管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用

周明遠(yuǎn)　李英偉　楊永家

摘要：以船舶管道筒體對接環(huán)縫自動化焊接生產(chǎn)為例，詳細(xì)介紹管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備的設(shè)計思路，包括其技術(shù)要求、組成及特點以及電氣控制系統(tǒng)等，重點分析管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備的操作機(jī)、特制滾輪架及電氣控制系統(tǒng)的工作原理，最后簡要介紹設(shè)備的使用情況。實踐證明，所設(shè)計的管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備操作方便、焊接質(zhì)量好、自動化程度高，完全能夠滿足管道筒體對接環(huán)縫全自動化焊接要求，這對筒體對接環(huán)縫自動化焊接生產(chǎn)線的設(shè)計及應(yīng)用具有一定的參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：操作機(jī);特制滾輪架;設(shè)計;全自動化焊接;船舶管道筒體

中圖分類號：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）12-0043-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.10

1 項目概述

某企業(yè)是船舶生產(chǎn)單位，為提高設(shè)備自動化程度、保證產(chǎn)品質(zhì)量，需設(shè)計制造管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備，其生產(chǎn)綱領(lǐng)為筒體對接環(huán)縫工件直徑范圍：φ600～1 000 mm;工件長度范圍：1 200～8 000 mm;工件質(zhì)量：不大于5 t。筒體工件示意如圖1所示。

工件人工行車上料后，設(shè)備自動完成環(huán)縫的焊接。經(jīng)分析與研究成功設(shè)計了管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備并投入使用，滿足了管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接要求。

2 筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備設(shè)計思路[1-5]

2.1 筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備技術(shù)要求

為滿足管道筒體對接環(huán)縫全自動焊接生產(chǎn)要求，筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備必須滿足以下技術(shù)要求：①采用焊接操作機(jī)配合滾輪架的方式，來完成筒節(jié)的外側(cè)環(huán)縫焊接。②焊接過程實現(xiàn)全自動焊接。③焊接過程實現(xiàn)自動跟蹤。④滾輪架能實現(xiàn)對工件的自動防竄。⑤滾輪架能自動調(diào)節(jié)中心距實現(xiàn)不同直徑工件的要求。⑥整個設(shè)備系統(tǒng)單元由PLC控制系統(tǒng)集中控制，包括操作機(jī)臺車行走，操作機(jī)機(jī)頭伸縮和升降，焊接電源參數(shù)、機(jī)頭焊縫跟蹤、機(jī)頭焊縫監(jiān)控、工件自動防竄等邏輯關(guān)系。

2.2 筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備組成和特點

管道圓柱形筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備由1套焊接操作機(jī)、1套特制防竄滾輪架、1套MIG焊接系統(tǒng)、1套機(jī)頭視頻監(jiān)控系統(tǒng)、1套焊縫激光跟蹤系統(tǒng)和1套PC電氣控制系統(tǒng)等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 焊接操作機(jī)

焊接操作機(jī)設(shè)計為CZ22-4X4T型配置，設(shè)備由電動行走臺車、立柱電動回轉(zhuǎn)、氣動鎖緊、立柱、橫梁、升降滑板、升降提升裝置、防墜落裝置、焊接機(jī)頭等組成。焊接機(jī)頭安裝在橫梁端頭，橫梁安裝在滑板上，可沿滑板無極調(diào)速伸縮，橫臂伸縮采用交流伺服電機(jī)配行星齒輪減速器，由齒輪齒條驅(qū)動，速度無級可調(diào)，數(shù)字顯示，可預(yù)置參數(shù)，低速扭矩大，響應(yīng)速度快、無爬行和振動現(xiàn)象。

滑板安裝在立柱上，可沿立柱恒速升降，立柱及橫梁采用焊接結(jié)構(gòu)件，具有很好的剛性。操作架立柱采用方型導(dǎo)軌導(dǎo)向，橫梁采用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，保證導(dǎo)軌的高精度及其耐磨性，運行平穩(wěn)，下?lián)隙刃　?/p>

升降裝置在滑板上設(shè)有防墜落保險裝置，采用偏心輪鎖緊機(jī)構(gòu)。如發(fā)生鏈條斷裂等故障時，可有效防止橫梁下墜。

立柱、橫梁等部件可作±180°電動回轉(zhuǎn)并配有氣動鎖緊裝置。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底座安裝在行走臺車上，行走臺車在鋼軌上電動行走。

焊接機(jī)頭配有電動十字拖板、安裝支架等。焊槍、視頻監(jiān)控攝像頭和激光跟蹤頭均裝在機(jī)頭安裝支架上，電動十字拖板可調(diào)節(jié)焊槍等上、下升降和左、右移動，橫移拖板具有擺動功能。

2.2.2 特制防竄滾輪架

該防竄滾輪胎架由3組主動滾輪胎架、工作平臺、防竄檢測架和控制系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

主動滾輪胎架由電動行走臺車、滾輪架升降裝置、電動機(jī)調(diào)滾輪架和液壓鎖軌器等組成。電動行走臺車采用雙驅(qū)方式，行走平穩(wěn)。升降裝置安裝在電動行走臺車平臺上，升降裝置采用4組舉升機(jī)組合方式，一組交流電機(jī)驅(qū)動升降，升降力大，升降平穩(wěn)可靠。電動機(jī)調(diào)滾輪架安裝在升降裝置上，由電動機(jī)調(diào)架和2組滾輪組成，電動機(jī)調(diào)架通過交流電機(jī)驅(qū)動絲桿帶動兩組滾輪同時相向運動來調(diào)節(jié)滾輪距離，滿足不同直徑筒體要求。在滾輪架行走臺車上安裝有液壓鎖軌器，由液壓動力單元、液壓管路、液壓缸和鎖軌裝置等組成，滾輪架行走臺車行走時自動松開鎖軌裝置，行走到位后鎖軌裝置自動鎖緊軌道，保證滾輪胎架的穩(wěn)定性。

