盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)及工藝設(shè)計與開發(fā)全是干貨

針對盾構(gòu)機(jī)零部件焊接生產(chǎn)的實(shí)際需求，設(shè)計開發(fā)了由小型零部件機(jī)器人焊接工作站和盾體機(jī)器人焊接工作站組成的盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)；同時，基于脈沖多重控制電弧工藝及恒熔深控制分別開發(fā)了滿足平焊、立焊和橫焊等位置機(jī)器人自動焊接工藝方案，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)零部件的機(jī)器人焊接生產(chǎn)。序言盾構(gòu)機(jī)號稱“工程機(jī)械之王”，是集機(jī)、電、光、液、通信和控制等技術(shù)于一身的先進(jìn)智能化大型工程裝備。使用盾構(gòu)機(jī)修建隧道，具有高度自動化、施工污染小、人力資源占用少、施工效率高及受氣候影響小等許多優(yōu)點(diǎn)。目前，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道和市政隧道等各類工程建設(shè)中。盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機(jī)及管片拼裝機(jī)等多個部件組成。其中，盾體是一個鋼結(jié)構(gòu)圓柱體組件，由前、中、尾三部分組成；作為盾構(gòu)機(jī)的核心部件，其主要作用是支撐新挖的尚未襯砌的隧洞段。由于盾構(gòu)機(jī)零部件均具有較大的板厚，因此通常需要使用多層多道焊接進(jìn)行制造。而目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)部件的焊接生產(chǎn)多采用手工藥芯焊絲氣體保護(hù)半自動焊接，生產(chǎn)效率低，是盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)的瓶頸之一。因此，如何實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)零部件焊接生產(chǎn)的自動化，成為盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)制造中亟待解決的一個關(guān)鍵問題。焊接自動化是將自動化與智能化控制系統(tǒng)、焊接胎夾具與裝夾定位、運(yùn)動系統(tǒng)三部分有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)、低成本的焊接生產(chǎn)。從形式上，焊接自動化主要分為焊接專機(jī)及焊接機(jī)器人。由于盾構(gòu)機(jī)零部件種類繁多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，例如，盾體中的盾就由刀箱、二聯(lián)刀箱、三聯(lián)刀箱、吊耳、撐靴、車輪架、止轉(zhuǎn)裝置安裝座、鉸鏈液壓缸及鉸鏈液壓缸支撐底座等多個零部件焊接而成，因此使用柔性化焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)零部件的焊接自動化生產(chǎn)成為首選。焊接機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人在各行業(yè)的應(yīng)用最為典型的代表之一，在各國投入使用的工業(yè)機(jī)器人中所占比例高達(dá)40%~60%。使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接生產(chǎn)，不僅能夠提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，同時還可以在很大程度上改善焊工的工作環(huán)境，減輕焊工勞動強(qiáng)度，并可以適當(dāng)降低對焊工的焊接操作技術(shù)要求。

為了適應(yīng)不同的隧道地質(zhì)條件，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計時均采用針對性設(shè)計，從而使得盾構(gòu)機(jī)零部件不僅形狀、尺寸、質(zhì)量差異較大，而且結(jié)構(gòu)形式也有較大不同。為了完成多樣化的生產(chǎn)任務(wù)，如何將盾構(gòu)機(jī)零部件合理歸類并建立與之對應(yīng)的焊接機(jī)器人工作站，以盡可能地提高焊接工作站的柔性水平成為盾構(gòu)機(jī)機(jī)器人焊接工作站設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。同時，由于盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件通常由厚板構(gòu)成，因此制定合理的焊接工藝是需要解決的另一個關(guān)鍵問題。盾構(gòu)機(jī)零部件焊接機(jī)器人工作站設(shè)計由于盾構(gòu)機(jī)中的零部件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故很難使用單一的機(jī)器人焊接工作站來滿足所有零部件的焊接需求。因此，可以將盾體內(nèi)零部件按照尺寸、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等特征進(jìn)行分類，在相應(yīng)的零部件焊接工作站進(jìn)行焊接生產(chǎn)。此時，各個零部件焊接工作站完成盾體零部件的預(yù)制工作，可減小盾體拼焊與組裝工作站的編程量，同時解決原位拼裝時難以避免的可達(dá)性問題；而盾體拼焊與組裝工作站主要進(jìn)行盾體中環(huán)體的橫縫和縱縫的焊接，并組裝焊接預(yù)制的零部件。兩類機(jī)器人焊接工作站具有不同的功能，發(fā)揮不同作用，可以使盾構(gòu)機(jī)零部件的機(jī)器人焊接更加方便可行，從而提高焊接生產(chǎn)效率。因此，針對盾構(gòu)機(jī)中不同零部件的焊接自動化生產(chǎn)需求，在機(jī)器人焊接工作站設(shè)計中需使用變位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)零部件的機(jī)器人焊接以及機(jī)器人的大范圍移動，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)盾體拼焊與組裝的機(jī)器人焊接。

