熱電廠鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統的設計與研究

摘要：為了提高鍋爐管壁焊接質量，本文設計了一款功能完善、實用性強的鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統。首先，介紹了焊接熔覆策略。其次，根據系統要求，設計伺服驅動器、控制器、控制電子裝置等硬件部分和用戶登錄模塊、管壁包膜焊接模塊、機器人焊接參數設置模塊等軟件組成部分。最后，對系統性能進行測試。結果表明：本文所設計的系統具有運行穩定、安全可靠等特點，不僅可以保證鍋爐管壁焊接質量，還能夠提升焊槍振幅，避免出現較多的焊縫。希望通過這次研究，為相關人員提供借鑒和參考。

關鍵詞：熱電廠鍋爐；管壁包膜；自動化焊接；焊接軌跡；機器人系統

一、引言

隨著工業技術的飛速發展，自動化和智能化已成為現代制造業的重要趨勢。在熱電廠的運營中，鍋爐作為核心設備，其運行效率和穩定性直接關系到電力供應的安全與可靠。然而，鍋爐管壁在運行過程中會遭受高溫、高壓及腐蝕等多重因素的影響，導致管壁減薄、性能下降，甚至引發安全事故。因此，定期對鍋爐管壁進行維護和修復，特別是通過包膜處理提高其防腐蝕性能，成為熱電廠日常運維的重要工作之一。與手工焊接方式相比，自動化焊接方式具有高效、智能、快捷特點[2]。但市面上的自動化焊接系統功能單一，僅使用一根軸線，容易增加焊槍震蕩運動風險，降低焊接過程的穩固性，不利于后期精確地調整和控制導電嘴與工件之間的距離，造成管壁在后期焊接期間，容易出現滲透、飛濺等問題。而鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統可以解決以上問題，通過應用該系統，可以提高鍋爐管壁包膜的焊接效率和焊接質量。

二、焊接熔覆策略

在表示鍋爐管壁的幾何形狀時，通常會用到多個特征參數。采用雙面焊方式，將管壁直接連接于覆蓋膜。在本次研究中，選用脈沖熔化極氣體保護焊接方式，對鍋爐管壁進行包膜焊接處理，并沿著垂直向下的方向，對焊珠重疊進行沉積處理。沿著垂直向下方向進行焊接，可以最大限度地提高焊接電流和焊接沉積率，還能降低滲透程度，確保焊槍與鍋爐管壁始終保持相互垂直狀態[3]。另外，運用該焊接熔覆策略，可以在確保導電嘴與工件距離不變的情況下，獲得較高的焊槍擺動幅度、較低的滲透。

三、系統設計要求

為了提高系統運行性能，保證系統適用性，需要嚴格按照以下設計要求，對鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統進行科學設計。首先，頁面響應時間短。為了提高系統響應性能，需要將系統頁面響應時間統一控制在5s以內。其次，并發性強。允許200人以上用戶同時登錄和訪問本文系統，且系統可以正常穩定地運行。第三，安全性高。系統應強化對用戶隱私信息的保護，避免用戶隱私信息泄露[4]。同時，還要采用數據加密的方式，加密保護敏感數據。第四，易操作性。為了提高系統交互性和友好性，設計系統界面應方便用戶操作使用。第五，兼容性高。要求本系統可以在Linux、Windows等主流系統上順暢運行。最后，可拓展性高。要求該系統具有較高的可拓展性，方便后期系統需求變更時，能夠快速拓展原有系統架構。

四、機器人本體結構設計

為了促使鍋爐管壁包膜焊接變得更加高效化、精確化，在設計鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統時，要重視對機器人本體結構設計。結合焊接熔覆測量，不斷提高焊槍的振幅，方便用戶修改和調整焊接路徑。同時，運用力學特性，構建自動化焊接機器人系統本體結構，該系統包含數控（ComputerNumericalControl，CNC）機器人、焊槍、磁基。該系統具有結構緊湊、易安裝、易調試等特點，焊接機器人較輕，僅達到16kg。在自動化焊接機器人系統中，通常采用牽引運動方式，該運動方式沿著x軸方向進行運動，即機器人沿著鍋爐管壁軌道進行穩定移動。在磁基上，安裝和部署相應的軌道，該軌道適用范圍廣，可以適用于不同大小的包膜或者管道[5]。另外，將棱形橡膠磁道安裝和固定到軌道上，為機輪組提供了一定的牽引力，方便機輪組沿著軌道移動。此外，自動化焊接機器人系統含有四個自由度，方便焊槍靈活運動。機器人沿著x、y、Z軸向進行運動時，應設置以下參數：機器人沿著x軸方向進行運動時，應將運動速度控制在5.0m/min以下，從而實現對機器人工作空間的拓展；機器人沿著y軸、Z軸方向進行運動時，需要將沿y軸、Z軸運動最大速度統一設置為7.0m/min，將沿著y軸、Z軸運動最大位移分別設置為120mm、40mm；為熔敷焊接提供合適的角振幅，確保焊槍與鍋爐管壁之間形成相互垂直關系。將角軸位移、角速度分別設計為180°、300°/s。

