視覺引導(dǎo)機器人自動上料的剪力釘自動焊接設(shè)備設(shè)計

孫 文， 姜洪旗， 杜 康， 姜愛寧， 王廣超

（山東核電設(shè)備制造有限公司， 山東 海陽 265118）

0 引言

“剪力釘”一詞是來自國外核電機組設(shè)計文件中的直譯[1]。 國內(nèi)將剪力釘又稱螺釘、螺柱、栓釘（稱為“栓釘”較多）。 第三代非能動核電單機組結(jié)構(gòu)模塊子模塊數(shù)量230多個， 焊接母板為大尺寸矩形平板結(jié)構(gòu)， 最大長度約為15m，最大寬度約為4m。 剪力釘規(guī)格是長150～310mm，直徑φ12～φ25mm，單機組剪力釘總數(shù)約45 萬顆。 國外已推出各種系列的自動螺柱焊機， 包括進行大批量加工制造的自動流水作業(yè)線，所適用的焊釘直徑3～14mm，長度6～35mm，焊接工件面積普遍較小，不適用于第三代非能動核電機組中結(jié)構(gòu)模塊剪力釘?shù)暮附印?目前，在結(jié)構(gòu)模塊制造中， 剪力釘焊接主要采用手持式電弧螺柱焊槍進行焊接，工藝流程為：劃線、打點、磨光、放瓷環(huán)、剪力釘放于焊槍、焊接等工序。 采用手持式電弧螺柱焊槍進行焊接，需要人工長時間彎腰作業(yè)，存在勞動強度過大，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。 因此，有必要集成和研發(fā)一套適用于大尺寸剪力釘、大面板、有瓷環(huán)保護的剪力釘自動焊接設(shè)備，降低工人勞動強度，保證焊接質(zhì)量的一致性。

1 剪力釘自動焊接設(shè)備總體設(shè)計方案

剪力釘自動焊接設(shè)備包含6 大系統(tǒng)： 數(shù)控龍門行走系統(tǒng)、3D 視覺系統(tǒng)、機器人抓取系統(tǒng)、剪力釘焊接系統(tǒng)、激光除銹系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。

圖1 剪力釘自動焊接設(shè)備總體結(jié)構(gòu)三維圖

剪力釘自動焊接設(shè)備采用數(shù)控系統(tǒng)控制， 縱向及橫向的行走機構(gòu)通過伺服驅(qū)動， 數(shù)控龍門移動系統(tǒng)上安裝溜板裝置，配置儲料裝置、翻轉(zhuǎn)組合裝置、機器人、焊槍升降系統(tǒng)，并一起沿Y 軸移動；在溜板上配置升降Z 軸，專用焊槍固定在Z 軸上；溜板上配置料框及機器人，用于焊接件的自動拾取、裝配及安裝。數(shù)控龍門移動系統(tǒng)按程序運動到焊接位置，取料機器人負責(zé)抓取剪力釘和陶瓷環(huán)。送料機器人抓取裝配好的瓷環(huán)和剪力釘，送到焊槍上。焊槍自動下降，進行焊接作業(yè)。

在自動控制系統(tǒng)中，采用X/Y/Z 向定位功能，完成點位定向。滿足響應(yīng)速度快、高精度，采用軟件編程，通過模塊化的編程方案，可以滿足參數(shù)的快速修改和調(diào)試，伺服驅(qū)動參數(shù)設(shè)置，滿足系統(tǒng)的需求。

2 視覺及機器人抓取系統(tǒng)

在機器人自動焊接設(shè)備中，采用3D 視覺引導(dǎo)機器人抓取系統(tǒng)，完成剪力釘、磁環(huán)的抓取、裝配等動作。

圖2 視覺及機器人抓取系統(tǒng)三維圖

表1 視覺及機器人抓取系統(tǒng)配置表

3D 視覺系統(tǒng)安裝在料盒上方固定位置，分別通過激光掃描兩個料盒并收集瓷環(huán)和剪力釘3D 圖像信息，經(jīng)過后臺3D 視覺軟件處理， 給出磁環(huán)和剪力釘?shù)恼_位置，并把數(shù)據(jù)自動發(fā)給取料機器人， 取料機器人分別自動完成抓取磁環(huán)、剪力和裝配等動作。送料機器人抓取裝配好的瓷環(huán)和剪力釘，然后移動到焊接槍上，焊槍升降系統(tǒng)自動下降，接觸到鋼板后，觸發(fā)焊槍焊接信號，進行焊接作業(yè)； 焊接完成后橫梁移動一定距離以使焊槍與剪力釘脫開，然后焊槍升降系統(tǒng)自動上升到零位，移動到下一個焊接位置，重復(fù)以上焊接動作。

