回轉體內部自動焊接裝置總體設計

陳江

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

航行體內部特征（如環形筋、縱向筋、橫向筋等）是整個航行體的關鍵部分，其作用不可小覷，如圖1所示。該種零部件一般采用鑄造成型、機加工、焊接方式成型，但是對于尚處于樣機開發階段、殼體長徑比（L/D）較大的零部件，機加工及普通的焊接技術一般很難成型，若采用鑄造成型，其制造成本太高，效率低。結合上述情況，本文提出采用自動焊接技術可實現該類型的回轉體內部結構特征的成型，將會提高成型效率和降低生產成本和勞動強度。該種技術具體的優點如下：1）穩定和提高焊接質量．保證其均一性；2）提高勞動生產率，可以24 h連續生產：3）改善工人勞動條件；4）降低對工人操作技術的要求；5）可在極限條件下完成人工難以進行的焊接作業；6）為焊接柔性生產線提供技術基礎；7）可降低樣機的研制成本；8）焊接過程中采用監控設備，提高產品一次加工合格率。

圖1 回轉體類零部件結構示意圖

1 國內外發展現狀

適用于管道焊接的自動化方式可分為管內焊接和管外焊接兩種，到目前為止，管內焊接主要用于石油管道焊接施工過程中組對管口，完成根焊，美國CRC公司、英國Noreast在20世紀60年代就率先研制出較成熟的自動化產品，國內中石油天然氣管道局特機所也研制出了PAW2000管道全位置自動焊機［1］，已經能夠將該種技術應用于管道焊接，焊接管線長度達到上千米。但是上述技術僅適用于大口徑管道（900 mm以上），對于航行體內部的特殊結構，國內外尚未出現較成熟的技術，針對這種情況，主要本文提出一種面向回轉體類零部件的智能自動焊接技術。

2 技術構成及工作原理

智能自動焊接技術，涉及到的核心技術有自主任務規劃技術、焊槍運動軌跡控制技術、焊接過程中的信息傳感技術、焊接過程的知識建模、焊接過程質量控制以及自動化設備的集成和控制技術，圖2表示自動焊機智能化技術構成。

自主任務規劃技術涉及到離線的焊接任務規劃，其中包含知識庫和焊接專家系統；施焊前的機器視覺技術對焊接宏觀環境的識別以避障，焊接初始位置的識別以用于導引機器人焊槍接近初始焊位；焊接過程中對焊縫的精確識別以控制機器人焊槍實時對中焊縫，即焊縫跟蹤；對焊接動態過程的智能傳感，如焊接熔池變化特征的實時計算與信息反饋；根據焊接質量的要求、熔池的動態變化采用實時的智能控制策略，即調節焊接工藝參數和機器人焊槍運動姿態，控制適當的熔深、熔寬、表面高度以實現焊接成形的高質量。

如圖3所示，結合航行體殼體（工件）的結構特點，該智能化自動焊接的結構由控制系統、送絲裝置（送絲盤、送絲器等）、焊槍移動結構（豎直、水平）、監控系統、焊槍、弧長跟蹤系統、焊槍角度調整機構、旋轉機構等組成。焊接時需要設置散熱機構，更好地輔助自動焊接過程，將焊接過程中過多的熱量及時散出，另外設置中心托架便于工件支撐和定位。

圖2 自動焊機智能化技術構成

圖3 智能化自動焊機結構組成圖

3 關鍵技術

1）初始位置識別及導引。焊槍能否準確地進行焊位識別并導引，是自動焊接技術的關鍵問題，本文案采用視頻監控系統對焊接過程中焊接位置信息進行采集處理，并向相應的信息傳遞給中央控制器，中央控制器對該信息進行處理并做出決策，從而控制焊槍進行施焊。焊接機器人根據傳感信息自動完成尋找初始焊接位置，并自動導引焊槍端點移動到初始焊接位置，開始焊接工作，從而使焊接機器人具有更大的自主能力和智能化水平，如圖4所示。

圖4 焊機位置識別及導引結構框圖

圖5 焊縫跟蹤實時控制系統結構框圖

2）焊縫跟蹤實時控制系統。由于加工、裝配過程中存在的誤差以及焊接過程中熱變形等因素會影響焊接精度及質量，因此要求自動焊機能夠實時檢測并實時調整焊接路徑以及焊槍的姿態和與焊縫的位置，從而保證焊接質量的可靠性和準確性如圖5所示。

4 實現過程

實焊之前，將焊接工件放置于預先放好的中心托架上，固定好位置。將焊接的筋特征按照設計圖紙擺放于工件內部指定位置并固定，之后啟動焊機進行相應工藝參數的設定，規劃焊槍的實施路徑，利用仿真模擬軟件并進行事先模擬，檢查模擬過程是否可以達到預期效果。若決策可進行焊接，操控焊機進行焊接，焊接過程中需要根據工件特制相應的焊接工裝，將需要的焊接特征依次放置于殼體內部。

5結語

本文針對回轉體（航行體殼體）內部的特征成型困難問題，進行實施方案的設計，并對關鍵技術進行了分析和系統設計，為同類型零部件加工提供參考。

［1］ 劉楊申.管道全位置自動內焊機的總體方案及機械系統研究［D］.天津：天津大學，2004.

［2］ 起重機設計手冊編寫組.起重機設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1980.

［3］ 徐灝.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［4］ 趙興仁.機械設備安裝工藝學［M］.重慶：科學技術文獻出版社重慶分社，1985.

［5］ 成大先.機械設計手冊-單行本-軸承［M］.北京：化學工業出版社，2013.