焊接機器人全自動焊接刀盤扭腿

楊 鼎，呂 崧

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

焊接機器人在工業制造中的應用：開發并建立焊接機器人自動化柔性焊接生產線，并針對盾構機刀盤的結構特點，研發集成適用于盾構機刀盤等復雜構件的自動化焊接裝置及其附屬配套設施；建立機器人焊接控制系統存儲數據庫，完成為不同焊接位置提供合理的多層多道焊接參數，在焊接過程中實現自動排焊。焊接機器人與傳統人工操作焊接相比，具有高效、自動化及抵抗惡劣工作環境等優勢，是焊接加工史上的重大變革，其應用及發展前景巨大，世界各科技先進國家都在加大研究力度，使得焊接機器人的應用越來越向智能化及多元化方向發展。目前我國正由制造業大國向制造業強國邁進，急需提升產業加工手段，通過應用研究和二次開發，實現技術創新，提高我國制造業在國際市場的競爭力。經檢索查新，對于工業焊接機器人集成技術對于盾構機刀盤等結構復雜單元體上的應用，率先掌握工業焊接機器人在大厚度鋼板與結構復雜單元體中的應用，拓展焊接機器人的應用領域。

2 工藝特點

（1）盾構機制造使用機器人技術，對工件的焊接，可以大大提高焊接質量，避免了由于人員技能水平的高低而產生的焊接質量差異。同時降低了工人的勞動強度，對于提高生產效率起到積極促進作用。

（2）基于激光掃描反饋、自適應和智能尋位系統，對坡口一次掃描即完成合理焊接路徑規劃，實時反饋并自動整合數據，優化焊接過程，形成吻合實際焊道變化的焊接路徑及工藝，實現中厚板多層多道焊縫的全自動化焊接，提高了焊接效率。

（3）目前在國內外焊接領域，焊接機器人主要用于薄板焊接，薄板焊接大部分對焊接質量要求不高，焊接無需熔透。對于中厚板焊接應用較少，中厚板的多層多道焊接主要以第一道焊縫為基準，根據坡口尺寸，多次采用坐標偏移的方法完成多層多道的焊接，隨著焊接過程的進行，焊接變形導致坡口尺寸發生變化，需要不斷修正偏移量，致使焊接效率低下，焊接質量難以保證，主要焊接厚度20 mm 以下的板材。

（4）以盾構機刀盤扭腿焊接為例，工件厚度均在80 mm 以上，坡口填充量巨大，基于激光掃描系統和焊縫自適應規劃系統，通過對焊接坡口實施一次掃描，可一次完成合理的焊道規劃排布，通過建立焊接數據庫，實現整條焊縫的全自動化焊接。焊接過程中伴有電弧跟蹤，可實時調節焊接參數，同時大脈沖保證了焊縫的大熔深，大大提高了焊接質量和焊接效率，經濟效益明顯。

3 刀盤扭腿全自動焊接

3.1 施工工藝流程

圖1 施工工藝流程圖

3.2 焊接工藝評定試驗

3.2.1 焊接試板

焊接材料選用Q345B，焊接試板尺寸均定為20 mm×300 mm×500 mm，對接試驗試板采用平焊位，非對稱Ⅹ型坡口，坡口角度60°。

3.2.2 試樣制備

表1 試塊規格參數表

3.3 建立焊接數據庫

通過對不同的板厚進行實驗探究，具備常用20 mm~180 mm 板厚、V 型坡口或雙邊 V 型坡口，坡口角度40°~65°形式的多層多道焊接數據庫，實際項目工件焊接可以直接調用數據庫數據進行焊接。

圖2 焊接數據庫

3.4 工件焊接

3.4.1 扭腿工件

主要針對刀盤扭腿部件進行自動化焊接研究，選取了刀盤結構中較為具有代表性的兩種扭腿部件，最大坡口角度達到50°，2 mm 鈍邊，2 mm 組裝間隙，板厚均在80 mm 以上，坡口形式較為復雜且焊接填充量大。圖3 為箱型扭腿工件，圖4 為環座扭腿工件。

圖3 箱型扭腿

圖4 環座扭腿

采用激光對箱型扭腿和環座扭腿工件焊接坡口進行掃描讀取坡口截面數據，掃描過程為間隔性讀取截面，讀取的截面數據傳輸給自適應規劃系統，規劃系統對激光掃描獲取的截面數據進行分析篩選，將獲取的有效截面進行整合規劃自動排列焊層焊道。

箱型扭腿共有4 條焊縫，其焊縫為直線焊縫，每條焊縫兩端均為漸變行坡口，每條焊縫掃描1 次共掃描4 次。環座扭腿共有8 條焊縫，其焊縫為弧形焊縫，每條焊縫掃描1 次共掃描8 次。

3.4.2 機器人的焊接編程

首先要進行準備工作：傳感器已進行了正確的標定；上位機軟件已連接上傳感器（通過開關激光驗證）。編程操作步驟：

（1）新建一個例行程序，示例中命名為FindingTest。程序中的運動插補指令必須指定一個已標定的工件坐標系（在工件附近即可）。當創建了一個新程序或修改了現有程序后，必須以運行模式手動進行試運行。

