管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王含宇，楊 東

（1.新疆威奧科技股份有限公司自動(dòng)化焊接工程技術(shù)研究中心，新疆克拉瑪依834003；2.南海出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東佛山528200）

管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王含宇1，楊 東2

（1.新疆威奧科技股份有限公司自動(dòng)化焊接工程技術(shù)研究中心，新疆克拉瑪依834003；2.南海出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東佛山528200）

管道焊接工作站系統(tǒng)在切割和焊接加工過程中，管件的橢圓度、加工精度、變位機(jī)對(duì)工件夾持的水平度和同心度、以及旋轉(zhuǎn)中管件的擾動(dòng)和跳動(dòng)度等因素，均會(huì)對(duì)切割和焊接的質(zhì)量和效果產(chǎn)生不利影響，設(shè)計(jì)的管件測(cè)量系統(tǒng)通過測(cè)量工件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工作站系統(tǒng)對(duì)管件的自動(dòng)找水平、自動(dòng)尋找管件中心位置的功能。大量的切割和焊接實(shí)踐證明，帶有測(cè)量系統(tǒng)的焊接工作站系統(tǒng)取得了良好的切割和焊接效果。

焊接工作站；測(cè)量；切割；焊接

0 前言

管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站系統(tǒng)是一種圓管、矩形管自動(dòng)切割的自動(dòng)焊接工作站，主要適用于圓管管件、矩形管管件的開孔、切割和管道對(duì)接焊縫，可完成在圓管或矩形管上連續(xù)變角度坡口開孔切割任務(wù)，以及實(shí)現(xiàn)管件與管件、管件與法蘭的自動(dòng)與半自動(dòng)焊接。

目前，管道開孔切割及對(duì)接焊縫[1]焊接工作站的管件安裝采用人工手動(dòng)測(cè)量來調(diào)節(jié)管件水平度和垂直度，及管件和變位機(jī)的同心度，在切割和焊接過程中手工調(diào)節(jié)焊槍高度來適應(yīng)長(zhǎng)管件在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)和跳動(dòng)[2]。人工手動(dòng)測(cè)量調(diào)節(jié)管件水平度、垂直度和同心度，效率低、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致焊接切割準(zhǔn)備工作時(shí)間遠(yuǎn)大于切割焊接加工時(shí)間；同時(shí)在焊接過程中，通過人工目測(cè)跟蹤調(diào)整槍嘴和工件的位置，容易出現(xiàn)滯后和誤差，穩(wěn)定性差；長(zhǎng)管件在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)和跳動(dòng)影響切割和焊接質(zhì)量，成形效果不可控[3-4]。針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了管件測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過測(cè)量工件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工作站系統(tǒng)對(duì)管件的自動(dòng)找水平、自動(dòng)尋找管件中心位置的功能，減少了切割、焊接的準(zhǔn)備時(shí)間，提高切割、焊接成形效果，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該工作站的圓管管件切割類型包括圓管開孔和管端切割。圓管開孔包括開圓孔、矩形孔等。管端切割包括平切管端、相貫線管端、帶槽管端、雙插管端及三插管端等。矩形管管件切割類型包括圓管開孔和管端切割。矩形管開孔包括開圓孔、矩形孔等。矩形管管端切割包括平切管端、倒角管端、復(fù)合管端等。焊接類型為管道與管道、管道與法蘭等對(duì)接焊縫的焊接。

工作站系統(tǒng)由集中控制的單體設(shè)備組成，包括可移動(dòng)操作機(jī)、升降回轉(zhuǎn)式變位機(jī)、全自動(dòng)焊接（切割）機(jī)頭、焊接（切割）系統(tǒng)（焊接電源、焊槍、等離子切割器等）、托輥等?？梢苿?dòng)操作機(jī)用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的三軸運(yùn)動(dòng)，包括橫臂升降、伸縮和機(jī)架行走。焊接（切割）機(jī)頭不僅能夠電動(dòng)調(diào)節(jié)激光傳感器的照射角度，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右和上下運(yùn)動(dòng)。機(jī)頭上配備多功能擺動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)焊槍的連續(xù)鐘擺或直擺運(yùn)動(dòng)。機(jī)頭上帶有工件徑向機(jī)械隨動(dòng)跟蹤裝置，使焊接過程更加穩(wěn)定，焊接操作更加簡(jiǎn)便。升降回轉(zhuǎn)式變位機(jī)的卡盤中空，主要用于夾持、固定和旋轉(zhuǎn)工件。

管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站系統(tǒng)實(shí)體如圖1所示。

圖1 管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站系統(tǒng)實(shí)體

工作站系統(tǒng)的控制方案如圖2所示，采用自主研發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，配備工業(yè)級(jí)工控機(jī)、工業(yè)液晶顯示器和獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器（見圖3），在上位機(jī)顯示3D圖形及仿真切割路徑。操作臺(tái)和無線遙控器向控制器發(fā)送要執(zhí)行動(dòng)作的指令。工業(yè)電腦和控制器通過程序計(jì)算向切割設(shè)備、焊接設(shè)備、操作機(jī)、變位機(jī)等下位機(jī)發(fā)送動(dòng)作指令。

