方鋼支架自動焊裝備系統設計

王世培 馮英超 孫秋陽 劉金平 王象元 閆燦燦 賀金甲

摘? 要：為解決在建的“華龍一號”核電站電纜橋架安裝中存在大量方鋼與預埋板的焊接問題，研制了一種結構巧妙，針對性強，制造成本低，適合作為專機使用的方鋼支架自動焊裝備。裝備采用運動板卡控制，通過運動學分析和插補運算有效的保證了焊接機頭在圓形軌道上實現矩形軌跡運動?？焖賷A持機構與環形軌道的設計，顯著的減少裝備在現場裝配的時間，進而縮短了建造的周期。

關鍵詞：自動焊? 方鋼支架? 裝備設計? 快速裝夾

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0038-03

Abstract： In order to solve the welding problem of a large number of square steel and embedded plates in the installation of the cable tray of the "Hualong No. 1" nuclear power plant under construction， the author has developed an automatic welding equipment for square steel support with ingenious structure， strong pertinence and low manufacturing cost. The equipment adopts motion board control， through kinematic analysis and interpolation calculation， it effectively ensures that the welding head realizes rectangular trajectory movement on the circular orbit. The design of the quick clamping mechanism and the circular track significantly reduces the time for equipment on-site assembly， thereby shortening the construction cycle.

Key Words： Automatic welding; Square steel support; Equipment design; Quick clamping

目前，在建的“華龍一號”核電站電纜橋架安裝存在大量的方鋼管與預埋板的焊接，焊縫主要為仰角和平角焊縫。據統計，每個在建的核電機組方鋼支架焊口數量約為2萬道。目前方鋼的焊接主要采用手工焊條電弧焊，因方鋼焊接位置多變和焊工施工難度大等原因容易導致焊縫出現未熔合、夾渣等缺陷。且由于狹小空間和仰焊位置的大量存在，導致焊工工作強度大，進而使得焊工存在嚴重的抵觸心理。

同時，手工焊工是一種對職業技能要求較高，工作強度大，而且工作環境比較惡劣的職業，近年來，手工焊工人員的人數在逐年下降，人們對該行業的從業興趣也在逐年降低。在不久的將來，手工焊工數量的匱乏，將會是影響核電安裝進度的直接原因。

為解決這些問題，針對方鋼支架鋼管板仰角、平角焊縫焊接工藝特點設計了一套自動化焊接裝備系統。該自動焊裝備系統采用MIG/MAG焊接方式，熔滴采用短路過渡，結構緊湊，成本低，采用運動板卡進行控制，可完成方鋼支架仰角和平角位置的自動焊焊接。焊接速度快，效率高，焊接過程穩定，焊縫質量好，極大的降低了施工人員的勞動強度，且有效的提高了焊接效率。

1? 方鋼支架自動焊裝備系統構成

方鋼支架自動焊裝備系統硬件部分主要由焊接電源、送絲機、快速夾持機構、環形軌道、焊接機頭、專用焊槍和控制箱組成。

該系統中，焊接電源、送絲機和控制柜安裝于地面，快速夾持機構、環形軌道、焊接機頭和專用焊槍安裝固定在待焊的方鋼支架上（見圖1）。

1.1 焊接電源

焊接電源是焊接系統的最重要的組成部件，焊接電源為焊接過程提供能量。焊接電源性能的好壞將直接影響到方鋼支架焊接的質量。本套自動焊設備采用數字化控制的逆變電源，電源具有以下優點：（1）體積小重量輕，便于施工現場的移動;（2）系統內置智能化參數組合，采用一元化調節模式，極大地簡化操作;（3）配備與之匹配的送絲系統和水冷系統;（4）電源可提供設備集成所需要的通信接口和開放的通信協議。

1.2 快速夾持機構

快速夾持機構對稱的兩件L型結構，可通過對接固定于方鋼之上?？焖賷A持機構含有伸出的4個圓柱，用于固定環形軌道;快速夾持機構符合夾持部分的受力要求，同時滿足裝卡時間短和穩定可靠的特點。

1.3 環形軌道

環形軌道系統為鉸接在一起的對稱2件C型結構組成，需滿足方鋼尺寸100～180mm的要求。環形軌道上需有快速夾持機構相對應的緊固裝置和與機器人本體相對應的滾輪槽體。

1.4 焊接機頭

焊接機頭由便攜式、模塊化理念設計的3個直角坐標軸機構、1個旋轉軸機構組成。焊接機頭具有體積小、重量輕的特點，在環形軌道上安裝后，能夠實現360°環形運動，在程序控制下實現圓形軌道運動狀態時焊槍方形軌跡的進給補償運動、焊槍相對于焊縫的角度調整、擺弧運動及（y、z方向的）補償運動。焊接機頭采用新型的中轉矩交流伺服電機，具有結構緊湊、高輸出、響應快、高可靠性等特點，從而使焊接機頭本體緊湊靈活，具有較大的運動空間、更好的穩定性和較高的重復定位精度。

