基于六軸機器人風管焊接裝備研究

馮英超，王象元，劉金平，潘國偉，高晶，張佳明，楊軍偉，王奇學

1.中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

2.核工業工程研究設計有限公司 北京 101300

1 序言

目前，核電現場對于風管預制焊接主要采用手工焊的作業方式，受焊工狀態影響較大，普遍存在生產效率低、工件焊接質量不穩定、焊后變形嚴重及焊接人員工作環境較差等問題。各個項目無法對大量的圓風管環焊縫及方風管、彎頭等焊縫進行自動化焊接，特別是通風彎頭（蝦米彎）的預制，雖只有6.24%的面積占比，但單位面積上焊縫所有量大，通常縱焊縫為0.5m/m2，彎頭焊縫量占比達5m/m2。

本文基于安川AR2010機器人和松下GS350焊接電源，研究設計了以機器人為中心的多軸協同作業的圓風管彎頭機器人焊接裝備。該裝備具有自動化程度及焊接效率高等特點，可大幅提高風管焊接預制自動化施工效率，保障焊接質量，提升核電建造自動化水平。

2 總體設計

該裝備是在現有示教型機器人的基礎上，根據現場風管焊接實際施工情況，針對其重復性高、工作量大的問題，進行設計、研發、集成的自動化焊接裝備。該裝備由六自由度焊接機器人本體、機器人系統控制柜、焊接電源、視覺傳感系統、清槍站和自動焊工裝等組成，裝備總體框圖如圖1所示，裝備布局如圖2所示。整個焊接過程的實施是通過視覺傳感系統對焊縫進行觀察，自行完成數據計算，獲得焊縫位置，焊槍則自行按焊縫軌跡行走，控制焊接參數，完成智能焊接過程[1]。

圖1 裝備總體框圖

圖2 裝備布局

裝備性能指標如下。

1）視覺傳感系統在焊縫水平方向和高度方向上的識別精度偏差≤0.5mm。

2）視覺傳感系統可識別組對間隙≥1mm的焊縫。

3）裝備可焊接直徑為200～1250mm圓風管彎頭對接焊縫。

3 硬件選型

3.1 六自由度焊接機器人

按照功能劃分，一臺通用的工業機器人一般由機械手總成、控制器、示教系統這三個相互關聯的部分組成。

安川AR2010焊接機器人作為工作站的重要組成部分（見圖3），用來完成風管預制智能化焊接機器人裝備及工藝研究任務中控制系統集成和動作的執行工作，是焊槍或作業工具的載體，實現弧焊作業時所需要的焊接位置、焊接姿態和焊接軌跡[2]。

圖3 安川AR2010焊接機器人

3.2 焊接電源

結合研究實際需求，選用松下350GS5HNE氣體保護焊焊接電源（見圖4）。該電源具有以下特點：數字焊接電源，最大焊接電流350A，且能適用于不同厚度的碳素鋼、不銹鋼材料焊接；具有專門針對用戶焊接材料的專家程序；配備高速脈沖軟件；焊接效率高、熔深大、飛濺小，且焊縫成形美觀；預留數字通信接口，精準控制焊接參數。

圖4 松下350GS5HNE氣體保護焊焊接電源

焊接電源的額定輸入電壓為三相380V/400V。在生產中應盡可能使用穩定的電源電壓，當電壓波動范圍超過額定輸入電壓值的±10%時，將不能滿足所要求的焊接條件，還會導致焊接電源出現故障。

為了安全起見，母材側電源電纜必須使用焊接專用電纜，并避免電纜盤卷，否則因線圈的電感儲積電磁能量，當二次側切斷時會產生巨大的電壓突變，從而導致電源出現故障。

如圖5所示，松下焊接電源被控方式分為3種：一是松下機器人控制系統使用松下專用總線的通信方式控制焊接電源；二是其他廠家控制系統搭配松下專用通信模塊，通過松下專用總線通信的方式控制焊接電源；三是其他廠家控制系統搭配松下專用通信模塊，通過松下模擬通信方式控制焊接電源。

圖5 松下焊接電源控制方式

3.3 視覺傳感器

根據研究內容，視覺傳感器需完成圓風管彎頭內外角焊縫的高速識別，最終選用型號為D RROBOT-LT01的視覺傳感器，如圖6所示。

圖6 DR-ROBOT-LT01視覺傳感器

該傳感器為使用數字CMOS 圖像探測器件的激光視覺傳感器，具備了采用模擬CCD 的傳感器所無法達到的性能，且具有視距長、范圍大及視野廣等優點，可實現圓風管彎頭焊縫的焊接。該傳感器可識別焊縫形式如圖7所示。

圖7 可識別焊縫形式

3.4 清槍站

清槍站作為焊接機器人周邊輔助設備，對機器人自動化焊接起到了重要作用。其核心用途是用于清理焊接機器人在自動焊接作業過程中產生的、黏堵在焊槍氣體保護套內的飛濺物，確保氣體長期暢通無阻，有效地阻隔空氣進入焊接區域，提高焊縫質量。清槍站清槍、噴油、剪絲應用如圖8所示。

