焊接機(jī)器人工作站在鉆頭焊接中的研究與應(yīng)用

姚長江，陳瑞誠，郝江婷

（大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163000）

1 概述

PDC鉆頭,又稱聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭,是破碎巖石的有效工具,包括胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭，現(xiàn)已被井隊(duì)廣泛用于鉆井作業(yè)中。螺旋刮刀鉆頭,主要用于油田表層鉆井中,以刮削和刮擠的方式破碎地層。鉆頭焊接是鉆頭生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響鉆頭的制造質(zhì)量。鉆頭焊接過程主要包括PDC鉆頭環(huán)縫焊接和螺旋刮刀鉆頭焊接。目前，鉆頭焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝進(jìn)行人工焊接，操作人員近距離接觸高溫、弧光、飛濺和塵毒等危害，存在勞動強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差、焊接效率低等問題。本文通過對PDC鉆頭環(huán)縫和螺旋刮刀鉆頭焊接工藝性的分析，對適用于PDC鉆頭環(huán)縫和螺旋刮刀鉆頭焊接的機(jī)器人工作站進(jìn)行了研究和應(yīng)用，并通過對鉆頭裝配精度的控制，實(shí)現(xiàn)了鉆頭焊接的自動化和智能化。

2 鉆頭焊接工藝性分析

2.1 PDC鉆頭環(huán)縫焊接工藝

C鉆頭環(huán)縫焊接接頭材質(zhì)為35CrMo,鋼芯為20#鋼或35CrMo,焊縫高度為20mm。焊前需預(yù)熱,預(yù)熱溫度為250℃,防止焊接變形和裂紋的產(chǎn)生。采用多層多道焊，周向焊滿，坡口余高2～3mm，焊接層數(shù)3～4層。

2.2 螺旋刮刀鉆頭焊接工藝

螺旋刮刀鉆頭刮刀刀片和螺旋片材質(zhì)為Q235-B鋼板,螺旋體和圓帽為35CrMo,螺旋體和圓帽焊接坡口形式如圖1所示,焊縫高度20mm,采用多層多道焊,焊接層數(shù)為4層。螺旋體和刮刀片焊接方式為角焊縫，如圖2所示，焊接層數(shù)為2層。采用專門設(shè)計的工裝卡具，在工作站內(nèi)進(jìn)行螺旋體和圓帽、螺旋體和刮刀刀片、螺旋體和螺旋片的點(diǎn)焊，實(shí)現(xiàn)螺旋刮刀鉆頭機(jī)器人焊接的全自動化。

圖1 塊口形式圖

圖2 焊接方式圖

3 鉆頭焊接機(jī)器人工作站設(shè)計

根據(jù)鉆頭型號和特點(diǎn),兼顧焊接機(jī)器人工作站的通用性,鉆頭夾持最大長度不大于800mm,最大重量不大于500kg,螺旋刮刀鉆頭自動點(diǎn)焊,來設(shè)計機(jī)器人的工作半徑和工作范圍、變位機(jī)、液壓卡盤及輔助工裝卡具[1]。依照PDC鉆頭環(huán)焊縫和螺旋刮刀鉆頭焊接工藝及現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際要求，采用單工位，由KUKA焊接機(jī)器人及控制系統(tǒng)、DLL750型變位機(jī)、圓帽定位器和刮刀片定位器、Phonenix焊接電源、清槍剪絲機(jī)構(gòu)、弧焊功能包和電弧跟蹤軟件包等組成的焊接機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格和型號鉆頭的自動化焊接。

3.1 機(jī)器人系統(tǒng)及控制器

機(jī)器人系統(tǒng)及控制器包括KR5arc機(jī)器人、KRC4機(jī)器人控制器、SMART PAD編程控制器及連接電纜。機(jī)器人為德國庫卡公司KR5arc弧焊6軸工業(yè)機(jī)器人，第六軸負(fù)載為5kg，重復(fù)定位精度+/-0.04mm。KRC4控制柜采用庫卡VKCP編程及控制，可控制軸數(shù)為6～8個。SMART PAD編程控制器，基于Win?dows平臺的操作系統(tǒng)，可選擇多種語言（包括中文），6D空間鼠標(biāo)，示教過程簡單方便。

