盾構機零部件機器人焊接系統及工藝設計與開發

胡繩蓀，申俊琦，王志江，楊輝，吳定勇

1.天津大學材料科學與工程學院 天津 300054

2.天津大學天津市現代連接技術重點實驗 天津 300354

3.中交天和機械設備制造有限公司 江蘇蘇州 215557

1 序言

盾構機號稱“工程機械之王”，是集機、電、光、液、通信和控制等技術于一身的先進智能化大型工程裝備[1]。使用盾構機修建隧道，具有高度自動化、施工污染小、人力資源占用少、施工效率高及受氣候影響小等許多優點[2]。目前，盾構機已經廣泛應用于地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道和市政隧道等各類工程建設中[3]。

盾構機主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機及管片拼裝機等多個部件組成。其中，盾體是一個鋼結構圓柱體組件，由前、中、尾三部分組成；作為盾構機的核心部件，其主要作用是支撐新挖的尚未襯砌的隧洞段[4]。

由于盾構機零部件均具有較大的板厚，因此通常需要使用多層多道焊接進行制造。而目前國內盾構機部件的焊接生產多采用手工藥芯焊絲氣體保護半自動焊接，生產效率低，是盾構機生產的瓶頸之一[5]。因此，如何實現盾構機零部件焊接生產的自動化，成為盾構機生產制造中亟待解決的一個關鍵問題。

焊接自動化是將自動化與智能化控制系統、焊接胎夾具與裝夾定位、運動系統三部分有機集成，實現高效率、高品質、低成本的焊接生產[6]。從形式上，焊接自動化主要分為焊接專機及焊接機器人[7]。由于盾構機零部件種類繁多且結構較為復雜，例如，盾體中的盾就由刀箱、二聯刀箱、三聯刀箱、吊耳、撐靴、車輪架、止轉裝置安裝座、鉸鏈液壓缸及鉸鏈液壓缸支撐底座等多個零部件焊接而成，因此使用柔性化焊接機器人實現盾構機零部件的焊接自動化生產成為首選。

焊接機器人作為工業機器人在各行業的應用最為典型的代表之一，在各國投入使用的工業機器人中所占比例高達40%～60%[8]。使用焊接機器人進行焊接生產，不僅能夠提高生產效率和焊接質量，同時還可以在很大程度上改善焊工的工作環境，減輕焊工勞動強度，并可以適當降低對焊工的焊接操作技術要求。

為了適應不同的隧道地質條件，盾構機設計時均采用針對性設計，從而使得盾構機零部件不僅形狀、尺寸、質量差異較大，而且結構形式也有較大不同。為了完成多樣化的生產任務，如何將盾構機零部件合理歸類并建立與之對應的焊接機器人工作站，以盡可能地提高焊接工作站的柔性水平成為盾構機機器人焊接工作站設計的關鍵問題之一。同時，由于盾構機構件通常由厚板構成，因此制定合理的焊接工藝是需要解決的另一個關鍵問題。

2 盾構機零部件焊接機器人工作站設計

由于盾構機中的零部件種類繁多、結構復雜，故很難使用單一的機器人焊接工作站來滿足所有零部件的焊接需求。因此，可以將盾體內零部件按照尺寸、結構、質量等特征進行分類，在相應的零部件焊接工作站進行焊接生產。此時，各個零部件焊接工作站完成盾體零部件的預制工作，可減小盾體拼焊與組裝工作站的編程量，同時解決原位拼裝時難以避免的可達性問題；而盾體拼焊與組裝工作站主要進行盾體中環體的橫縫和縱縫的焊接，并組裝焊接預制的零部件。兩類機器人焊接工作站具有不同的功能，發揮不同作用，可以使盾構機零部件的機器人焊接更加方便可行，從而提高焊接生產效率[9]。

因此，針對盾構機中不同零部件的焊接自動化生產需求，在機器人焊接工作站設計中需使用變位機，以實現零部件的機器人焊接以及機器人的大范圍移動，從而實現盾構機盾體拼焊與組裝的機器人焊接。

2.1 零部件機器人焊接工作站設計

根據對盾構機零部件的分析，初步設計了相應的零部件機器人焊接工作站。該類機器人焊接工作站主要由變位機、立柱支架、焊接機器人、焊機及控制柜等組成。

（1）機器人選用 選用KUKA公司生產的最大負載為5kg的KR 5 arc型6軸關節式機器人，機器人倒掛在立柱支架的橫梁上，從而節省占地面積并方便地面物件的流動。

（2）變位機選用 選用雙軸變位機，位于機器人的前下方。變位機翻轉軸固定在底座的側立柱上，此軸用于實現變位機轉支架的翻轉運動；變位機旋轉軸固定在變位機轉支架上，此軸用于實現變位機轉盤的旋轉運動。變位機可以通過兩變位軸的運動帶動待焊工件至合適的焊接位置進行焊接，這樣增加了機器人工作空間與工件位置的協調配合性，從而可以減小焊接工藝難度，提高焊接質量。

（3）承載能力設計 通過對盾構機小型零部件的分析與歸類，分別設計了承載能力為1t的機器人焊接工作站以及承載能力為2t的機器人焊接工作站。對于承載能力為2t的機器人焊接工作站，增加了機器人沿立柱上下移動的自由度，從而可更好地滿足此工作站內零部件的焊接自動化生產需求。兩種承載能力的小型零部件機器人焊接工作站的設計模型如圖1、圖2所示。

