一種分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)設(shè)計

馮清華

（廈門聚行智能科技有限公司，福建 廈門 361021）

當前，隨著勞動生產(chǎn)工人的短缺，在生產(chǎn)領(lǐng)域尤其是高安全風險崗位迫切需要開展機器換人工作，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，解決人員不足和勞動生產(chǎn)率較低等問題。在現(xiàn)代石油開采過程中，使用的壓力容器筒體等石油裝備的制造一般采用手工焊接，工序之間轉(zhuǎn)移采用天車或者叉車等傳統(tǒng)物流方式。采用傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)移物料需要大量人力配合才能完成作業(yè)流程，存在費時、費力、效率低等缺點，而且存在極大的安全隱患；工人工作環(huán)境惡劣、焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率低下限制了行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

由于切割及焊接對象筒體是壓力容器重要部件，焊接質(zhì)量對壓力容器尤為重要。筒體及管座存在工件體型大、質(zhì)量重、種類大小繁多、工藝復雜等一系列特點，要求切割焊接工人具有較高的專業(yè)作業(yè)水平，焊接專業(yè)人才人力成本較高。

傳統(tǒng)的手工焊接方法無論是焊接質(zhì)量的一致性，還是焊接效率及其安全可靠性上均不能滿足作業(yè)需求，而加強板及接管物料輸送物流技術(shù)、傳感器圓周定位技術(shù)、激光掃描技術(shù)、物料定位點焊技術(shù)、機器人自動焊接技術(shù)等技術(shù)已較為成熟，可以應(yīng)用于石油裝備行業(yè)的分離器切割、組對、焊接環(huán)節(jié)，從而大大提高生產(chǎn)效率及自動化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全，減輕焊接工人的勞動強度。

1 分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)裝置如圖1所示，包括多條軌道、PLC 控制系統(tǒng)、上料點焊升降機構(gòu)、滾輪架變位機、鞍座自動組對工裝、機器人切割焊接機構(gòu)及輸送車、工件筒體管座、觀察小車。

圖1 分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)示意圖

該新型焊接系統(tǒng)設(shè)計目的是提供一種筒體管座切割組對焊接裝置，實現(xiàn)對筒體管座自動切割、組對、焊接，提高生產(chǎn)效率及自動化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全。

2 分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)特征分析

該新型設(shè)計的特征如下：包括PLC 控制系統(tǒng)、上料點焊升降機構(gòu)、滾輪架變位機、鞍座自動組對工裝及機器人切割焊接機構(gòu)；滾輪架變位機、上料點焊升降機構(gòu)、鞍座自動組對工裝及機器人切割焊接機構(gòu)分別在不同軌道上行走，軌道設(shè)置在地面上；工件筒體管座置于滾輪架變位機上，機器人切割焊接機構(gòu)位于工件筒體管座一側(cè)，鞍座自動組對工裝位于工件筒體管座下方，而上料點焊升降機構(gòu)跨越在工件筒體管座上；PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構(gòu)由人工對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機轉(zhuǎn)動工件筒體管座，對工件筒體管座底部進行切割焊接，并由鞍座自動組對工裝安裝鞍座。

此外，輸送車在軌道上行走以輸送焊接完成后的筒體管座，可升降載人的觀察小車在軌道上行走。觀察小車包括小車架體、升降機構(gòu)、載人觀察平臺、伸縮機構(gòu)及控制系統(tǒng)。小車架體在軌道上行走，載人觀察平臺借助升降機構(gòu)在小車架體上運行，載人觀察平臺通過伸縮機構(gòu)在升降機構(gòu)上平移，控制系統(tǒng)控制升降機構(gòu)及伸縮機構(gòu)動作。上料點焊升降機構(gòu)包括機構(gòu)架體、點焊升降平臺、平臺升降機構(gòu)及手工焊機。機構(gòu)架體在軌道上行走，點焊升降平臺通過平臺升降機構(gòu)在機構(gòu)架體上運行，而手工焊機安裝在點焊升降平臺上，由人工通過手工焊機對工件筒體管座頂部進行點焊固定。

鞍座自動組對工裝包括座體、液壓機構(gòu)、升降平臺及夾緊機構(gòu)。座體在軌道上行走，液壓機構(gòu)安裝在座體中，升降平臺安裝在液壓機構(gòu)上，夾緊機構(gòu)安裝在升降平臺上，夾緊機構(gòu)對工件筒體管座進行固定定位。

機器人切割焊接機構(gòu)包括可在軸旋轉(zhuǎn)及軸升降的機構(gòu)主體、切割機構(gòu)、焊接機構(gòu)及換槍機構(gòu)，機構(gòu)主體在軌道上沿軸行走，切割機構(gòu)及焊接機構(gòu)安裝在機構(gòu)主體上，由換槍機構(gòu)切換切割機構(gòu)、激光定位機構(gòu)及焊接機構(gòu)輪換工作。

機構(gòu)主體上安裝激光定位機構(gòu)，激光定位機構(gòu)與PLC 控制系統(tǒng)連接，形成焊接軌跡，還安裝著煙塵處理機構(gòu)。

3 分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)運行方式[3-5]

