鍋爐集箱管座機器人焊接試驗工作站的設計與實現

陳遠強，羅文國，付 俊 ，陳 弈，黃安立

1.東方電氣集團有限公司中央研究院，四川 成都 611731

2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001

0 前言

集箱是鍋爐中關鍵承壓部件之一，其主要作用是匯集、混合工作介質并重新分配到其他管道中，保證工作介質均勻分配和加熱，其焊接質量直接影響電站的安全運行。提升智能制造、降本增效是鍋爐制造業的必經之路，智能化焊接在鍋爐制造中的應用是未來趨勢所向。目前國內幾大發電設備制造商中，上海鍋爐廠已經采用了半自動埋弧焊專機焊接集箱管座，但自動化程度較低；哈爾濱鍋爐廠在20世紀90年代也引進了日本三菱的機器人工作站焊接集箱，但因工件問題未能成功應用。數字化車間是智能裝備制造業技術發展的必然趨勢，數字化焊接技術的應用推廣，將有利于提升焊接過程和焊接質量的穩定性。而隨著互聯網、5G技術、人工智能等新興學科與焊接設備的緊密結合，必將促使焊接技術向智能化、柔性化、網絡化的方向發展［1-8］。

本文研制的鍋爐集箱管座機器人焊接試驗工作站可用于集箱長管座、短管座或大管座的機器人焊接離線編程排道及焊接工藝試驗。在制造環節，實現機器人自動化裝配與焊接制造、工業級傳感等關鍵技術，實現設計、工藝、制造、管理等環節的一體化、數字化與智能化，提升集箱管座焊接生產制造水平；在質量控制環節，建立制造全過程數據采集系統，滿足產品焊接生產中的質量追溯，保障產品質量，避免質量事故。在管理環節，建立鍋爐集箱產品數據庫，實現集箱工藝、排產、制造全過程信息化，為實際生產制造提供優化方案。

1 鍋爐集箱管座智能焊接試驗工作站的構建

1.1 硬件組成

鍋爐集箱管座智能焊接試驗工作站的布置如圖1所示。硬件包括：安川HP20D型6軸工業機器人及軌道，DX100型控制柜，基恩士LJ-G200型2D激光傳感器，測量范圍為（200±50） mm，支持機器人全數字控制的焊接電源，最大焊接電流為350 A，首尾雙座式旋轉變位機，頭尾座均為3爪自定心卡盤，頭座為主動軸，尾座為從動軸。主動軸配置為焊接機器人的外部軸，能夠與機器人協調聯動。

圖 1 工作站組成布置Fig.1 Workstation composition and layout

1.2 項目難點

（1）機器人在大型鍋爐焊接制造上的應用問題。

目前機器人焊接絕大多數應用于汽車、工程機械等成批量的標準件上，在中厚板焊接的應用上還處于摸索階段，尤其是集箱這類整體尺寸和坡口變化大、不規則的產品。為解決自動焊問題，本文在機器人上采用了3D視覺技術，通過對焊道的定位，結合管座坡口的尺寸參數自動規劃焊道。

試驗過程中也發現了一些問題，如不同品牌和氣體成分的焊絲成形情況不同。但建立一套標準的智能工藝規劃軟件需要大量的試驗積累，目前針對技術協議上所要求的管座進行了工藝儲備。

（2）理論模型與實際產品的誤差問題。

目前系統所有的數據來源都是通過人工輸入產品特征尺寸，再由系統自動生成模型。此模型為理想模型，離實際產品仍有一定差距，可能會影響系統的正常工作流程。如：因為管孔與筒身相對位置的誤差，導致機器人無法找到第一個管孔位置；在分段焊接過程中，由于段和段之間距離較遠，管孔間距有誤差，導致無法找到下一段的管孔位置；管座坡口角度變化導致填充量不夠；坡口尺寸變化影響焊縫成形等。

（3）系統邏輯復雜。

系統需要根據現場情況考慮各種情況的處理邏輯，涉及自動、半自動、各種順序模式等。

1.3 工藝調試流程

鍋爐集箱管座智能焊接試驗工作站的工藝調試流程如圖2所示。

圖2 工藝調試流程Fig.2 Process debugging process

（1）定位。

系統基于變位機標尺值和待焊工件信息，計算出機器人相機的最佳拍照位置。焊接機器人從此處連續進行三次視覺定位（一次初始定位、一次水平位置調整、一次角度測量），計算出待焊孔位的空間位置及傾斜角度，作為焊接基準。裝配機器人重復同樣過程，獲得裝配及打磨基準。