防竄檢測架安裝在工作平臺一端，通過檢測工件軸向竄動，程序控制自動升降滾輪架，解決竄動問題。

2.2.3 焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)配置奧地利福尼斯的TPS5000系列焊接電源，配有自動送絲機(jī)和水冷自動焊槍，冷卻水箱與焊接電源為一體式。焊接系統(tǒng)可實現(xiàn)MIG/MAG自動焊接。

福尼斯的TPS5000系列焊機(jī)有自動采集和管理焊接數(shù)據(jù)的功能;焊接系統(tǒng)能通過接口與焊接操作架、滾輪架以及外部的輔助設(shè)備實時通訊，便于完成全自動焊接控制功能。

2.2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用長焦距外置式專業(yè)成品相機(jī)。通過精確的焦距調(diào)整，可清晰地監(jiān)控機(jī)頭焊槍和焊縫情況。監(jiān)控系統(tǒng)采用加拿大XIRIS公司的XVC-500產(chǎn)品，用來監(jiān)視各種類型焊接，包括氣體保護(hù)焊（MIG/MAG）。自動化焊接時，操作者能遠(yuǎn)程監(jiān)視焊接區(qū)域，可同時觀察到電弧、焊絲、熔池、焊縫和周邊環(huán)境等。

2.2.5 焊縫激光跟蹤系統(tǒng)

焊縫激光跟蹤系統(tǒng)采用加拿大Power激光跟蹤系統(tǒng)，全套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)包括激光傳感器、控制單元和相關(guān)軟件，它包含一個無接觸的焊縫跟蹤激光傳感器、控制器。跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用1套電動十字拖板，分別為1套垂直安裝拖板和1套水平安裝拖板，行程均為200 mm，跟蹤和調(diào)節(jié)范圍大。

激光傳感器探頭安裝在機(jī)頭跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)前端支架上，可隨焊槍一起擺動。

2.3 筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備電氣控制系統(tǒng)

通過工控機(jī)系統(tǒng)編程，可以在手動和自動兩種方式下監(jiān)視、控制所有的檢測器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工控機(jī)系統(tǒng)預(yù)留10%的擴(kuò)展余量，包括輸入、輸出點以及擴(kuò)展的內(nèi)存空間。同時控制柜也預(yù)留相應(yīng)的擴(kuò)展空間監(jiān)控程序，對系統(tǒng)的執(zhí)行周期沒有任何影響。工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)可以通過以太網(wǎng)傳輸?shù)焦SMES系統(tǒng)。

通過工控機(jī)系統(tǒng)編程，在自動模式下可以實現(xiàn)工件焊縫的自動跟蹤和工件的自動防竄。自動方式下的系統(tǒng)啟動：操作人員安裝工件→設(shè)置好工件參數(shù)→切換到自動模式→按下啟動系統(tǒng)焊接。

3 筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備使用效果

筒體對接環(huán)縫全自動焊接設(shè)備用于船舶管道筒體對接環(huán)縫自動化焊接生產(chǎn)，完全達(dá)到了技術(shù)和設(shè)計要求，設(shè)備操作方便，工件上料后，一鍵式全自動焊接，功能強(qiáng)大，大大降低了操作難度，焊縫質(zhì)量合格率達(dá)100%，完全滿足管道筒體對接環(huán)縫自動化焊接生產(chǎn)要求，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢

（1）控制系統(tǒng)控制設(shè)備多，程序復(fù)雜，難度大，采用雙PLC集成控制。

操作機(jī)及焊接機(jī)頭配有6套電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng);特制滾輪架每臺配有6套電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，3臺滾輪架共18套電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。整個設(shè)備共配有24套電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。加上對視頻監(jiān)視系統(tǒng)、進(jìn)口激光跟蹤系統(tǒng)、焊接擺動器、進(jìn)口焊接系統(tǒng)等的自動控制，控制程序相當(dāng)復(fù)雜，目前成都水元科技有限公司首家開發(fā)出該程序，是設(shè)備優(yōu)勢之一。設(shè)計原理如圖5、圖6所示。

（2）焊接填充量實現(xiàn)程序自動控制。

在多層多道焊時，不同焊道焊接熔敷填充量不同，需調(diào)整焊接工藝參數(shù)，以前都是人工設(shè)置輸入調(diào)整。所設(shè)計的自動化程序能自動分析工件焊縫的大小和截面積等參數(shù)，通過程序控制實現(xiàn)自動增減焊接填充量，在國內(nèi)屬首創(chuàng)，是設(shè)備的優(yōu)勢之二，這就確保了焊縫質(zhì)量，焊縫合格率高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 濮良貴，陳國定，吳立言. 機(jī)械設(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[2] 米澤正明，長谷川圣，河田泰紀(jì)，等. 可編程控制器：CN90102324.8[P]. 1990-4-23.

[3] 南光群，胡學(xué)芝. 可編程控制器的選擇[J]. 機(jī)械制造與自動化，2004，33（2）：65-67.

[4] 趙天洪. 現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2000，24（13）：62-65.

[5] 潘新民. 微型計算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2020-07-10

作者簡介：周明遠(yuǎn)（1962— ），男，學(xué)士，工程師，主要從事焊接自動化設(shè)備的研制工作。E-mail：zmy62418@126.com。