3.2 變位機(jī)及工裝系統(tǒng)

變位機(jī)及工裝系統(tǒng)主要包括DLL750型變位機(jī)、圓帽定位器、刮刀片定位器、液壓卡盤及卡爪等部分組成。焊接變位機(jī)通過翻轉(zhuǎn)盤翻轉(zhuǎn)運(yùn)動使工件處于最佳焊接位置，與焊接機(jī)器人配套組成自動化焊接系統(tǒng)[2]。最大旋轉(zhuǎn)速度11.16r/min，最大負(fù)載750kg，翻轉(zhuǎn)角度±96°，重復(fù)定位精度±0.1°。圓帽定位器是實(shí)現(xiàn)螺旋刮刀鉆頭圓帽與螺旋體點(diǎn)焊定位的專用工裝。包括箱體、氣缸驅(qū)動的定位圓盤、紅色指示燈、綠色指示燈、啟動I按鈕、啟動II按鈕、停止按鈕和急停開關(guān)。氣缸行程250mm。刮刀片定位器是實(shí)現(xiàn)螺旋刮刀鉆頭刮刀刀片、螺旋片與螺旋體點(diǎn)焊定位的專用工裝。主要由夾鉗組件組成。包括箱體、氣缸驅(qū)動的定位臺、定位臺上的定位螺釘、快速夾鉗I、快速夾鉗II和快速夾鉗III，定位臺和箱體之間通過直線導(dǎo)軌副相連。

3.3 焊接電源和清槍剪絲機(jī)構(gòu)

焊接電源采用Phonenix 522 puls M340型號。數(shù)字化控制逆變電源，完美的引弧性能和焊接性能，焊接效率高，飛濺少，應(yīng)用性強(qiáng)。通過RC控制面板，可以對焊接電源進(jìn)行編程，操作方便，可以很方便地查看所有設(shè)定值、實(shí)時參數(shù)以及當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。256個預(yù)置的焊接任務(wù)，每個焊接任務(wù)下15個焊接程序，可以直接存儲焊接的各個參數(shù)。清槍剪絲機(jī)構(gòu)是機(jī)器人工作站的必須配置。為了確保焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，焊槍噴嘴內(nèi)部的飛濺必須定期清理。清槍程序可以插入任意焊接程序之后，清槍的間隔周期基于不同的焊接任務(wù)和工藝，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而預(yù)先設(shè)定。清槍方式為氣動雙刃銑刀伸入固定的噴嘴內(nèi)部旋轉(zhuǎn)刮除飛濺，壓力為6～8bar，清槍節(jié)拍為4～5s。由于需要使用接觸傳感器尋找焊縫，一致的焊絲長度成為必要的條件，因此在尋找焊縫之前，需要采用剪絲機(jī)構(gòu)保證一致的干伸長。