（2）添加初始化指令，添加指令>Common>ProCall>INI，然后確定。

（3）設置參數MeaEnable 值為TRUE，CorrEnable值為FALSE，示例ProgramID 值為10。

（4）記錄一個安全位置，插入MoveJ 指令，手動操作機器人移動至測量位置，將上位機軟件設置成手動模式，打開激光，分別設置參數工件編號和任務編號、相機曝光強度（輪廓清晰）、算法類型。

（5）記錄機器人位置，插入MoveL(MoveJ) 指令，圓滑過渡半徑設置為fine，速度根據現場情況設置，機器人在測量位置盡量不發生抖動，如有必要添加一個等待時間0.5 s（等待時間視現場情況而定）。

（6）添加測量指令，選擇添加指令>Common>ProCall>MEASURE，然后確定。

（7）設 置 參 數PartID 值 為1，TaskID 值 為2，PointID 值為1。

（8）重復步驟4~7 記錄測量點2 和3。

（9）插入修正指令，添加指令>Common>ProCall>CORR3P。

（10）設置參數CorrPointA 值為1，CorrPointB值 為2，CorrPointC 值 為3，CorrBASE 值 為wobj1。

（11）示教焊接軌跡（需要執行修正的軌跡）。注意插補指令的 wobj 必 須選用修正指令同樣的wobj1。

（12）添加取消修正指令，選擇添加指令>Common>ProCall>CORRCANCEL。

（13）設置參數CancelBASE 值為wobj1。

（14）作業運行及修正運行后開始焊接。

3.4.3 全自動焊接過程

機器人焊接前編程具體步驟如表2。

表2 機器人焊接編程步驟

機器人掃描、規劃、焊接過程如圖5。

圖5 箱型、環座扭腿焊接過程照片

3.4.4 焊接過程出現問題及解決方案

（1）箱型扭腿焊縫兩端頭焊接填充未滿。

原因分析：焊縫兩端頭屬于漸變形坡口，激光掃描系統無法對漸變形坡口進行掃描。

解決方案：在端頭漸變形坡口位置安裝引導板，安裝的引導板與中部的坡口尺寸相同，使其形成一條完整的規則焊縫，以便激光能完整掃描。

（2）基于ABB PCSDK6.03 開發的數據接口在RW5.16 的機器人系統上運行時，出現讀取坡口數據數組時出錯。

原因分析：測試驗證， 發現基于 PCSDK6.03 開發的數據接口在對RW5.16 與RW6.0 以上版本的系統中讀取的數據數組長度存在容量差異。

解決措施：將坡口輪廓數組進行拆分，數組數量變多，而每個數組的長度變短，總的數量容量不變。

（3）機器人軌跡會沿焊縫的一邊偏離。

原因分析：可能原因是焊槍及激光TCP 標定時的誤差，也可能是激光器自身的偏差。

解決措施：經多次測試發現偏差基本是固定的，在自動規劃程序中增加系統偏差修正變量。

（4）按坡口截面輪廓規劃焊接的填充量實際偏多。

原因分析：原來定義的有效焊接熔覆率為93%，由于本次試焊采用脈沖電弧進行焊接，飛濺偏少，實際有效焊接熔覆率會高于93%；另一個原因焊接過程中，試焊件受熱變形導致實際坡口截面積變小。

解決措施：將有效焊接熔覆率調整為97%；對焊接受熱變形導致的實際坡口截面積變小進行工藝參數調整。

（5）激光焊縫傳感器鏡片受焊接煙塵影響。

原因分析：激光焊縫傳感器安裝在夾槍臂上，中厚板大電流連續焊接產生的煙塵等會將傳感器鏡片覆蓋遮擋而影響正常掃描。

解決措施：在后期項目中需考慮增加傳感器的防護裝置，掃描時防護裝置打開，焊接時防護裝置關閉；或者考慮使用機器人工具快換裝置。

（6）激光掃描坡口底部的兩個坐標點存在一定誤差。

原因分析：激光焊縫傳感器在掃描坡口時，由于坡口底部寬度較小，且接近激光傳感器的最低量程，因此坐標偏差較大，有咨詢過激光傳感器廠家，得到的回復也是底部坐標數據會存在偏差。

解決措施：在進行圖形規劃之前，對采集到的坡口坐標數據進行濾波，對坡口底部坐標進行高度比較，取低數值相對數據更準確。

（7）焊接過程中每一層的成形都會與規劃圖形存在一定誤差，焊接層數越多，誤差越大，再次掃描所得到的數據誤差也會越大。

原因分析：主要為焊接是一個復雜的過程，影響焊接成形的因素很多，經過多層焊接，成形誤差累加。

解決措施：實際項目中盡可能采用一次掃描規劃焊接完成，如果一定要使用二次掃描時，最好在焊接完前2~3 層后就做二次掃描，不要在最后一兩層時做二次掃描。

4 結束語

本工藝以盾構機刀盤扭腿為研究工件，工件厚度均在80 mm 以上，坡口填充量巨大，基于激光掃描系統和焊縫自適應規劃系統，通過對焊接坡口實施一次掃描，可一次完成合理的焊道規劃排布，通過建立焊接數據庫，實現整條焊縫的全自動化焊接。焊接過程中伴有電弧跟蹤，可實時調節焊接參數，同時大脈沖保證了焊縫的大熔深，大大提高了焊接質量和焊接效率，經濟效益明顯，研究價值巨大。