圖1 承載能力為1t的小型零部件機器人焊接工作站模型

圖2 承載能力為2t的小型零部件機器人焊接工作站模型

（4）機器人外部機械結構模擬 在完成零部件機器人焊接工作站的初步設計之后，進行了機器人外部機械結構模擬，從而解決機械結構設計問題。工作站設備相對位置模擬，可解決工作站布局安裝問題；焊接可達性模擬，可解決焊縫焊接位置、焊槍可達性等問題。特別是當機器人焊接工作站結構及布局確定之后，針對不同零部件的焊接可達性進行模擬，對于指導實際機器人焊接生產，提出可提高機器人焊接可達性方法具有重要的意義。實際承載能力分別為1t、2t的零部件機器人焊接工作站如圖3所示。

圖3 零部件機器人焊接工作站

2.2 盾體機器人焊接工作站設計

因為盾體質量大、體積大，不易采用變位機構使其運動，故以盾體固定、機器人運動的方式設計了C形構架移動式盾體機器人焊接工作站。該機器人工作站由兩套機器人系統組成，每套機器人系統由C形機械結構、機器人、弧焊機以及地軌等組成。機器人具有9個自由度，可以實現盾體（圓筒形）直縫、環縫的自動焊接。兩套機器人可以進行協調控制，構成盾體的機器人焊接系統。如前所述，利用初步設計的C形構架移動式機器人焊接工作站模型，進行了相應的機械結構模擬、設備相對位置模擬、焊接可達性模擬等，最終確定了該機器人焊接工作站的實際尺寸與布局，如圖4所示。

圖4 C形構架移動式盾體機器人焊接工作站

整個盾構機零部件機器人焊接系統由兩套承載能力為1t的小型零部件機器人焊接工作站、3套承載能力為2t的小型零部件機器人焊接工作站和1套C形構架移動式盾體機器人（兩套機器人焊接系統）焊接工作站組成，如圖5所示。

圖5 盾構機零部件機器人焊接系統

3 焊接工藝開發

采用機器人對盾構機復雜構件進行焊接時，通常由于構件結構空間狹窄導致焊槍無法到達坡口的根部，尤其是根焊。例如，盾構機中的車輪架和止轉裝置安裝座結構中采用大量單V形45°坡口，其坡口尺寸通常超過20mm。通過對尺寸為22mm的坡口進行實際的焊槍可達性試驗，發現此時焊絲的干伸長達到了22mm。焊槍干伸長的增加必然使焊接電流出現下降，從而影響到焊縫質量。

因此，對于盾構機構件的焊接尤其是根焊，采用能夠根據干伸長變化實時調整焊接參數變化的焊機顯得尤為重要。通過結合機器人自動化焊接，一方面省去了極大的人力消耗，另一方面可以針對干伸長變化及時修整焊接參數，可有效解決焊接過程中的熔深變化問題。

針對上述盾構機構件機器人厚板焊接存在的問題，進行了基于脈沖多重控制（Pulse Multi Control，PMC）電弧工藝及其恒熔深控制的機器人自動焊接工藝開發，并就實際構件進行焊接試驗。所設計開發的盾構機零部件的焊接均采用福尼斯TPS 500i焊接電源、規格為φ1.0mm的ER50-6焊絲以及混合保護氣（80%Ar+20%CO2，氣體流速為20L/min）進行實芯焊絲熔化極氣體保護焊焊接工藝研究。

基于前期厚板焊接工藝探索試驗結果，對于零部件中平焊與橫焊位置的焊接，分別采用了PMC焊接工藝中的通用特性（Universal）、脈沖控制噴射（Pulse Controlled Spray，PCS）以及電弧推力（Dynamic）三種工藝進行了對比探究；而對于零部件中的立焊位置焊接，則分別采用了PMC焊接工藝中的通用特性（Universal）與混合特性（Mix）兩種工藝進行了對比研究。結果表明，對于盾構機關鍵零部件的機器人焊接生產，采用Dynamic（打底）+Universal（填充、蓋面）工藝進行多層多道平焊；采用Dynamic（打底）+PCS（填充、蓋面）工藝進行多層多道橫焊；采用Mix工藝進行多層多道立焊，焊后零部件的焊縫成形良好，無未熔合及咬邊等焊接缺陷，可以滿足實際焊接需求[10]。利用所制定的機器人工藝獲得的盾構機典型零部件焊接樣件如圖6所示。

圖6 盾構機典型零部件焊接樣件

在進行盾體縱縫和環縫拼裝和組裝焊接過程中，由于板厚較大，坡口較寬，因此在上述焊接工藝的基礎上，增加了機器人的擺動，從而增加焊縫寬度。針對平焊、立焊和橫焊位置進行的厚板長直焊縫機器人焊接樣件如圖7所示。基于優化后的機器人焊接工藝方案，利用盾體機器人焊接工作站實現了盾體結構焊接拼裝及預制零部件焊接組裝等的機器人焊接生產（見圖8）。

圖7 厚板長直焊縫焊接樣件

圖8 盾體焊接總貌

4 結束語

1）針對盾構機零部件種類多、結構復雜以及非標性等特點，通過總結分類，設計開發了盾構機小型零部件機器人焊接工作站以及盾體機器人焊接工作站，從而構成了盾構機零部件機器人焊接系統。

2）開發了滿足不同焊接位置的機器人焊接工藝方案，這為盾構機零部件的焊接自動化及智能化焊接生產打下了良好的基礎。