲的熔化速度快，熔敷速度提高，焊縫成形美觀。由于焊縫成形的好壞，熔渣起著重要的作用。用實心焊絲焊接時，是無法依靠熔渣起這種作用的，只能靠熔融金屬自身的粘性和表面張力形成焊道，所以實心焊絲焊縫的表面形狀不美觀。當使用藥芯焊絲焊接時，能產生一定數量的熔渣，依靠熔渣的表面張力造成一個較軟的鑄型，這個鑄型的生成對形成良好的焊道起著重要的作用。

藥芯焊絲適宜于全位置焊接。實踐表明，在縱縫、環縫、立焊、橫焊、仰焊各種位置情況下，均可采用較大的焊接電流。藥芯焊絲分為自保護焊絲和CO2氣體保護焊絲兩大類。一般自保護焊絲的直徑為2.0～2.4 mm，氣體保護焊絲的直徑1.2～1.6 mm。氣體保護焊絲使用時必須外加保護氣體，氣體保護焊絲焊接時電弧較穩定、飛濺小、脫渣容易、焊縫成形好、熔敷效率高，但使用過程中必須采取可靠的防風措施。自保護焊絲在焊接時不需外加保護氣體，因而對焊接環境的適應能力較強，焊接時操作方便，但因其焊接過程中全部靠自身的造氣和造渣保護，因此煙霧和飛濺較大，熔敷效率低，脫渣性能較差，焊縫的外觀成形不如氣體保護焊絲[13-14]。

CO2氣體保護藥芯焊絲可以用在球罐全位置自動焊接中，但焊后焊縫表面也會出現一層薄薄的焊渣保護層，環縫是球罐中超標缺陷較多的區域，而細長夾渣則是超標缺陷的主要形式，故加強環縫焊道、焊層間清渣是提高自動焊合格率的重要措施。

2.3 基于網絡的球罐組焊生產線多機器人控制技術

球罐組焊過程中，為了減少焊接變形和殘余應力，需要制定組焊施工規范，合理安排焊接順序和焊接方法，比如在焊接球殼板赤道帶、上溫帶的縱縫時需要由12名焊工同步對稱焊接，同時為了嚴格控制焊接線能量，需要采用全位對稱焊法、分段逆向焊法、多層多道焊法來減少焊接變形和殘余應力。目前，球罐組焊焊接生產線處于落后的生產模式，各個球罐焊接機器人之間無任何關聯，各球罐焊接自動設備的組焊生產過程采用人工協調、焊接機頭人工干預的生產方式，大量的時間花費在焊接機頭安裝、拆卸以及各組焊機器人的協調上，遠遠超過實際用于焊接的時間，焊接工作效率較低，因此提高球罐焊接機器人的穩定性和效率有非常現實的意義。如果能將用在各組焊機器人協調、人工操作所浪費的時間節省下來，將極大地提高焊接效率，大大降低其日均施工費用。因此，開發基于網絡的球罐組焊生產線多機器人集群控制技術一個重要的

發展趨勢[15-17]。

3 結論

以提高焊接質量及效率、縮短工期、降低勞動強度和施工成本以及解決球罐焊工培養困難，流失嚴重等問題為目的，國內外球罐焊接設備經歷了機械化操作向全位置自動焊接機器人的發展歷程，目前國內外球罐焊接機器人將朝著操作自動化、功能智能化及網絡化方向發展，而球罐組焊全位置藥芯焊絲焊接工藝、多層多道焊縫跟蹤技術及球罐組焊生產線多機器人集群控制網絡等關鍵技術的突破與集成應用將是新型球罐智能焊接機器人研究的發展趨勢[18-21]。

[1]張運川.大型球罐的現場自動化焊接設備與焊材[J].石油工程建設，1995，32（1）：16-20.

[2]王學文，何偉.大型球罐自動焊接技術的推廣和應用[J].化工施工技術，1999，22（4）：22-25.

[3]Lv F L，Chen H B，Fan C J，et al.A Novel Control Algorithm for Weld Pool Control[J].Industrial Robot：An International Journal，2010（37）：89-96.

[4]孫洪春.自動焊接技術在球罐施工中的應用[J].焊接，2002，34（9）：46-49.

