海洋石油工程H型鋼切割機(jī)器人的應(yīng)用研究

吳紅磊　白　梅

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東266520)

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海洋石油工程H型鋼切割機(jī)器人的應(yīng)用研究

吳紅磊白梅

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東266520)

海洋石油工程行業(yè)在國(guó)內(nèi)屬于高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的行業(yè)，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，設(shè)計(jì)、建造和海上安裝等實(shí)力逐步增強(qiáng)，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮。但是在海洋石油平臺(tái)建造過(guò)程中大量使用的H型鋼的加工還處在比較落后的狀態(tài)，基本是采用手工火焰割炬切割，效率較低，切割的質(zhì)量較差，基本上取決于工人的技能水平和熟練程度，對(duì)后續(xù)的施工增加難度。如切割后需要進(jìn)行二次打磨處理，造成H型鋼組對(duì)焊接困難等，制約了生產(chǎn)效率的提高。

1H型鋼切割的特點(diǎn)

H型鋼在海洋石油工程中主要用于海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)制造中，作為搭建海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的主要材料。海洋石油平臺(tái)H型鋼全部采用切割后焊接的方式連接，而不采用螺栓連接。對(duì)成品H型鋼需要進(jìn)行切割、焊接。在H型鋼的一個(gè)腹板、兩個(gè)翼板的三個(gè)面切割直線、斜線、曲線、圓弧、過(guò)焊孔、坡口等。切割后的H型鋼重新組裝，以制造不同規(guī)模、不同功能、不同尺寸的海洋石油平臺(tái)。

海洋石油工程中主要應(yīng)用的H型鋼規(guī)格為100 mm×100 mm至1 000 mm×400 mm，切割長(zhǎng)度要求0.8 m～12 m，切割精度要求±1 mm。

圖1　等高H型鋼相交切割示意圖Figure 1　Schematic sketch of contour H beam intersecting cutting

H型鋼的主要切割類型包括等高H型鋼相交、不等高H型鋼相交、H型鋼與管相交等十余個(gè)類型。等高H型鋼相交如圖1所示。

M：切割桿件的截面型材

N：相交桿件的截面型材

α1：上翼緣坡口角度(默認(rèn)45°)

α2： 下翼緣坡口角度(默認(rèn)等于α1)

α3： 腹板坡口角度(默認(rèn)等于0°)

R1： 腹板上倒角半徑(默認(rèn)等于桿件N截面屬性中的r)

R2： 腹板下倒角半徑(默認(rèn)等于桿件N截面屬性中的r)

Ψ：過(guò)焊孔

d0：被切桿件端部腹板組對(duì)間隙(當(dāng)α3=0°時(shí)，默認(rèn)值為0；當(dāng)α3≠0°時(shí)，默認(rèn)值為2 mm)

d1：被切桿件端部翼緣組對(duì)間隙(當(dāng)α1(α2)=0°時(shí)，默認(rèn)值為0；當(dāng)α1(α2)≠0°時(shí)，默認(rèn)值為2 mm)

海洋石油工程中H型鋼切割的難點(diǎn)：(1)H型鋼在制造過(guò)程中本身的質(zhì)量和精度問(wèn)題使采用設(shè)備切割存在較大的困難；(2)過(guò)焊孔部分的切割加大了設(shè)備切割的難度。過(guò)焊孔位于腹板與翼板相交的地方，任何切割方法都可能導(dǎo)致割嘴碰到翼板，導(dǎo)致切割無(wú)法進(jìn)行；(3)長(zhǎng)度切割精度達(dá)不到要求，造成桿件報(bào)廢，影響施工效率，增加成本。

2機(jī)器人在H型鋼切割中的應(yīng)用

結(jié)合海洋石油工程中H型鋼切割的特點(diǎn)和難點(diǎn)，我們與日本大東精機(jī)株式會(huì)社合作，引進(jìn)了基于6軸線的安川機(jī)器人，同時(shí)配備一個(gè)3軸火焰割嘴(用于切割過(guò)焊孔)的切割設(shè)備CR-4816。如圖2所示，從左至右依次為上料區(qū)、切割區(qū)、下料區(qū)。