該視覺定位功能會根據實際環境和工件表面狀況，自動調整曝光時間以達到最佳圖像質量，并根據已焊管座的實際位置自動微調待焊孔位的拍照位置，以消除尺寸誤差和焊接變形的影響。

（2）裝配。

系統基于數據庫中的管座信息，計算出裝配機器人的料盤抓取位置。機器人抓取管座時可通過稱重判斷是否抓取成功，并基于力覺傳感自動裝配。裝配成功后，持續施加50 N壓緊力等待點焊。如果裝配失敗，機器人自動把管座放回料盤，并放棄該孔位，跳到下一個孔位的裝焊。

裝配方向有兩種方式，一種按完全根據視覺判斷的角度進行裝配，一種按規定角度進行裝配。

（3）點焊。

焊接機器人根據不同的管座尺寸自動生成點焊程序，在不發生干涉的4點鐘和6點鐘位置先后點焊。點焊完成后，裝配機器人撤離。

（4）弧焊。

焊接機器人根據數據庫發送的工藝和軌跡點信息自動生成弧焊程序，每道參數分40段可調。為減小單個管座的焊接變形，不同道次的起弧點可以在兩側肩部位置交替變化，焊接方向亦可以自由選擇。

（5）打磨。

起弧失敗后，焊接機器人撤離剪絲，裝配機器人基于焊接軌跡點數據進行打磨。打磨過程通過力覺傳感控制，可適應外觀成形不同的各道焊縫，打磨工具頭沿焊縫表面斜向上并橫向來回移動，為保證打磨成功率，此處設置打磨4次。

（6）清槍。

系統工作時，可設置每焊一定數量的管座自動撤回清槍，機器人回到清槍位置待人工清理完畢后，可繼續后續流程。亦可在焊接過程中臨時從操作臺發出清槍指令，該情況下，機器人在繼續焊完該道焊縫后才會撤回到清槍位置。

2 工藝專家軟件系統的構建

2.1 軟件總體方案

根據集箱管座自動化焊接作業流程，開發焊接作業管理系統，包括現場作業管理、焊接過程監控、Web遠程訪問、移動智能終端和焊接專家數據庫等部分。通過焊接作業管理系統實現箱體、管座基礎數據的維護，機器人工位信息計算，焊接參數和程序下傳，設備運行狀態監視等功能，提高工人操作效率，減少操作失誤；并通過數據庫記錄焊接歷史數據，實現焊接過程可追溯。

從系統框架劃分，焊接作業管理系統包括Web數據維護系統、現場作業管理系統和數據庫服務器三部分，其通過網絡通信接口與機器人控制系統和焊機控制系統實現集成。Web數據維護系統采用B/S架構，技術人員通過瀏覽器遠程登錄，可實現系統基礎數據的維護，包括人員信息、箱體型號參數、管座型號參數、管座焊接參數和管座焊接程序等數據的添加、修改、查詢和批量導入，同時也可通過Web系統查看焊接參數歷史記錄。現場作業管理系統布置在焊接現場控制室，直接與機器人和焊接控制系統通信，由現場工人操作，實現對焊接作業的管理，包括機器人工位信息計算，管座焊接參數、管座焊接程序的下傳，設備運行狀態監視，故障信息提示，歷史焊接參數記錄等功能。數據庫服務器用于存儲系統基礎數據和歷史數據，為現場作業管理系統和Web數據維護系統提供數據接口。

其中，Web遠程訪問部分基于SSH架構，無需安裝客戶端，直接通過瀏覽器便可進行訪問。現場作業管理和焊接過程監控報警部分基于微軟的.NET架構，采用Visual Studio進行開發，具有較好的通用性。工藝仿真采用Flow-3D軟件。

數據庫服務器/Web服務器、工控機、機器人控制柜都通過工業以太網相互連接。工控機通過與機器人控制柜的接口實現集箱管座焊接生產線的作業安排，包括工位控制、焊接工藝參數控制以及焊接監控和故障診斷，并且把獲取的焊接數據存入數據庫服務器。Web系統可以遠程維護和瀏覽集箱信息、管座信息以及焊接數據。

2.2 軟件系統組成

軟件系統分為數據管理、參數化建模、多層多道離線編程和機器人控制4個功能模塊，可滿足馬鞍形焊縫的機器人焊接工藝開發，主界面如圖3所示。

圖3 軟件主界面Fig.3 Software main interface

2.3 數據管理

各規格的管座的離線排道數據以Excel文件格式保存。因為工作站的機器人焊接姿態受狹窄的管間距影響，每層、每道、每個點位都不同，無法通過自動排道獲得，因此提供了三種類型坡口的初始排道數據。