圖8 清槍站清槍、噴油、剪絲應用

4 工裝設計

彎頭工裝作為輔助變位設備，經過設計、模擬仿真等步驟驗證，機器人與變位機協同運動實現焊接所要求的最佳焊槍姿態和焊槍位置[3，4]。

根據現場調研情況，選取典型圓風管彎頭環焊縫尺寸為φ200mm、φ630mm、φ1250mm，角度為90°。

圓風管彎頭環焊縫工裝擬按以下特點設計。

1）工裝中心高度為1600m m，滿足φ200～1250mm圓風管彎頭的裝夾。

2）自動化工裝采用氣動卡盤內撐方式固定彎頭兩邊，保證裝夾穩固，運動過程工件與工裝無相對滑動。

3）兩套變位機主動軸為安川伺服電動機通過與機器人通信實現聯動，提高運動精度；其中一變位機可水平方向滑動，該動作由步進電動機完成。

4）自動化工裝控制核心為PLC，方便與機器人進行信號（內撐裝置打開、背氬氣閥打開、變位機平移等命令）傳遞，實現自動化控制。

圓風管彎頭工裝如圖9所示。

圖9 圓風管彎頭工裝

5 控制系統設計

電氣控制設備是系統運行的控制中心，也是系統正常運行的保障。機器人自動化焊接本質是外部通信接口將各個設備互聯，通過控制系統命令實現焊接過程全自動化的工業機器人作為智能制造應用的主抓手，必然會推動生產自動化向前發展[5]。

若風管焊接采用人工焊接方式，則存在焊接質量不穩定、生產效率低下、勞動強度高等不利因素。隨著機器人技術和電氣自動化控制技術的快速發展，自動化焊接技術得到了廣泛應用。

自動焊裝備主要由六軸弧焊機器人、視覺傳感器、焊接電源及配套工裝組成。控制系統核心為六軸機器人控制器，焊接電源、工裝等，均由機器人直接控制。視覺傳感器作為機器人上位機，將位置坐標信息傳遞給機器人，間接控制機器人行走軌跡。

5.1 機器人與焊接電源

機器人與焊接電源有3種通信方式，任意一種方式均可實現焊接參數監控，本課題擬采用網絡通信方式，實現數據高速傳輸，完成對電弧電壓、焊接電流、送絲速度及氣體流量等的控制和監測，機器人與焊接電源連接如圖10所示。

圖10 機器人與焊接電源連接示意

5.2 機器人與清槍站

機器人控制器自帶八路通過I O控制的方式，實現自動清槍、噴油、剪絲等功能。以上功能通過機器人編程實現，可依次完成清槍、噴油和剪絲動作。編程邏輯如圖11所示。

圖11 機器人控制清槍、噴油和剪絲動作的編程邏輯

5.3 機器人與視覺

首先，通過網絡電纜線進行通信連接，實現數據高速實時傳輸、焊縫識別與跟蹤；焊縫跟蹤通過發射線激光至風管的焊縫處，從攝像機觀察到的圖像被焊縫跟蹤控制器處理。然后，軟件使用特定的設置將條紋分成形成焊縫的許多條線。從這些線的位置，系統可以測量焊縫的位置，并將其轉化成以毫米為單位進行計算的距離，距離值通過以太網通信發送給機器人。機器人收到數據后，計算并存儲掃描得到焊縫位置，并根據當前位置和掃描位置進行對比獲得差值，通過實時跟蹤來糾正焊槍位置偏差，使焊槍始終保持沿焊縫行進。

焊縫跟蹤掃描工作流程如圖12所示。

圖12 焊縫跟蹤掃描工作流程

傳感器端頭和焊縫跟蹤處理器采用專用線纜連接，焊縫跟蹤處理器和機器人采用udp通信。

（1）安川機器人通信設置 進入安川機器人的維護模式→安全模式→系統→選項功能→LAN口設定，設置內容如下。

1）（LAN3）設定為手動設置。

2）IP 地址：192.168.1.11。

3）子網屏蔽：255.255.255.0。

（2）傳感器通信設置 控制器中打開焊縫跟蹤軟件 DRVision，點擊手動模式，點擊通信設置，彈出通信設置界面（見圖13）。設置步驟如下。

圖13 傳感器通信設置界面

1）本地 IP：192.168.2.3，本地端口：5724。

2）遠程 IP：192.168.2.10，本地端口：5724。

3）傳感器主機中設置IP：192.168.2.3，子網掩碼：255.255.255.0。

（3）激光器標定 主要包括以下步驟。

1）移動機器人，使TCP至第一點P1，并使條紋與標定板上記號線重合。控制器打開軟件，打開識別按鈕，找到焊縫位置后，使十字X軸方向位于0位線上，修改機器人標定程序中的點位1。

2）抬高機器人，使TCP至第二點P2，并使條紋與標定板上記號線重合。控制器打開軟件，打開識別按鈕，找到焊縫位置后，使十字X軸方向位于0位線。

3）機器人回到P1，機器人在工具Y+方向移動10mm左右，使TCP至第三點P3，并使條紋與標定板上記號線重合，修改機器人標定程序中的點位3。

4）移動機器人，使TCP移至第四點P4，并使TCP與標記線的焊縫中心重合，修改機器人標定程序中的點位4。

激光尋位程序實例如下。

5.4 機器人與工裝

通過機器人IO連接，實現氣缸等執行器件的控制，完成上下料自動裝夾工作，圓彎頭工裝執行元件主要包括壓緊氣缸和旋轉電動機，電動機作為機器人外部軸，可與機器人直接聯調。

機器人與工裝控制接口定義見表1，控制邏輯均由機器人編程完成。

表1 機器人與工裝控制接口定義

6 結束語

利用安川六軸機器人設計了一種機器人自動化焊接裝備，該裝備通過機器人外部軸協同作業功能，精準控制工件與焊槍的相對位置和速度，可滿足多種規格圓風管彎頭的焊接工藝要求，大大提高了生產效率，同時節約了人工成本。該裝備在生產實踐中的使用效果達到了預期要求。