[5]焦向東，薛龍，蔣力培，等.球罐全位置焊接機器人智能控制系統[J].焊接學報，2000，21（4）：1-5.

[6]蔣力培，焦向東，薛龍，等.大型鋼制球罐的高效自動焊關鍵技術研究[J].機械工程學報，2003，39（8）：146-149.

[7]張甲英，蔣立陪.球罐全自動電弧焊設備[J].焊接學報，1998，19（4）：221-224.

[8]梁亞軍，薛龍，鄒勇，等.柔性軌道全位置焊接機器人研究[J].電焊機，2008，38（6）：23-26.

[9]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）：186-189.

[10]Wu M H，Gao X F，Yan W X，et al.New mechanism to pass obstacles for magnetic climbing robots with high payload using only one motor for force-changing and wheel-lifting [J].Industrial Robot：An International Journal，2011，69（38）：372-380.

[11]蔣力培，薛龍，鄒勇.鋼結構全位置焊接機器人的研究與開發[J].電焊機，2007，37（8）：23-26.

[12]孫振國，王軍波，陳強，等.新型智能球罐焊接機器人視覺傳感器的研究[J].光學技術，2001，27（3）：252-255.

[13]王軍波，孫振國，陳強，等.基于CCD傳感器的球罐焊接機器人焊縫跟蹤[J].焊接學報，2001，22（2）：31-35.

[14]羅雨，韓素新，焦向東，等.基于電弧傳感的管道焊接高低跟蹤技術研究[J].上海交通大學學報，2015，49（3）：357-360.

[15]Thareswari Nagarajan，Asokan Thondiyath.Heuristic based Task Allocation Algorithm for Multiple Robots Using Agents [J].Procedia Engineering，2013，64（23）：844-853.

[16]Praneel Chand，Dale A.Carnegie.Development of a reduced human user input task allocation method for multiple robots [J].Robotics and Autonomous Systems，2012，60（10）：1231-1244.

[17]Avraam Th.Tolmidis，Loukas Petrou.Multi-objective optimization for dynamic task allocation in a multi-robot system [J].Engineering ApplicationsofArtificialIntelligence，2013，26（5）：1458-1468.

[18]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技術研究[J].焊接學報，2012，33（6）：1-4.

[19]Min-Hyuk Kim，Sang-Phil Kim，Seokcheon Lee.Socialwelfare based task allocation for multi-robot systems with resource constraints[J].Computers&Industrial Engineering，2012，63（4）：994-1002.

[20]焦向東，周燦豐，陳家慶，等.海底管線鋪設焊接技術現狀與發展趨勢[J].上海交通大學學報，2008，42（s1）：122-125.

[21]陳善本，陳波，馬洪波，等.多傳感器信息融合技術在焊接中的應用及展望[J].電焊機，2009，39（1）：58-63.

Research status and key technology of all-position welding robots on spherical tank

LUO Yu1，ZHANG Zhongliang2，JIAO Xiangdong1，YANG Chenggong1
（1.Beijing Institute of Petrochemical Technology Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China；2.College of Electrical and Mechanical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

With the development of energy industry and the adjustment of energy structure in China，the engineering construction of the spherical tank and storage tank boom has come again，all-position welding robots of spherical tank as the key equipment of the spherical tank manufacturing，its application can greatly improve the efficiency and quality of the welding of spherical tank.This paper reviews the development and research status of the all-position welding robots on spherical tank，from the angle of the engineering application development，analyzes the research progress and application prospect of the key technologies in the process of all position welding on spherical tanks.

the welding of spherical tank；all position welding robot；multi-layer welding seam tracking；multi-robot coordination control

TP242

C

1001-2303（2016）10-0025-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.05

獻

羅雨，張中亮，焦向東，等.球罐全位置焊接機器人研究現狀及其關鍵技術[J].電焊機，2016，46（10）：25-30.

2016-04-28；

2016-06-06

國家自然科學基金項目（51305037）；北京市屬高校創新團隊建設提升計劃（IDHT20130516）；北京石油化工學院URT資助項目（2015J00083）

羅雨（1981—），男，內蒙古烏蘭察布人，工程師，主要從事高速列車鋁合金車體監造等相關工作。