基于六軸機器人的管道全位置焊接工藝研究

王克寬 ，牛虎理 ，張建護 ，唐德渝 ，王天琪

1.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300378

隨著國內(nèi)油氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對油氣管道的需求量也與日俱增，在管道工廠化預(yù)制過程中，能夠適應(yīng)各種管徑及異形管道的高效焊接方法成為當(dāng)前生產(chǎn)的迫切需求[1]。目前，專用的焊接設(shè)備和工裝卡具一般能夠適應(yīng)至多兩種型號管道的生產(chǎn)，在工廠化流水作業(yè)中，采用固定工位作業(yè)，能夠提高焊接效率，但其靈活度不夠，通用性較差，改變管道型號則需要更換設(shè)備，造成資源的浪費和成本提高，同時新安裝設(shè)備的調(diào)試也占用了大量時間。

六軸機器人能夠靈活規(guī)劃焊接軌跡，定位精確，具有示教再現(xiàn)功能，可根據(jù)待焊工件的形態(tài)確定作業(yè)軌跡，焊接時不受工件狀態(tài)變化的制約，但目前在工廠化預(yù)制中，六軸機器人主要用于結(jié)構(gòu)型工件的點焊和短軌跡焊接，未形成管道預(yù)制焊接工藝。

本文根據(jù)管道工廠化預(yù)制的焊接工藝特點，在六軸機器人快速標(biāo)定和參數(shù)軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對機器人進行二次開發(fā)，提出機器人的擺焊方法和焊接措施，并進行焊接工藝試驗研究，實現(xiàn)管道預(yù)制的高效可靠焊接。

1 擺焊參數(shù)

預(yù)制管道的焊縫具有一定的寬度，在使用六軸焊接機器人對其進行焊接時，由于焊縫寬度的影響，需要焊接機器人具有擺動焊接的功能，配合機器人末端執(zhí)行器的擺動，滿足寬焊縫擺焊的要求，同時由于管道全位置焊接的限制，需要焊槍不斷調(diào)整位姿來滿足焊接工藝的要求。

擺焊軌跡通常有鋸齒型、V字型和三角形三種擺動模式[2]，相關(guān)幾何參數(shù)如圖1所示。圖中L表示擺焊擺動一個周期的長度，W表示擺動一個周期的寬度，L1表示擺動到左邊時的停頓長度，L2表示擺動到中心點時的停頓長度，L3表示擺動到右邊時的停頓長度。

圖1 擺焊的相關(guān)幾何參數(shù)

2 軌跡規(guī)劃

2.1 全位置焊接區(qū)段參數(shù)規(guī)劃

在管道全位置自動焊系統(tǒng)中，要完成焊接工藝參數(shù)在不同行走位置的設(shè)置，理想的方法是將整個焊道的圓周分成4個大段，每個大段再細分成3個小段，見圖2。由工藝人員輸入4個大段的典型焊接工藝參數(shù)，然后利用插補運算計算出每一個小段的焊接參數(shù)，對于小段間的過渡，利用插值算法進行各點速度的平滑過渡，從而分別對不同的焊接參數(shù)進行實時計算和更新[3]。

圖2 焊接區(qū)段劃分

在全位置焊接過程中，實際的控制參數(shù)并不是按等分區(qū)段均勻變化的，故按區(qū)段等分方式劃分焊接參數(shù)具有一定的局限性，不能滿足高速、高精度的焊接要求。因此采用三次插值算法解決全位置焊接過程中工藝參數(shù)平滑過渡問題。在焊接之前，首先通過試驗得到12～6點鐘的各個典型位置處焊接速度、焊接電流、電壓、擺寬和擺速等，然后采用三次插值算法計算出每一小段上的焊接參數(shù)變化規(guī)則多項式，由于焊接參數(shù)的變化是連續(xù)的，在各個小段之間的過渡過程中，其二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，故利用三次曲線，組合成一個光滑曲線以實現(xiàn)各區(qū)段參數(shù)的平滑過渡[4]。

2.2 軌跡擬合插值算法設(shè)計

由于焊接速度的控制在整個焊接過程中尤為重要，所以我們以焊接速度參數(shù)為例，設(shè)x為空間位置上的任意一點，取s（x）為行走速度在整個空間位置上的參數(shù)插值函數(shù)，則有：

si（x）為一個空間位置對應(yīng)的子片段上的B樣條表達式。其中si（x）是第i個樣條片斷，而P是行走速度參數(shù)典型點的控制點集，i和k是行走速度局部典型參數(shù)控制點索引，b（x）為3次多項式。控制點的集合會是Pi={wixi，wiyi，wizi，wi}的集合，其中wi是比重，當(dāng)它增加時，插值曲線會被拉向控制點Pi，在減小時則把插值曲線遠離該點[5-6]。空間片段的整個集合m-2條曲線（s3，s4，…，sm）由m+1個控制點 （P0，P1，m≥3） 定義，由于s（x） 在[xj，xj+1]上為3次多項式，故s″（x） 在[xj，xj+1]上是一線性函數(shù)。