圖2　切割設(shè)備的結(jié)構(gòu)Figure 2　Configuration of cutting equipment

該切割系統(tǒng)包括等離子和火焰兩套切割系統(tǒng)，采用CNC控制，實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)切割、自動(dòng)傳輸上料、自動(dòng)識(shí)別定位、自動(dòng)切割和自動(dòng)下料等功能。采用接觸探測(cè)的方式能夠精確的獲取H型鋼本身的制造誤差。測(cè)量探針安裝在等離子割嘴的外側(cè)，切割前，探針自動(dòng)伸出檢測(cè)，在實(shí)際切割中進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以避免割嘴碰撞型鋼，檢測(cè)后自動(dòng)收回。在不啟動(dòng)等離子的情況下進(jìn)行實(shí)際路徑模擬，確保切割準(zhǔn)確無(wú)誤，解決了H型鋼本身的質(zhì)量精度問(wèn)題對(duì)切割產(chǎn)生的不利影響。

采用美國(guó)Hypertherm等離子電源，型號(hào)為HPR260 Specifications，用于切割翼板。等離子割嘴直徑約50 mm，在切割過(guò)焊孔時(shí)，割嘴中心至翼板的距離約25 mm，會(huì)有約25 mm的腹板根留在翼板上，不能被切除掉，這會(huì)影響后續(xù)型鋼組對(duì)焊接。等離子方式切割過(guò)焊孔如圖3所示。為了解決這個(gè)難題，在等離子切割系統(tǒng)的外部增加一套3軸火焰割嘴對(duì)過(guò)焊孔及腹板進(jìn)行切割。火焰割嘴直徑僅為12 mm，同時(shí)在系統(tǒng)程序中，對(duì)火焰割嘴在切割過(guò)焊孔時(shí)的角度進(jìn)行一定程度的傾斜調(diào)整，能夠較好地控制腹板在翼板上的留根量，基本在(2～5)mm之間，可以滿足施工要求。

圖3　等離子方式切割過(guò)焊孔的示意圖Figure 3　Illustrate of soldering punch with plasma cutting

在長(zhǎng)度精度控制上采用雙邊夾持滾輪及側(cè)長(zhǎng)圓盤，確保H型鋼在輸送過(guò)程中不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，使長(zhǎng)度精度能夠保證，進(jìn)而保證了最終切割精度±1 mm，確保了后續(xù)組對(duì)焊接的順利進(jìn)行。

H型鋼相交后的口型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行切割時(shí)，切割程序的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，路徑的行程規(guī)劃對(duì)切割是否可行、高效至關(guān)重要。以等高H型鋼正交口型為例，我們選擇先進(jìn)行兩側(cè)翼板切割，再進(jìn)行腹板及過(guò)焊孔切割。按圖4中所標(biāo)示的順序進(jìn)行，1～4步驟采取等離子切割方式，5～6步驟采取火焰切割方式。

圖4　H型鋼正交口型切割程序Figure 4　Cutting process of H beam square edge

手工切割與機(jī)器人切割效果對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5　手工切割和機(jī)器人切割H型鋼效果對(duì)比Figure 5　H beam cutting effects comparison of manual mode and robot mode

機(jī)器人切割H型鋼存在的問(wèn)題：由于采用等離子切割與火焰切割結(jié)合的方式，在切割過(guò)程中存在不連續(xù)性，在一定程度上影響了工作效率，同時(shí)在切割質(zhì)量上，火焰割嘴差于等離子割嘴，增加了二次處理的工作。

3結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人技術(shù)在海洋石油工程H型鋼切割中的應(yīng)用改變了以往靠手工切割H型鋼的方式，對(duì)提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是在提高施工質(zhì)量和效率方面，都起到了十分重要的作用，是海洋石油工程施工的技術(shù)性革新。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在我公司模塊化工廠建造項(xiàng)目的H型鋼切割中成功應(yīng)用，為我公司承攬國(guó)際海洋工程項(xiàng)目提供了裝備保障，同時(shí)，為在海洋石油工程其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

編輯杜敏

摘要：針對(duì)海洋石油工程中H型鋼切割工藝的特點(diǎn)，闡述了機(jī)器人技術(shù)在H型鋼切割中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，新切割技術(shù)的應(yīng)用有效提高了施工質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；海洋石油工程；H型鋼；切割工藝

Application and Research on H Beam Cutting Robot Used for Offshore Oil Industry

Wu Honglei，Bai Mei

Abstract：Regarding to cutting technology features of H beam in offshore oil industry, advantages of applying robot technology to H beam cutting have been illustrated. The new cutting technique has improved operational quality and efficiency evidently.

Key words：robot; offshore oil industry; H beam; cutting technology

收稿日期：2014—03—31

中圖分類號(hào)：TG48

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B