1.零部件機(jī)器人焊接工作站設(shè)計根據(jù)對盾構(gòu)機(jī)零部件的分析，初步設(shè)計了相應(yīng)的零部件機(jī)器人焊接工作站。該類機(jī)器人焊接工作站主要由變位機(jī)、立柱支架、焊接機(jī)器人、焊機(jī)及控制柜等組成。（1）機(jī)器人選用選用KUKA公司生產(chǎn)的最大負(fù)載為5kg的KR5arc型6軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人，機(jī)器人倒掛在立柱支架的橫梁上，從而節(jié)省占地面積并方便地面物件的流動。（2）變位機(jī)選用選用雙軸變位機(jī)，位于機(jī)器人的前下方。變位機(jī)翻轉(zhuǎn)軸固定在底座的側(cè)立柱上，此軸用于實(shí)現(xiàn)變位機(jī)轉(zhuǎn)支架的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動；變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸固定在變位機(jī)轉(zhuǎn)支架上，此軸用于實(shí)現(xiàn)變位機(jī)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。變位機(jī)可以通過兩變位軸的運(yùn)動帶動待焊工件至合適的焊接位置進(jìn)行焊接，這樣增加了機(jī)器人工作空間與工件位置的協(xié)調(diào)配合性，從而可以減小焊接工藝難度，提高焊接質(zhì)量。（3）承載能力設(shè)計通過對盾構(gòu)機(jī)小型零部件的分析與歸類，分別設(shè)計了承載能力為1t的機(jī)器人焊接工作站以及承載能力為2t的機(jī)器人焊接工作站。對于承載能力為2t的機(jī)器人焊接工作站，增加了機(jī)器人沿立柱上下移動的自由度，從而可更好地滿足此工作站內(nèi)零部件的焊接自動化生產(chǎn)需求。兩種承載能力的小型零部件機(jī)器人焊接工作站的設(shè)計模型如圖1、圖2所示。（4）機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬在完成零部件機(jī)器人焊接工作站的初步設(shè)計之后，進(jìn)行了機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬，從而解決機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。工作站設(shè)備相對位置模擬，可解決工作站布局安裝問題；焊接可達(dá)性模擬，可解決焊縫焊接位置、焊槍可達(dá)性等問題。特別是當(dāng)機(jī)器人焊接工作站結(jié)構(gòu)及布局確定之后，針對不同零部件的焊接可達(dá)性進(jìn)行模擬，對于指導(dǎo)實(shí)際機(jī)器人焊接生產(chǎn)，提出可提高機(jī)器人焊接可達(dá)性方法具有重要的意義。實(shí)際承載能力分別為1t、2t的零部件機(jī)器人焊接工作站如圖3所示。2.