在機器人抓取系統(tǒng)中， 采用機器人3D 視覺定位系統(tǒng)，在軟件操作的界面下可以設(shè)定拍照次數(shù)、拍照方式、拍照清晰度，拍照讀取的模型參數(shù)及選擇要求。 這樣在設(shè)定拍照完成后，生產(chǎn)需要的標準模型模板存儲，每次進行拍照優(yōu)先選取與設(shè)定模板相似度極高的物體， 進行傳輸給機器人，按照要求進行對應(yīng)的抓取動作。

圖3 視覺及機器人系統(tǒng)工作流程圖

3 剪力釘焊接系統(tǒng)

剪力釘焊接系統(tǒng)主要由焊接電源、 焊槍升降系統(tǒng)、手工螺柱焊槍、接線等組成。

剪力釘焊接是指在金屬的端面與另一金屬工件表面之間產(chǎn)生電弧，待接合面熔化迅速后施加壓力，完成焊接的一種方法。 直徑相對較大的桿件用電弧螺柱焊[2]。

3.1 激光除銹對剪力釘焊接質(zhì)量的影響

激光除銹機利用高能激光束照射工件表面， 可高速有效地清除表面附著物，屬非接觸式清潔，可精確定位，工作效率高，且除銹過程無粉塵產(chǎn)生；激光除銹機能夠快速清除物件表面樹脂、油漆、油污、污漬、污垢、銹蝕、涂層、鍍層以及氧化層等。將接頭的清理達到標準要求的最好水平， 保證提高焊接質(zhì)量。是目前5 種傳統(tǒng)清洗 （除銹）方式中最好的一種，值得大力推廣。

圖4 焊槍尺寸圖

3.2 焊接工藝流程及時間節(jié)拍

3D 視覺系統(tǒng)動作流程與機器人抓取送料系統(tǒng)以及自動焊接動作流程是同步進行的， 經(jīng)過分析總結(jié)時間節(jié)拍19.5s， 與取料機器人基本同步，基本沒有等待時間。驗證結(jié)果表明：該設(shè)備設(shè)計合理，動作運行及銜接順暢、準確、可靠，完全能滿足三代核電結(jié)構(gòu)模塊剪力釘自動焊接的要求。

表2 視覺及取料機器人工藝流程和時間節(jié)拍分析

表3 裝配機器人、自動焊接、龍門機構(gòu)移位工藝流程和時間節(jié)拍分析

4 結(jié)論

通過將大型數(shù)控龍門移動系統(tǒng)、3D 視覺系統(tǒng)、機器人抓取系統(tǒng)、手工電弧螺柱焊機、 激光除銹系統(tǒng)、 數(shù)控編程軟件相結(jié)合的剪力釘自動焊接設(shè)備， 真正實現(xiàn)了第三代非能動核電站結(jié)構(gòu)模塊剪力釘?shù)娜套詣雍附印?新型剪力釘自動焊接設(shè)備具有點動、自動、缺釘反饋、瓷環(huán)掉落報警等功能；具有大尺寸剪力釘自動取釘、送釘、瓷環(huán)抓取和釘環(huán)配合等功能； 具有大面積剪力釘自動送釘和能夠準確定位功能。具有數(shù)控、高效套料劃線功能；具有精確定位、非接觸性清潔、不損傷基體、綠色環(huán)保、自動高效激光清洗（除銹）功能。 人工智能技術(shù)在剪力釘自動焊設(shè)備上的充分運用，取得了重大突破。 機器代替了人類的一部分體力勞動，人工智能則代替了人類的一部分腦力勞動[3]。隨著新型剪力釘自動焊接設(shè)備逐漸運用，與操作人員之間的不斷磨合，程序庫的不斷積累，該設(shè)備的可靠性和工作效率會進一步提高。