一種分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮清華

（廈門(mén)聚行智能科技有限公司，福建 廈門(mén) 361021）

當(dāng)前，隨著勞動(dòng)生產(chǎn)工人的短缺，在生產(chǎn)領(lǐng)域尤其是高安全風(fēng)險(xiǎn)崗位迫切需要開(kāi)展機(jī)器換人工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，解決人員不足和勞動(dòng)生產(chǎn)率較低等問(wèn)題。在現(xiàn)代石油開(kāi)采過(guò)程中，使用的壓力容器筒體等石油裝備的制造一般采用手工焊接，工序之間轉(zhuǎn)移采用天車(chē)或者叉車(chē)等傳統(tǒng)物流方式。采用傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)移物料需要大量人力配合才能完成作業(yè)流程，存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低等缺點(diǎn)，而且存在極大的安全隱患；工人工作環(huán)境惡劣、焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率低下限制了行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

由于切割及焊接對(duì)象筒體是壓力容器重要部件，焊接質(zhì)量對(duì)壓力容器尤為重要。筒體及管座存在工件體型大、質(zhì)量重、種類(lèi)大小繁多、工藝復(fù)雜等一系列特點(diǎn)，要求切割焊接工人具有較高的專業(yè)作業(yè)水平，焊接專業(yè)人才人力成本較高。

傳統(tǒng)的手工焊接方法無(wú)論是焊接質(zhì)量的一致性，還是焊接效率及其安全可靠性上均不能滿足作業(yè)需求，而加強(qiáng)板及接管物料輸送物流技術(shù)、傳感器圓周定位技術(shù)、激光掃描技術(shù)、物料定位點(diǎn)焊技術(shù)、機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)等技術(shù)已較為成熟，可以應(yīng)用于石油裝備行業(yè)的分離器切割、組對(duì)、焊接環(huán)節(jié)，從而大大提高生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全，減輕焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)裝置如圖1所示，包括多條軌道、PLC 控制系統(tǒng)、上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)、滾輪架變位機(jī)、鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝、機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)及輸送車(chē)、工件筒體管座、觀察小車(chē)。

圖1 分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)示意圖

該新型焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是提供一種筒體管座切割組對(duì)焊接裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)筒體管座自動(dòng)切割、組對(duì)、焊接，提高生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全。

2 分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)特征分析

該新型設(shè)計(jì)的特征如下：包括PLC 控制系統(tǒng)、上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)、滾輪架變位機(jī)、鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝及機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)；滾輪架變位機(jī)、上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)、鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝及機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)分別在不同軌道上行走，軌道設(shè)置在地面上；工件筒體管座置于滾輪架變位機(jī)上，機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)位于工件筒體管座一側(cè)，鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝位于工件筒體管座下方，而上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)跨越在工件筒體管座上；PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行切割孔位，借助上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)由人工對(duì)工件筒體管座頂部配件進(jìn)行點(diǎn)焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工件筒體管座，對(duì)工件筒體管座底部進(jìn)行切割焊接，并由鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝安裝鞍座。

此外，輸送車(chē)在軌道上行走以輸送焊接完成后的筒體管座，可升降載人的觀察小車(chē)在軌道上行走。觀察小車(chē)包括小車(chē)架體、升降機(jī)構(gòu)、載人觀察平臺(tái)、伸縮機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。小車(chē)架體在軌道上行走，載人觀察平臺(tái)借助升降機(jī)構(gòu)在小車(chē)架體上運(yùn)行，載人觀察平臺(tái)通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)在升降機(jī)構(gòu)上平移，控制系統(tǒng)控制升降機(jī)構(gòu)及伸縮機(jī)構(gòu)動(dòng)作。上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)包括機(jī)構(gòu)架體、點(diǎn)焊升降平臺(tái)、平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)及手工焊機(jī)。機(jī)構(gòu)架體在軌道上行走，點(diǎn)焊升降平臺(tái)通過(guò)平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)架體上運(yùn)行，而手工焊機(jī)安裝在點(diǎn)焊升降平臺(tái)上，由人工通過(guò)手工焊機(jī)對(duì)工件筒體管座頂部進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝包括座體、液壓機(jī)構(gòu)、升降平臺(tái)及夾緊機(jī)構(gòu)。座體在軌道上行走，液壓機(jī)構(gòu)安裝在座體中，升降平臺(tái)安裝在液壓機(jī)構(gòu)上，夾緊機(jī)構(gòu)安裝在升降平臺(tái)上，夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行固定定位。

機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)包括可在軸旋轉(zhuǎn)及軸升降的機(jī)構(gòu)主體、切割機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)構(gòu)及換槍機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)主體在軌道上沿軸行走，切割機(jī)構(gòu)及焊接機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)構(gòu)主體上，由換槍機(jī)構(gòu)切換切割機(jī)構(gòu)、激光定位機(jī)構(gòu)及焊接機(jī)構(gòu)輪換工作。

機(jī)構(gòu)主體上安裝激光定位機(jī)構(gòu)，激光定位機(jī)構(gòu)與PLC 控制系統(tǒng)連接，形成焊接軌跡，還安裝著煙塵處理機(jī)構(gòu)。