盾體機(jī)器人焊接工作站設(shè)計因為盾體質(zhì)量大、體積大，不易采用變位機(jī)構(gòu)使其運(yùn)動，故以盾體固定、機(jī)器人運(yùn)動的方式設(shè)計了C形構(gòu)架移動式盾體機(jī)器人焊接工作站。該機(jī)器人工作站由兩套機(jī)器人系統(tǒng)組成，每套機(jī)器人系統(tǒng)由C形機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人、弧焊機(jī)以及地軌等組成。機(jī)器人具有9個自由度，可以實(shí)現(xiàn)盾體（圓筒形）直縫、環(huán)縫的自動焊接。兩套機(jī)器人可以進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成盾體的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。如前所述，利用初步設(shè)計的C形構(gòu)架移動式機(jī)器人焊接工作站模型，進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬、設(shè)備相對位置模擬、焊接可達(dá)性模擬等，最終確定了該機(jī)器人焊接工作站的實(shí)際尺寸與布局，如圖4所示。整個盾構(gòu)機(jī)零部件機(jī)器人焊接系統(tǒng)由兩套承載能力為1t的小型零部件機(jī)器人焊接工作站、3套承載能力為2t的小型零部件機(jī)器人焊接工作站和1套C形構(gòu)架移動式盾體機(jī)器人（兩套機(jī)器人焊接系統(tǒng)）焊接工作站組成，如圖5所示。焊接工藝開發(fā)采用機(jī)器人對盾構(gòu)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行焊接時，通常由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)空間狹窄導(dǎo)致焊槍無法到達(dá)坡口的根部，尤其是根焊。例如，盾構(gòu)機(jī)中的車輪架和止轉(zhuǎn)裝置安裝座結(jié)構(gòu)中采用大量單V形45°坡口，其坡口尺寸通常超過20mm。通過對尺寸為22mm的坡口進(jìn)行實(shí)際的焊槍可達(dá)性試驗，發(fā)現(xiàn)此時焊絲的干伸長達(dá)到了22mm。焊槍干伸長的增加必然使焊接電流出現(xiàn)下降，從而影響到焊縫質(zhì)量。因此，對于盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件的焊接尤其是根焊，采用能夠根據(jù)干伸長變化實(shí)時調(diào)整焊接參數(shù)變化的焊機(jī)顯得尤為重要。通過結(jié)合機(jī)器人自動化焊接，一方面省去了極大的人力消耗，另一方面可以針對干伸長變化及時修整焊接參數(shù)，可有效解決焊接過程中的熔深變化問題。

針對上述盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件機(jī)器人厚板焊接存在的問題，進(jìn)行了基于脈沖多重控制（PulseMultiControl，PMC）電弧工藝及其恒熔深控制的機(jī)器人自動焊接工藝開發(fā)，并就實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行焊接試驗。所設(shè)計開發(fā)的盾構(gòu)機(jī)零部件的焊接均采用福尼斯TPS500i焊接電源、規(guī)格為φ1.0mm的ER50-6焊絲以及混合保護(hù)氣（80%Ar+20%CO2，氣體流速為20L/min）進(jìn)行實(shí)芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝研究。

基于前期厚板焊接工藝探索試驗結(jié)果，對于零部件中平焊與橫焊位置的焊接，分別采用了PMC焊接工藝中的通用特性（Universal）、脈沖控制噴射（PulseControlledSpray，PCS）以及電弧推力（Dynamic）三種工藝進(jìn)行了對比探究；而對于零部件中的立焊位置焊接，則分別采用了PMC焊接工藝中的通用特性（Universal）與混合特性（Mix）兩種工藝進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，對于盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件的機(jī)器人焊接生產(chǎn)，采用Dynamic（打底）+Universal（填充、蓋面）工藝進(jìn)行多層多道平焊；采用Dynamic（打底）+PCS（填充、蓋面）工藝進(jìn)行多層多道橫焊；采用Mix工藝進(jìn)行多層多道立焊，焊后零部件的焊縫成形良好，無未熔合及咬邊等焊接缺陷，可以滿足實(shí)際焊接需求。利用所制定的機(jī)器人工藝獲得的盾構(gòu)機(jī)典型零部件焊接樣件如圖6所示。在進(jìn)行盾體縱縫和環(huán)縫拼裝和組裝焊接過程中，由于板厚較大，坡口較寬，因此在上述焊接工藝的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)器人的擺動，從而增加焊縫寬度。針對平焊、立焊和橫焊位置進(jìn)行的厚板長直焊縫機(jī)器人焊接樣件如圖7所示?；趦?yōu)化后的機(jī)器人焊接工藝方案，利用盾體機(jī)器人焊接