五、系統硬件設計

（一）伺服驅動器設計

伺服驅動器作為自動化焊接機器人系統的重要動力系統，起到控制焊槍運動軌跡的作用。本系統設計硬件時選用的伺服驅動器應在規劃復雜運動軌跡基礎上，將編程難度降到最低，從而減輕開發人員工作量[6]。

（二）控制器設計

在設計控制器時，本文選用Mach3控制器，因其提供簡潔友好的圖形界面，便于用戶操作。同時，結合單個焊接任務，Mach3控制器能創建合適的焊接環境，提高焊接效率和質量。此外，在Mach3控制器中安裝和配置示教器和觸摸屏，增加用戶視覺交互體驗，使操作更加直觀和便捷。為降低機器人焊接軌跡編程難度，重點設計和開發人機界面，通過Mach3的開放式數控系統，實現多種功能，如直接支持多種文件格式輸入、視覺G代碼顯示等，提高系統的易用性和靈活性[7]。另外，還方便用戶采用手工調整的方式，調整和設置機器人焊接軌跡，需要設計和開發特定的圖形界面，利用該界面，獲得焊槍位置、方向，方便用戶快速、精確地調整和設置機器人焊接速度。

（三）控制電子裝置設計

控制電子裝置包含電腦主板、電源、保護電路。電腦主板利用并行端口，將數字指令傳輸至伺服驅動器，由伺服驅動器執行控制程序。當機器人系統出現運行故障問題時，控制電子裝置會自動啟用邏輯電路的保護功能，暫停用戶操作。如果伺服驅動器出現運行異常問題時，用戶可以在第一時間點擊“緊急停止”按鈕[8]。

六、系統軟件設計

（一）用戶登錄模塊

用戶登錄模塊用于保護用戶登錄賬號、登錄密碼，只有通過系統安全認證的用戶才有登錄系統權限，避免非法人員登錄系統而造成數據丟失、泄露。用戶登錄模塊在設計時，使用HTML、CSS和JavaScript等前端技術實現登錄頁面設計和交互，同時，還利用加密技術，對用戶登錄信息進行加密保護，保證用戶隱私信息的安全性和可靠性。

（二）管壁包膜焊接模塊

管壁包膜焊接模塊作為自動化焊接機器人系統重要模塊，在具體設計時，需重點做好對參考軸、焊槍位置等參數的設置。同時，還要定義管件中心。為實現對管件中心的有效定義，需要做好對焊槍坐標系的定義和設置，從而獲取三個測試點的初始位置，然后，正式進入到管壁包膜焊接工作。在管壁包膜焊接模塊中，含有膜層焊接、管膜結合區焊接兩個子模塊。

1.膜層焊接子模塊

在膜層焊接子模塊中，首先，做好對初始位置、振幅、焊接距離、頻率等參數設置。當以上參數設置完畢后，正式進入膜層包覆焊接環節，即焊槍從P4點運動到P5點，膜層焊接示意圖如圖1所示。在P5點位置處，焊接電源自動啟用，在焊槍振動模式下，首個焊珠精確地落至P5'。其次，機器人自動控制焊槍快速移動到P5點，進而運動至P6點。在P6位置處，焊接電源被再次啟用，P6'位置處出現第二個焊珠。最后，機器人自動控制焊槍向P4點移動。