式中：c1，c2為常數(shù)。

由s（′x0）=f0′，s（′xn）=f′n得2M0+M1=d0，Mn-1+2Mn=dn

共有n-1個方程和n-1個未知數(shù)。將上式寫成矩陣形式為：

該方程組所對應(yīng)的系數(shù)矩陣是嚴(yán)格對角占優(yōu)的，可用追趕法進行求解，可得：

在求得Mi后，代入si（x）的代數(shù)式，便可解得焊接行走速度在各個片段上的插值多項式。同理也可求得焊接電壓、電流等焊接控制參數(shù)相應(yīng)的規(guī)則函數(shù)式。

3 試驗

3.1 試驗系統(tǒng)

采用的擺焊試驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示，電焊機采用的是福尼斯的CMT4000R型焊機，機器人采用的是ABB的IRB2600型六自由度工業(yè)機器人。電焊機與機器人通過DeviceNet進行通訊，DeviceNet是一個基于CAN的開放系統(tǒng)，可直接連接執(zhí)行器和傳感器。

圖3 焊接試驗系統(tǒng)

3.2 試驗方案

試驗管段為D 610 mm×20 mm，材質(zhì)為EH36，長度為200 mm，試驗管段開小角度U型坡口，其坡口角度、鈍邊及組對間隙如圖4所示。采取全位置下向焊的方式，完成半邊焊接之后，回到起焊位置反方向施焊另半邊，采取多層單道的方式，如圖5所示。采用富氬混合氣體保護，氣體配比為80%Ar＋20%CO2，流量為15～20 L/min。

圖4 坡口形式

圖5 焊接方式

3.3 焊槍標(biāo)定

機器人進行實際焊接前，首先要將焊槍坐標(biāo)信息輸送到機器人控制系統(tǒng)中，才能準(zhǔn)確地控制焊槍的運動，機器人工具坐標(biāo)系的準(zhǔn)確度直接影響焊接的軌跡精度，機器人的標(biāo)定就是確定工具坐標(biāo)系相對于末端連桿坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)的變換關(guān)系[7]。試驗中采用六點示教標(biāo)定法對焊槍進行標(biāo)定，在工作臺上豎直放置一端帶有尖點的標(biāo)定桿，如圖6所示，手動操縱機器人，分別用四種不同的姿態(tài)使焊槍靠上標(biāo)定桿的頂點并在示教器中記錄下每個姿態(tài)的信息，然后操縱焊槍以姿態(tài)4的形式從固定點沿標(biāo)定桿的+x方向移動一段距離到達姿態(tài)5，如圖7所示，用示教器記錄下姿態(tài)5的位置信息，然后操縱機器人先回到姿態(tài)4，使得焊槍垂直靠上標(biāo)定桿的位置，再從固定點沿標(biāo)定桿的+z方向移動一段距離到達姿態(tài)6，記錄此時的位置，焊槍的信息會記錄在機器人控制柜中，然后在機器人示教器中設(shè)置焊槍的重心以及質(zhì)量，此時標(biāo)定即可完成。在焊接過程中，機器人根據(jù)標(biāo)定的坐標(biāo)系實時進行焊槍姿態(tài)的調(diào)整，以保證焊接控制的準(zhǔn)確性。

圖6 六點標(biāo)定法標(biāo)定過程示意

圖7 焊槍姿態(tài)

4 工藝試驗及結(jié)果

4.1 焊接工藝參數(shù)

焊絲選用牌號為ER50-6的G3Si1焊絲，焊絲直徑為1.0 mm，對U型坡口進行打底焊、熱焊、填充焊以及蓋面焊，其焊接參數(shù)如表1所示。在焊接時利用機器人的重定位功能進行焊槍姿態(tài)的調(diào)整，避免發(fā)生碰撞[8]。

表1焊接參數(shù)

4.2 試驗結(jié)果

利用上述參數(shù)對管道進行了焊接，焊接完的焊道外觀如圖8～9所示。

圖8 填充焊

圖9 蓋面焊

在焊接過程中，機器人運行正常、平穩(wěn)，調(diào)控精確，擺動到位，電弧燃燒穩(wěn)定、到位，焊縫波紋均勻，每層的焊縫厚度為3～5 mm，滿足焊接工藝要求。

5 結(jié)論

（1）開發(fā)六軸機器人擺動焊接功能，對管道全位置焊縫進行了填充焊接試驗，實現(xiàn)了通用六軸焊接機器人對此類管道的焊接。

（2）六點示教標(biāo)定法可快速準(zhǔn)確進行機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，此方法具有較好的通用性，可延伸為六軸機器人其他作業(yè)標(biāo)定。

（3）六軸機器人可根據(jù)待焊工件狀態(tài)規(guī)劃作業(yè)軌跡和作業(yè)參數(shù)，通用性好，可實現(xiàn)低成本高效作業(yè)。

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