新型設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該系統(tǒng)的滾輪架變位機、上料點焊升降機構(gòu)、鞍座自動組對工裝及機器人切割焊接機構(gòu)分別在不同軌道上行走，軌道設(shè)置在地面上。工件筒體管座置于滾輪架變位機上，機器人切割焊接機構(gòu)位于工件筒體管座一側(cè)，鞍座自動組對工裝位于工件筒體管座下方，而上料點焊升降機構(gòu)跨越在工件筒體管座上。

圖2 新型設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構(gòu)由人工對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機轉(zhuǎn)動工件筒體管座，對工件筒體管座底部進行切割焊接，并由鞍座自動組對工裝安裝鞍座。輸送車在軌道上行走，以輸送切割焊接完成后的工件筒體管座成品。

該系統(tǒng)還包括可以升降載人的觀察小車，觀察小車的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，觀察小車在軌道上行走。觀察小車包括小車架體、升降機構(gòu)、載人觀察平臺、伸縮機構(gòu)及控制系統(tǒng)。小車架體在軌道上行走，載人觀察平臺借助升降機構(gòu)在小車架體上運行，且載人觀察平臺通過伸縮機構(gòu)在升降機構(gòu)上平移，控制系統(tǒng)控制升降機構(gòu)及伸縮機構(gòu)動作。

圖3 觀察小車的結(jié)構(gòu)示意圖

上料點焊升降機構(gòu)的上升狀態(tài)、降落狀態(tài)分別如圖4、圖5 所示。上料點焊升降機構(gòu)包括機構(gòu)架體、點焊升降平臺、平臺升降機構(gòu)及手工焊機。機構(gòu)架體在軌道上行走，點焊升降平臺通過平臺升降機構(gòu)在機構(gòu)架體上運行，而手工焊機安裝在點焊升降平臺上，由人工通過手工焊機對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定。

圖4 上料點焊升降機構(gòu)的上升狀態(tài)示意圖

圖5 上料點焊升降機構(gòu)的降落狀態(tài)示意圖

鞍座自動組對工裝的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，鞍座自動組對工裝包括座體、液壓機構(gòu)、升降平臺及夾緊機構(gòu)；座體在軌道上行走，液壓機構(gòu)安裝在座體中，升降平臺安裝在液壓機構(gòu)上，而夾緊機構(gòu)安裝在升降平臺上，夾緊機構(gòu)對工件筒體管座進行固定定位。該夾緊機構(gòu)為現(xiàn)有常規(guī)結(jié)構(gòu)，此處不贅述。

圖6 鞍座自動組對工裝的結(jié)構(gòu)示意圖

機器人切割焊接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。機器人切割焊接機構(gòu)包括可沿軸旋轉(zhuǎn)及軸升降的機構(gòu)主體、切割機構(gòu)（圖中未示出）、焊接機構(gòu)及換槍機構(gòu)，機構(gòu)主體在軌道上沿軸行走，切割機構(gòu)及焊接機構(gòu)安裝在機構(gòu)主體上，由換槍機構(gòu)切換切割機構(gòu)及焊接機構(gòu)輪換工作。

圖7 機器人切割焊接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

同時，在機構(gòu)主體上安裝激光定位機構(gòu)，激光定位機構(gòu)與PLC 控制系統(tǒng)連接，形成焊接軌跡。機構(gòu)主體上還安裝有煙塵處理機構(gòu)。輪架變位機為現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)，通常用于筒體結(jié)構(gòu)的焊接轉(zhuǎn)動，其具體結(jié)構(gòu)此處不贅述。

新型PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構(gòu)由人工對工件筒體管座頂部配件（如法蘭及弧板等）進行點焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機轉(zhuǎn)動工件筒體管座，對工件筒體管座底部進行相同的切割焊接，并由鞍座自動組對工裝安裝鞍座，實現(xiàn)對筒體管座自動切割、組對、焊接，提高生產(chǎn)效率及自動化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全，減輕焊接工人的勞動強度。

4 新型分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)效果分析

采用新型分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)后，新型PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構(gòu)由人工對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定，PLC 控制系統(tǒng)控制機器人切割焊接機構(gòu)對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統(tǒng)控制滾輪架變位機轉(zhuǎn)動工件筒體管座，對工件筒體管座底部進行切割焊接，并由鞍座自動組對工裝安裝鞍座，實現(xiàn)對筒體管座自動切割、組對、焊接，提高生產(chǎn)效率及自動化程度，保證生產(chǎn)環(huán)境安全，減輕焊接工人的勞動強度。

5 結(jié)語

新型分離器馬鞍機器人切割焊接系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，在石油開采等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)促進生產(chǎn)自動化、提高生產(chǎn)效率、增強生產(chǎn)作業(yè)的安全性等良好效果，從而為生產(chǎn)活動產(chǎn)生更高的效益。當前的工業(yè)生產(chǎn)活動越來越向自動化、智能化方向發(fā)展，新的機器人技術(shù)被廣泛用于工作生產(chǎn)，逐步替代有生產(chǎn)風險的工作崗位，降低生產(chǎn)活動帶來的人身安全隱患，從而達到安全生產(chǎn)與人員保護的雙重目的。