2.管膜結合區焊接子模塊

在管膜結合區的焊接子模塊作業中，務必嚴格遵循既定的焊接規范與要求，細致地對管壁實施包膜及焊接操作。針對兩條焊縫的焊接參數配置，可以借鑒膜層焊接的成功經驗進行設定。在此關鍵焊接區域，需特別注意調整焊槍的振幅頻率，應適當降低，以防止因焊珠重疊而導致的焊接缺陷。為克服焊槍振幅降低可能帶來的焊接效率下降問題，應相應提高焊槍的焊接速度，以確保焊接質量與效率的雙重保障。此過程中，機器人將發揮精確控制的優勢，通過y軸與Z軸的自動化移動，精準引導焊槍的運動軌跡。此外，考慮到實際作業中相鄰管件焊槍可能發生的碰撞風險，需采取預防措施。具體而言，可通過A軸的旋轉功能，將其中一條焊縫巧妙地旋轉至60°位置，從而有效避免焊槍之間的干擾與碰撞，確保焊接作業的順利進行。

（三）機器人焊接參數設置模塊

參數設置模塊用于對機器人焊接參數的修改和設置。可供設置的機器人焊接參數包含以下兩種類型：1.機器人運動參數。可以結合焊接工藝標準和要求，對機器人的運動時間、步長等參數進行設置。2.焊接工藝參數。通過設置機器人焊接工藝參數，可以控制機器人直線擺動振幅等參數。

七、系統測試

為了驗證本文系統的有效性和可靠性，現對鍋爐管壁進行處理，如管壁包膜、管壁焊接實驗。本次實驗選用四根管件，不同管件長度不同，但直徑相同，均為38mm。實驗操作步驟如下：首先，做好對自動化焊接機器人系統安裝和定位，并設置改系統參數，結合三個測試點定義零點，該三個測試點坐標分別為

P1 （0， 0， 0）、P2 （0， -33， 0.5）、P3 （0， -14.7， 9.4）。管件半徑r為19.0mm，坐標系零點P0 （0， -16.7， 9.9），獲得管件對應的幾何輪廓，從幾何輪廓中可以看出三個初始測點在坐標系中的位置。在擺放焊槍期間，需要將焊槍擺放于管件垂直的位置，并將焊槍與管壁之間的距離控制為16mm。本次實驗選用了不銹鋼焊絲材料，該材料直徑和送絲速度分別為1.3mm、6.2m/min。選用的保護氣體含有Ar、CO2、N2三種成分。同時，選用脈沖熔化極氣體保護焊接方式，將脈沖持續時間、脈沖頻率、脈沖電流分別設置為4.6ms、74Hz、300A，以保證電弧穩固性。

在進行鍋爐管壁包膜焊接時，務必遵循特定的焊接順序以確保焊接質量。整個焊接流程需分為膜層、管膜結合區及裸管三大部分，總焊接長度應精確控制在1.4米。對于膜層的焊接，焊槍振幅設定為12毫米，焊接速度保持在0.40米/分鐘，以確保膜層焊接的均勻性和牢固性。接下來是管膜結合區的焊接，此環節焊槍振幅需調至32毫米，而焊接速度仍維持在0.40米/分鐘，這樣的設置有助于實現管膜之間的緊密結合。最后，進入裸管的焊接階段，關鍵在于焊珠的布置。應將焊珠數量設定為3個，重疊角設為12.5°。焊槍在振動過程中，三個焊珠對應的中點定位角需分別精確控制在48.5°、131.5°和90°，以確保焊接的強度和密封性。同時，裸管包膜的焊接速度應調整為0.44米/分鐘。運用金相學分析理論，精確計算出參數強化、滲透和稀釋等值，從而達到量化分析焊接質量的目的。經系統檢測發現，參數強化取值范圍為（0.73mm，2.17mm）；滲透取值范圍為（0.26mm，0.96mm），管壁包膜所對應的稀釋比例為29%。自動化焊接機器人系統利用1小時時間，所獲得的管壁包膜焊接面積達到0.3m2，整個焊接時間、焊槍移動時間、閱讀點時間分別為56min、1min、3min。

八、結束語

綜上所述，本文運用多軸同步振蕩運動技術，設計鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統。該系統可以結合管件表面幾何形狀，設置比較貼近的焊接軌跡。同時，在實驗室條件下，應用本文系統對四根管件的管壁包膜進行連續焊接實驗，實驗結果表明：本文系統具有管壁焊接質量高、焊接效率高、焊槍振幅高、焊縫數量少等特點，保證了管壁表面焊接的平整性，可以滿足鍋爐管壁包膜精細化焊接需求。

作者單位：李明旭 江蘇省連云港市連云港虹洋熱電有限公司

趙毅 中國移動通信集團江蘇有限公司連云港分公司

參考文獻

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