圖2 管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接工作站系統(tǒng)控制方案

圖3 數(shù)控系統(tǒng)控制器

2 檢測(cè)功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

焊接工作站系統(tǒng)的測(cè)量裝置主要是應(yīng)對(duì)在切割和焊接加工時(shí)出現(xiàn)的問題，如：管件的橢圓度、加工精度、工件夾持的水平度和同心度、旋轉(zhuǎn)中的擾動(dòng)和跳動(dòng)等對(duì)切割和焊接的影響，節(jié)省了人工調(diào)校管件水平度和同心度的時(shí)間，提高安裝準(zhǔn)備工作效率，消除在旋轉(zhuǎn)過程中管件的擾動(dòng)和跳動(dòng)對(duì)切割和焊接質(zhì)量的不利影響。

焊接工作站系統(tǒng)采用激光位移傳感器作為檢測(cè)裝置。通過操作架的動(dòng)作和變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)使傳感器和工件處于不同的相對(duì)姿態(tài)，激光位移傳感器測(cè)量工件不同姿態(tài)的高度，從而計(jì)算出工件的對(duì)應(yīng)參數(shù)，如：圓管的直徑、周長(zhǎng)、變位機(jī)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的跳動(dòng)度、自動(dòng)尋找圓管的中心位置；矩形管的寬、高、圓角半徑、自動(dòng)找水平、自動(dòng)尋找矩形管的中心位置。傳感器測(cè)量工件的實(shí)物如圖4所示。

2.1 圓管測(cè)量

圓管測(cè)量原理如圖5所示。操作架頭部安裝的激光傳感器測(cè)量裝置可完成以下工作：測(cè)量變位機(jī)夾持圓管的管徑；圓管的水平斜度，即割槍從B點(diǎn)走到C點(diǎn)后z軸方向的偏差；圓管中心線與操作架底座在y方向的平行度，即x軸方向的偏差；B、C點(diǎn)x、z軸中心值。

圖4 傳感器測(cè)量工件的實(shí)物

圖5 圓管測(cè)量原理

2.2 矩形管測(cè)量

矩形管測(cè)量原理如圖6所示。操作架頭部安裝的激光傳感器測(cè)量裝置完成以下工作：測(cè)量變位機(jī)夾持矩形管的寬度、高度和圓角半徑；矩形管的水平斜度，即割槍從B點(diǎn)走到C點(diǎn)后z軸方向的偏差；矩形管中心線與操作架底座在y方向的平行度，即x軸方向的偏差；B、C點(diǎn)x、z軸中心值。

3 切割效果

切割實(shí)物和效果分別如圖7、圖8和表1所示。由表1可知，使用管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站系統(tǒng)能夠滿足圓管和方管的切割要求，涵蓋了大部分壓力管道生產(chǎn)實(shí)際所需的各種切割形式。

圖7 圓管切割的實(shí)物

圖8 方管切割的實(shí)物

4 結(jié)論

管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站系統(tǒng)已應(yīng)用于中海油惠州煉化二期項(xiàng)目壓力管道預(yù)制生產(chǎn)中，自動(dòng)焊接合格率達(dá)到96%以上。一套設(shè)備以工作8 h計(jì)，每天可以焊接280寸口，平均節(jié)省4倍人力成本，極大提高了施工效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，切割焊接質(zhì)量一致性好，穩(wěn)定性高，獲得用戶方的一致好評(píng)。

該管道開孔切割及對(duì)接焊縫焊接的工作站系統(tǒng)功能強(qiáng)大，對(duì)管件的測(cè)量保證了其加工精度，能夠滿足大部分壓力管道的切割焊接管件加工形式，在工程實(shí)踐中取得良好效果，值得大規(guī)模推廣應(yīng)用。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]林尚揚(yáng)，陳善本，李成桐．焊接機(jī)器人及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：246-254.

表1 各種管件的切割效果

[4]周方明，周濤，郭勇，等.機(jī)架雙機(jī)器人焊接工作站計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究[J].電焊機(jī)，2008，38（12）：11-15.

[5]杜望，張曉旭.機(jī)器人焊接工作站在汽車起重機(jī)卷?yè)P(yáng)箱焊接中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2009，39（5）：183-185.

Design for measurement system of pipe hole cutting and butt welding workstation

WANG Hanyu1，YANG Dong2
（1.Weld-Auto Technologies Company，Qaramay 834003，China；2.Nanhai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，F(xiàn)oshan 528200，China）

In the cutting and welding process conducted in a pipe welding workstation system，the factors such as tubing ovality，machining precision，levelness and concentricity of clamping workpiece by displacement machine，and the disturbance and beating degree in rotating pipe bring adverse effects to the quality and effect of cutting and welding.In this paper，a pipe fitting measurement system is designed.Through measuring the parameters of workpiece，the workstation system is realized to automatically find a level of pipe fittings and search the center position for pipe fitting.A lot of cutting and welding practices prove that a welding workstation system with a measurement system has obtained the good effect of cutting and welding.

welding workstation；measurement；cutting；welding

TG409

B

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-10-09

王含宇（1981—），女，新疆克拉瑪依人，碩士，主要從事焊接自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)工作。