1.5 專用焊槍

系統中焊槍為專用的熔化極氣體保護焊水冷焊槍，其可滿足在較小空間工況下的使用，焊槍最大彎曲角度可達45°，且焊槍可承載的最大焊接電流為500A。

1.6 控制箱

控制箱為自動焊裝備系統的控制核心，控制箱通過控制線纜與焊接電源、焊接機頭連接，實現了焊接過程的數據交互。控制箱采用DMC5000系列運動控制卡作為核心，運動控制卡配備了最大5千級指令緩存，實時處理能力強，可控制1-6軸伺服或步進電機，支持2-6軸直線插補、任意2軸平面圓弧插補、任意3軸空間圓弧/螺旋插補，可完美實現焊接機頭在環形軌道上走方鋼軌跡的需求。同時，控制箱與焊接電源通過DeviceNet總線通信，實現焊接過程工藝參數的實時讀取和修改寫入?？刂葡渖吓溆锌刂泼姘?，控制面板主要包括蜂鳴器、顯示屏、急停按鍵、控制線纜接口、通信線纜接口以及電源線纜接口等。主要功能如下：

（1）控制各軸運動及其運動狀態顯示;

（2）設定焊接工藝參數（焊接電流、焊接速度等）;

（3）顯示機器人本體、焊接電源等設備狀態;

（4）報警信息顯示及復位。

2? 方鋼支架自動焊裝備操作流程設計

（1）操作人員將待焊方鋼管板仰角和平角焊縫工件進行表面清理;

（2）對工件進行組對并點焊固定;

（3）將快速加持機構安裝在方鋼之上（需提前使用標尺確定固定位置）;

（4）將環形軌道安裝在快速加持機構伸出的4個圓柱上;

（5）將焊接機頭安裝于環形軌道上;

（6）自動焊裝備焊接打底焊縫;

（7）自動焊裝備進行焊道規劃，完成焊縫間隙的填充;

（8）采集與存儲焊接過程參數;

（9）焊接完成，結束焊接。

3? 方鋼支架自動焊裝備性能特點

方鋼支架自動焊裝備在“華龍一號”核電站方鋼支架仰角和平角焊縫的現場焊接中具有以下特點：

（1）根據規劃好的焊接路徑完成焊接，過程中無需人工干預，自動化程度高;

（2）適用方鋼凈間距需大于500mm;

（3）整體機構設計緊湊，重量輕，最多需要兩個人可完成設備的拆裝，對操作人員要求低;

（4）焊接設備現場裝卡時間小于5min;

（5）焊接速度不低于200mm/min，有效的保障了焊接效率;

（6）可實現機構正、反裝，滿足平角和仰角焊接要求。

4? 模擬件焊接情況

該設備在實驗室內針對壁厚為6mm的方鋼開展仰焊位置焊接實驗，共焊接兩層，分打底和蓋面，焊縫成形如圖2所示。通過模擬件驗證表明，自動焊設備焊接效率高，焊縫成型美觀且焊縫均勻一致，背面熔透，焊腳尺寸大于6mm，滿足現場驗收要求。

5? 結語

該方鋼支架自動焊裝備系統結構巧妙，針對性強，制造成本低，適合作為方鋼支架焊接專機使用。裝備采用運動板卡控制，通過運動學分析和插補運算有效的保證了焊接機頭在圓形軌道上實現矩形的軌跡運動。快速夾持機構與環形軌道的設計，顯著的減少裝備在現場裝配的時間，進而縮短了建造的周期。自動焊裝備在提高焊接效率、焊接質量的同時，還能有效的減少焊工勞動強度。

參考文獻

[1] 宋金虎.罐體雙槍自動焊設備的研制[J].熱加工工藝，2012，41（17）：170-171，175.

[2] 楊軍軍，武建新.基于固高控制器的焊接機器人控制系統設計[J].機械研究與應用，2015，28（3）：200-204.

[3] 任振輝，邵利敏.現代電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4] 梁天軍.自保護藥芯焊絲全位置自動焊接裝置研制[D].西安：西安石油大學，2016.

[5] 陳萬勛，石高登，蔣小輝，等.基于PLC的自動式固定點焊機控制系統設計[J].通信電源技術，2019，39（12）：7-8.

[6] 孫凱.熔化極脈沖全位置自動管焊機的研究[D].青島：中國石油大學（華東），2017.

[7] 吳海宏，周忠明.超大直徑鋼管單面焊雙面成型全位置自動焊接技術試驗[J].廣東水利水電，2019（2）：44-47.

[8] 余卓驊，胡艷梅，何銀水.薄板機器人自動焊接焊槍三維偏差的有效提取[J].焊接學報，2019，40（11）：49-52

[9] 蔣小輝，黃敬堯，呂添，等.基于人機界面的固定點焊機自動控制系統[J].測控技術，2017（3）：83-85，89.