3 分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)運(yùn)行方式[3-5]

新型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該系統(tǒng)的滾輪架變位機(jī)、上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)、鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝及機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)分別在不同軌道上行走，軌道設(shè)置在地面上。工件筒體管座置于滾輪架變位機(jī)上，機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)位于工件筒體管座一側(cè)，鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝位于工件筒體管座下方，而上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)跨越在工件筒體管座上。

圖2 新型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行切割孔位，借助上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)由人工對(duì)工件筒體管座頂部配件進(jìn)行點(diǎn)焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工件筒體管座，對(duì)工件筒體管座底部進(jìn)行切割焊接，并由鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝安裝鞍座。輸送車(chē)在軌道上行走，以輸送切割焊接完成后的工件筒體管座成品。

該系統(tǒng)還包括可以升降載人的觀察小車(chē)，觀察小車(chē)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，觀察小車(chē)在軌道上行走。觀察小車(chē)包括小車(chē)架體、升降機(jī)構(gòu)、載人觀察平臺(tái)、伸縮機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。小車(chē)架體在軌道上行走，載人觀察平臺(tái)借助升降機(jī)構(gòu)在小車(chē)架體上運(yùn)行，且載人觀察平臺(tái)通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)在升降機(jī)構(gòu)上平移，控制系統(tǒng)控制升降機(jī)構(gòu)及伸縮機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

圖3 觀察小車(chē)的結(jié)構(gòu)示意圖

上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)的上升狀態(tài)、降落狀態(tài)分別如圖4、圖5 所示。上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)包括機(jī)構(gòu)架體、點(diǎn)焊升降平臺(tái)、平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)及手工焊機(jī)。機(jī)構(gòu)架體在軌道上行走，點(diǎn)焊升降平臺(tái)通過(guò)平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)架體上運(yùn)行，而手工焊機(jī)安裝在點(diǎn)焊升降平臺(tái)上，由人工通過(guò)手工焊機(jī)對(duì)工件筒體管座頂部配件進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

圖4 上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)的上升狀態(tài)示意圖

圖5 上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)的降落狀態(tài)示意圖

鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝包括座體、液壓機(jī)構(gòu)、升降平臺(tái)及夾緊機(jī)構(gòu)；座體在軌道上行走，液壓機(jī)構(gòu)安裝在座體中，升降平臺(tái)安裝在液壓機(jī)構(gòu)上，而夾緊機(jī)構(gòu)安裝在升降平臺(tái)上，夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行固定定位。該夾緊機(jī)構(gòu)為現(xiàn)有常規(guī)結(jié)構(gòu)，此處不贅述。

圖6 鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝的結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)包括可沿軸旋轉(zhuǎn)及軸升降的機(jī)構(gòu)主體、切割機(jī)構(gòu)（圖中未示出）、焊接機(jī)構(gòu)及換槍機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)主體在軌道上沿軸行走，切割機(jī)構(gòu)及焊接機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)構(gòu)主體上，由換槍機(jī)構(gòu)切換切割機(jī)構(gòu)及焊接機(jī)構(gòu)輪換工作。

圖7 機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)，在機(jī)構(gòu)主體上安裝激光定位機(jī)構(gòu)，激光定位機(jī)構(gòu)與PLC 控制系統(tǒng)連接，形成焊接軌跡。機(jī)構(gòu)主體上還安裝有煙塵處理機(jī)構(gòu)。輪架變位機(jī)為現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)，通常用于筒體結(jié)構(gòu)的焊接轉(zhuǎn)動(dòng)，其具體結(jié)構(gòu)此處不贅述。

新型PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行切割孔位，借助上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)由人工對(duì)工件筒體管座頂部配件（如法蘭及弧板等）進(jìn)行點(diǎn)焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工件筒體管座，對(duì)工件筒體管座底部進(jìn)行相同的切割焊接，并由鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝安裝鞍座，實(shí)現(xiàn)對(duì)筒體管座自動(dòng)切割、組對(duì)、焊接，提高生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全，減輕焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 新型分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)效果分析

采用新型分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)后，新型PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行切割孔位，借助上料點(diǎn)焊升降機(jī)構(gòu)由人工對(duì)工件筒體管座頂部配件進(jìn)行點(diǎn)焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)器人切割焊接機(jī)構(gòu)對(duì)工件筒體管座進(jìn)行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工件筒體管座，對(duì)工件筒體管座底部進(jìn)行切割焊接，并由鞍座自動(dòng)組對(duì)工裝安裝鞍座，實(shí)現(xiàn)對(duì)筒體管座自動(dòng)切割、組對(duì)、焊接，提高生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全，減輕焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

新型分離器馬鞍機(jī)器人切割焊接系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，在石油開(kāi)采等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)生產(chǎn)自動(dòng)化、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)生產(chǎn)作業(yè)的安全性等良好效果，從而為生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生更高的效益。當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)越來(lái)越向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，新的機(jī)器人技術(shù)被廣泛用于工作生產(chǎn)，逐步替代有生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的工作崗位，降低生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)的人身安全隱患，從而達(dá)到安全生產(chǎn)與人員保護(hù)的雙重目的。