機器人在接頭熱處理生產線中的應用

岳 鵬，李志昊，劉一芳，楊勇平

（1.中國石油渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司，河北滄州 062658；2.中國石油渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿接頭是連接鉆柱的關鍵部件，其質量、壽命對于鉆探（鉆井）的施工效率、質量、成本起著舉足輕重的作用。當前國內外鉆桿接頭的生產普遍采用棒料鍛壓成型生產毛坯件，通過機加工完成毛坯件的外形輪廓精整處理，再由熱處理爐完成鉆桿接頭的機械性能調質處理，最后由機床進行內外螺紋的精加工，及鉆桿接頭成型交付后續(xù)工序。

如圖1 所示，本系統(tǒng)以接頭熱處理工序為研究對象，接頭熱處理工序由淬火爐、回火爐、熱處理爐自動搬送線、硬度機、磁粉探傷、檢查臺、上卸料工作臺及外圍防護裝置組成，通過2 臺KUKA 機器人實現了鉆桿接頭熱處理區(qū)域的全程自動化生產，既提高了生產效率，降低了工人勞動強度，又實現了生產信息跟蹤記錄，提高了企業(yè)的綜合競爭力。

圖1 接頭熱處理生產線布局

1 工藝流程

鉆桿接頭按既定規(guī)則整齊碼放在接頭料筐內，料筐準確就位于上料區(qū)。由機器人搬送系統(tǒng)將料筐內待熱處理接頭搬送至熱處理爐輸送線上的托盤內，熱處理爐輸送裝置將托盤內裝載的接頭依次進行淬火加熱、淬火冷卻、回火加熱。機器人再將熱處理后的接頭搬送至檢測工序，對每一個接頭進行硬度、內外表面磁粉探傷檢查。由機器人搬送系統(tǒng)將不合格接頭挑出放置在待處理區(qū)域，將檢測合格的接頭從探傷工序取送至成品料筐內碼放。

2 機器人搬送系統(tǒng)

熱處理爐上料時，1#機器人將接頭從料筐取料放到搬送帶進料托盤上，接頭從熱處理爐出來后，1#機器人將接頭從搬送帶出料托盤上取料放到中轉臺，有批量產品硬度不合格時放到成批不合格放置區(qū)；2#機器人將接頭從中轉臺放到硬度機上進行接頭硬度檢測，按硬度機的工作流程完成動作要求，把不合格的接頭抓取到不合格品區(qū)，合格的接頭從硬度機放到磁粉探傷搬送帶上進入磁粉探傷。探傷合格接頭由成品輸送輥道放到成品下料筐內，不合格的接頭抓取到不合格品區(qū)。機器人系統(tǒng)布局如圖2 所示。

圖2 機器人搬送系統(tǒng)布局

3 接頭描述及碼放規(guī)則

為了配合機器人系統(tǒng)的自動化運行，接頭的物料擺放形式及硬度測試點的位置需要進行規(guī)范的約束。鉆桿接頭分成公接頭、母接頭兩大類。機器人系統(tǒng)根據不同規(guī)格接頭尺寸及碼放規(guī)則，計算接頭取料點、碼放點的空間位置坐標。如圖3 所示，同時計算出2 個硬度測試點的空間坐標位置，最終完成整線的自動化運行。

圖3 公母接頭硬度檢測點

所有送往熱處理的公、母鉆桿接頭均為梯形裝載形式，使用帶工件定位擋板的料筐承載。排列工具接頭時，第1、2 列工具接頭之間保留20 mm 間隔。接頭在料筐內的擺放方式如圖4所示。

圖4 料筐擺放規(guī)則

4 區(qū)域設備協(xié)作

本條生產線是實現鉆桿接頭熱處理并在線檢測的自動化流水系統(tǒng)，機器人起周轉物流自動化的關鍵作用。機器人系統(tǒng)與加熱爐、硬度機、磁粉探傷設備的互相協(xié)作至關重要。

4.1 與加熱爐輸送輥道相互配合

熱處理爐輸送輥道要預留進出爐托盤的存放空間，托盤輸送輥道要有專門的工件上料下料托盤定位裝置，且托盤的重復定位精度水平面內X、Y 方向不超±5 mm，托盤上的工件保持豎直方向，不允許傾斜。托盤是否到位及托盤上是否有無工件要有信號通知機器人系統(tǒng)，并且機器人上完料后，機器人發(fā)出上料完成信號后，輸送輥道才能動作。機器人系統(tǒng)與加熱爐使用CCLink（Control &Communication Link，控制與通信鏈路系統(tǒng)）工業(yè)網絡進行信號交互通信（表1）。

表1 機器人系統(tǒng)與加熱爐通信信號

4.2 與硬度機設備互相配合

硬度檢測設備同機器人動作配合的動作順序由上位機控制，避免機器人或硬度機損壞。機器人系統(tǒng)與硬度機檢測上位機采用I/O 信號通信，機器人采用預約方式同硬度機配合，硬度機對接頭測試后，通過上位機將檢測結果給機器人發(fā)出相應的執(zhí)行信號，如圖5 所示。同時機器人根據硬度機上位機判斷工件是否合格的結果，選擇直接卸下不合格的工件或搬送至磁粉探傷工序。硬度機檢測設備配有標準V 板，接頭可由機器人在V 板上軸向推動20 mm，以便于2 個硬度點的檢測。

圖5 硬度機與機器人配合工作流程

4.3 與磁粉探傷設備互相配合

磁粉探傷輸送輥道上料位及下料位有緩存工位，上下料端均采用V 形塊式定位方式，并且有檢測信號。機器人與磁粉探傷采用I/O 通信方式（表2）。磁粉探傷輸送線上料端，通過判斷V 形塊定位端的非接觸及接觸雙傳感器檢測工件有無信號，結合硬度機合格與否判斷結果，直接從硬度機上的V 形塊轉運過來；而下料端不僅判斷預留緩沖空間的有無物料檢測傳感信號，而且下料端V 形塊定位端也判斷工件有無信號，采用機器人下料方式。當磁粉探傷輸送線采用手動操作方式時，2#機器人不能自動動作，避免對操作人員或設備造成損壞。

表2 機器人系統(tǒng)與磁粉探傷設備通信信號

5 安全防護

安全性是機器人系統(tǒng)的一項重要指標，本方案在制定規(guī)劃時充分考慮了安全因素，具體安全防護措施如圖6 所示。

圖6 機器人搬送系統(tǒng)現場照片

（1）機器人工作站周圍應設有安全圍欄和安全門。圍欄由立柱和鋼絲網構成，并設有安全鎖，防止系統(tǒng)運轉時人員違規(guī)進入。工作站外圍應設有系統(tǒng)運轉狀態(tài)指示燈用于系統(tǒng)監(jiān)控并在適當位置加上醒目的警示牌，如“設備運行時請勿入內”。

（2）叉車搬運托盤的入口處設置了安全光幕。上料時，人工可以屏蔽掉安全光幕，同時使蜂鳴系統(tǒng)工作；確保上料過程中，機器人還能正常工作；上料完畢，人工開啟安全光幕，確保其他人員的違規(guī)進入。其他不經常搬運的出入口，設置了維護門，門上設安全開關鎖。

6 結束語

機器人搬送系統(tǒng)實現了鉆桿接頭熱處理區(qū)域熱處理爐、硬度機、磁粉探傷設備的生產流程自動化，既提高了生產效率，也實現了生產信息、產品質量信息的實時跟蹤記錄。操作人員的勞動強度大幅降低，經濟效益顯著。