3.4 弧焊功能包和電弧跟蹤軟件包

弧焊功能包的應(yīng)用，可以在示教器上顯示并控制焊接參數(shù)，快速設(shè)定焊槍的常用動作。庫卡編程模板中的基本命令，例如動作命令——直線、圓弧、點(diǎn)對點(diǎn)差補(bǔ)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、直線+擺動、圓弧+擺動差補(bǔ)等，和常用邏輯命令——wait、wait for等，均采用快捷方式調(diào)用，并以填空的方式出現(xiàn)，編程人員只要將相關(guān)參數(shù)填進(jìn)即可，簡單易學(xué)。庫卡的絕對位置記憶功能、程序邏輯功能，結(jié)合焊機(jī)等外圍設(shè)備的信號反饋，能很好地處理焊接過程中遇見的問題。例如，由于電源或送絲機(jī)故障，系統(tǒng)中斷了焊接過程；在排除了故障后，可選擇“繼續(xù)上次焊接”功能，那么機(jī)器人會自動回到上次停止的位置繼續(xù)焊接。弧焊功能包中有常用的焊槍擺動形式，操作人員可直接調(diào)用想用的形式，然后將相關(guān)參數(shù)填充；或者操作人員可自定義機(jī)器人的擺動方式。工件的位置和外形偏差，使本來示教的機(jī)器人焊接軌跡要被“修正”，電弧跟軟件包可以在焊接過程中修正這類偏差，機(jī)器人的實(shí)際焊接軌跡將被修正，跟蹤實(shí)際焊縫[3]。

4 焊接工藝

4.1 鉆頭加工裝配精度控制

鉆頭的加工裝配的一致性，是實(shí)現(xiàn)一次編程，同種規(guī)格型號鉆頭自動焊接成型的必要保證，也是先決條件。因此在保證焊接的前提下，零件形位公差尺寸精度不大于3mm，PDC鉆頭裝配后工件焊縫位置偏差不大于2mm，焊縫間隙不大于2mm，螺旋刮刀鉆頭裝配后焊縫間隙不大于3mm。控制鉆頭加工裝配的一致性，從以下3個方面進(jìn)行：①提高零件尺寸精度，坡口加工精度，減少零件本身的誤差。刮刀刀片和螺旋片采用數(shù)控火焰切割機(jī)下料，下料加工余量尺寸可控制在1mm以內(nèi)。接頭和螺旋體坡口和螺紋采用數(shù)控管螺紋車床加工，可極大地提高加工精度和一致性。②裝配要保證焊縫間隙的公差，避免過緊或過松，間隙過大或過小。③點(diǎn)焊位置要合理，定位焊要均勻，減少應(yīng)力和變形。

4.2 鉆頭的定位及裝夾

鉆頭的定位是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接的必要條件，定位基準(zhǔn)要統(tǒng)一，且鉆頭的裝夾要相對容易。因此，選擇鉆頭接頭和螺旋體端面作為定位和裝夾的基準(zhǔn)，鉆頭重復(fù)定位精度不大于3mm。因此工件表面不得有影響焊接質(zhì)量的油銹、水分、塵灰，不得有影響定位的流掛和毛刺等。變位機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)為三爪液壓同步卡盤，可方便實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

4.3 示教編程

對于不同形狀的焊縫，示教編程有不同的要點(diǎn)。首先要調(diào)整好焊槍的姿態(tài)，以保證焊接成型質(zhì)量。對于長直焊縫，要多設(shè)定點(diǎn)，保證焊縫位置的準(zhǔn)確性。對于環(huán)焊縫，定點(diǎn)數(shù)量設(shè)置要合理，使用配置的接觸傳感功能包和電弧跟蹤軟件包。接觸傳感根據(jù)焊縫位置變化值修改焊接軌跡，確保焊接位置一致性。電弧跟蹤通過檢測焊接電流變化，修正焊槍與鉆頭的位置軌跡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在線跟蹤功能。焊槍在焊接一段時間后，要編制清洗程序，進(jìn)行清槍剪絲。

5 結(jié)語

通過設(shè)計研究符合鉆頭焊接要求的焊接機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭環(huán)焊縫和螺旋刮刀鉆頭的自動化焊接，提高了鉆頭焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。自動化焊接對鉆頭加工精度、鉆頭裝配精度、重復(fù)定位精度、組對一致性要求較高，對我們的工件加工提出了更高的要求。焊接機(jī)器人工作站在鉆頭焊接中的研究與應(yīng)用，將大大提高鉆頭的質(zhì)量和工效，減輕工人勞動強(qiáng)度，提高企業(yè)的加工制造的現(xiàn)代化水平，提升企業(yè)競爭力。