2.4 參數化建模

軟件參數化建模模塊如圖4所示。

圖4 參數化建模Fig.4 Parametric modeling

（1）管座規格參數。

根據導入的數據文件，軟件自動識別出坡口類型，并顯示出對應的坡口示意圖（見圖4中①、②、③），同時將各規格參數顯示在⑤“工件尺寸”區域的文本框內。

（2）三維模型。

根據導入的數據文件，自動進行管座、集箱和焊槍的三維模型建模，并顯示在⑥“三維顯示”區域內。

（3）重新生成三維模型。

當導入的數據文件的管座規格參數與即將進行離線排道的管座不同時，可在⑤“工件尺寸”區域內的文本框中修改，然后點擊⑦“重新生成模型”按鈕，即可重新生成正確的三維模型。

2.5 離線排道

點擊圖5中①“離線排道”按鈕進入離線排道模塊，整個界面分為多個區域，各區域功能如圖5所示。

圖5 離線排道Fig.5 Offline routing

3 工件測量尋位

激光傳感器安裝于機器人末端軸上，傳感器與機器人的相對位置已標定，通過對傳感器測量結果進行坐標變換可獲得測量點在機器人世界坐標系下的值，如圖6a所示。通過控制機器人按預定的至少4個姿態的變換，分別測量管座橫截面圓心和焊縫根部3處位置，獲得X、Y、Z坐標，最終建立用于焊接定位的工件坐標系。

如圖6b所示，機器人控制激光傳感器以水平出光方向測量管座側壁，可測得激光投影圓弧的圓心，基于此圓心建立一個用戶坐標系。

如圖6c所示，機器人控制激光器以垂直出光方向測量管座根部圓上三個點的坐標，并以此計算出管座根部圓心，從而建立根部坐標系，作為焊接軌跡的參考坐標系。工件測量尋位現場如圖7所示。

圖6 工件測量尋位原理Fig.6 Workpiece measurement and positioning principle diagram

圖7 工件測量尋位現場Fig.7 Workpiece measurement and positioning site map

4 焊接實驗

表1 母材和焊絲的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 15CrMoG steel and ER55-B2 welding wire （wt.%）

軟件規劃軌跡后得出的焊接參數見表2。為了提高焊接效率，同時兼顧相對較小的熱輸入，采用脈沖焊接。為盡量固化參數，減少需要調節的參數數量，擬定了幾種焊接電流：較小規范管座打底層時150 A，填充時170 A，蓋面時150 A；較大規范管座打底層時150 A，填充時200 A，蓋面時170 A。焊機設置為一元化模式，電壓由焊機根據電流大小自動設定。為盡量減小焊接時的飛濺，需要適當增加電壓，但過大的電壓會造成咬邊，因此焊接過程中的弧長修正設定為0～5（默認電壓增益百分比）。單條焊縫為一個完整的圓，為確保搭接處成形均勻，焊縫的收弧位置搭接在起弧位置往后8 mm，需要對焊接的起弧和收弧電流參數進行準確控制，才能確保不會出現接頭處的肥大或弧坑。受管座坡口尺寸限制，干伸長只能限制在約20 mm。脈沖時的電流電壓均較大，熔池也較大，有利于焊縫成形，但靠近管座的焊道容易咬邊，故在填充層和蓋面層除靠近管座的焊道外均進行擺動，擺幅1 mm，擺頻2 Hz。受重力影響，馬鞍形焊道由腹部向肩部爬坡時的寬度比由肩部向腹部下坡時窄，為保持焊道寬度一致，爬坡時焊槍前傾，下坡時后傾，傾角0°～30°。

表2 焊接工藝參數Table 2 Welding parameters

實驗結果顯示，焊縫成形均勻平滑，焊道搭接量合適，整體尺寸滿足圖紙要求，無肉眼可見缺陷，如圖8所示。焊接過程熔合良好、飛濺小，整體滿足產品要求。

圖8 54×9.5管座焊縫成形Fig.854×9.5 tube base weld forming

5 結論

基于上述試驗，將工藝專家軟件應用于機器人焊接編程中，通過3D視覺技術及對焊道的定位，結合管座坡口的尺寸參數實現焊道的自動規劃，提高了焊接生產的自動化水平；建立了鍋爐集箱制造的全過程數據采集系統，實現了焊接質量的追溯，使得焊接工藝流程更加直觀，保障產品質量。借助該工作站，有利于提高企業集箱產品的焊接試驗水平，節約焊工資源，在企業焊接試驗和工程實踐培訓方面具有示范作用。