免示教六軸焊接機器人在輸電線路鐵塔塔腳焊接中的應用

陳浩， 毛敏， 楊豐全， 包林波, 尚旭冉， 馮明

(1.江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213000；2.上海新時達機器人有限公司，上海 201800)

0 前言

電力建設是國家經濟運行的基礎，而作為電力建設基礎設施的輸電線路鐵塔，其加工優質、高效與否對電力建設的影響舉足輕重[1]。隨著中電網建設規模的不斷擴展和輸送的及的不斷增加，鐵塔塔腳加工批量增長與工期的縮短是的企業原有焊工隊伍已不能滿足現有生產需求，疊加今年焊工資源日趨緊張，對塔腳焊接向自動、智能化的焊接機器人發展提出了緊迫要求[2-7]。近年來，文中公司及國內先進鐵塔制造企業嘗試使用編程示教焊接機器人及拖曳示教塔腳焊接專機，一定程度上提高了塔腳加工、焊接質量和自動化程度。但面對非標準化的塔腳結構，示教編程時間長，嚴重影響生產效率；拖曳示教塔腳焊接專機一次拖曳示教一條焊縫，而塔腳共有12條焊縫，亦影響生產效率。

經過文中兩家公司合作研發應用，新一代免示教六軸塔腳焊接機器人，針對塔腳工件內置三維建模、配合激光視覺達到了免示教自動識別焊縫尋位焊接的功能。

文中針對輸電線路塔腳進行了免示教六軸塔腳焊接機器人全自動GMAW焊接試驗。開展了焊后變形、焊縫外觀、焊縫尺寸檢驗，并對免示教六軸塔腳焊接機器人生產效率與手工焊進行了對比分析。

1 免示教六軸焊接機器人簡介

目前焊接機器人在焊接前必須進行機器人示教作業，即由操作者引導焊接機器人一步一步按實際任務操作一遍，焊接機器人在引導過程中自動記憶示教的每個動作位置、姿態、運動參數和工藝參數等，并自動生成一個連續執行程序，在完成示教后，啟動焊接程序，焊接機器人將精準地按示教動作一步一步完成全部操作。

免示教六軸焊接機器人專為塔腳焊接應用場景開發，免去了繁瑣的示教過程，可以大幅提升了非標準塔腳工件的生產效率。由六軸焊機機器人、視覺激光器、一套帶夾具的兩軸變位機、焊接系統、電氣控制系統、觸摸顯示屏等主要部件組成。

將拼裝好的工件放至變位機夾具平臺，通過觸摸顯示屏，輸入塔腳規格尺寸生成預覽模型如圖1所示；

圖1 機器人參數輸入示意圖

輸入焊接工藝參數，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、擺動幅值(擺幅)、收弧停留時長等。最后，激光傳感器識別焊縫起始位置及終點位置，機器人根據輸入的參數自動進行多層多道焊接，并實時顯示和記錄實際焊接參數如圖2所示。整個參數輸入時間約3～5 min，即可開始焊接。

圖2 機器人實時信息顯示界面

2 應用試驗

塔腳試件主要由底板、主靴板、副靴板拼裝點焊而成，如圖3所示。塔腳工件，母材為Q355B，焊接填充材料為φ1.2 mm的ER50-6型實心焊絲。化學成分見表1，焊接保護氣體為80%Ar+20%CO2。

圖3 塔腳工件示意圖

表1 塔腳母材與焊接材料化學成分(質量分數，%)

通過機器人觸摸屏輸入焊接工藝參數如圖2所示。建立塔腳焊接信息數據庫，后續相近規格塔腳可以直接調用或參數微調。機器人對于參數配方能夠保存并通過USB存儲介質導出EXCEL表格為以后工藝參數做參考，同樣也能夠預先在EXCEL中編輯好的參數表直接導入焊接機器人系統中，焊接工藝參數輸入示意見表2。

為控制焊接變形，以免影響后期輸電鐵塔安裝，塔腳焊縫焊接順序如圖4所示，按照1至12的順序，先焊接安裝角鋼主材處的平焊縫(序號1)以減少焊縫變形對安裝的影響。針對不同塔型的塔腳，諸如單拼、雙拼平焊縫數量位置的不同，可對焊接順序進行調整。

表2 焊接工藝參數輸入

圖4 塔腳焊接示意圖

3 試驗工件檢驗

3.1 焊接變形檢驗

塔腳焊接后會產生變形，影響安裝質量。在焊接前，通過在平焊縫位置點焊短頭角鋼來減少焊接變形，同時平焊縫所在象限為后期角鋼主材安裝位置，可最大程度的減少焊接變形對后期安裝的影響。

以2種規格塔腳工件開展焊接變形試驗，工件1底板規格640 mm×640 mm，底板厚50 mm，靴板厚度16 mm；工件2底板規格600 mm×600 mm，底板厚50 mm，靴板厚度24 mm，各4只塔腳焊接后變形見表3。由表4可見，免示教六軸焊接機器人焊接工件，安裝角鋼主材的平焊縫位置的焊接變形量控制在0.4°以內，滿足特高壓及一般輸電線路工程鐵塔加工技術要求。此外，六軸機器人與人工相比，可消除人為變量，使整體焊接變形更穩定。

表3 機器人焊接變形試驗塔腳工件規格

表4 2組塔腳工件機器人焊接變形量 (°)

3.2 焊縫外觀質量

對比機器人焊接(圖5a)和手工焊接(圖5b)焊縫外觀質量。可以明顯看出，機器人焊接比手工焊接質量更加穩定，焊縫外觀呈現均勻的魚鱗紋、成形好，焊縫與基體金屬間圓滑過渡，焊縫筆直。而手工焊接焊縫整體直線度相對較差，存在少量咬邊的情況。

圖5 焊接機器人和手工焊縫外觀

3.3 焊縫尺寸檢驗

根據GB/T 2694—2018《輸電線路鐵塔制造技術條件》標準中表8(角焊縫外形尺寸允許偏差)的要求并結合一般輸電線路工程鐵塔加工技術規范，要求焊腳尺寸hf≥靴板厚度。通過設置合適的焊接工藝參數，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、擺幅、停留時間。檢測多組規格塔腳焊縫尺寸見表5，焊縫尺寸允許偏差均能滿足要求。

表5 機器人焊接多種規格塔腳的焊腳尺寸

4 免示教六軸焊接機器人意義及生產效率

4.1 意義

示教控制是機器人在焊接結構偏差極小的批量工件時的一種常用形式。但是對構件形體差異大、批量較小，采用示教跟蹤的方式會占用操作者大量的使用時間，造成機器人工作效率達不到預期要求或者頻繁示教容易出現精度下降[8]，這點在鐵塔塔腳焊接尤為明顯。

免示教的意義及特點就在于克服了塔腳工件品種多、批量小、工藝復雜等制約自動焊接設備應用的難題，在面對多塔型、多規格塔角時，免去示教的人工操作，大幅提升了生產效率。

4.2 生產效率

對比1臺免示教六軸焊接機器人與1個焊工手工焊接不同規格塔腳的生產效率，見表6和圖6。5號塔腳520 mm×520 mm×540 mm,6號塔腳640 mm×640 mm×680 mm,7號塔腳652 mm×652 mm×680 mm,8號塔腳1 040 mm×1 040 mm×1 250 mm。從表6和圖6可以看出，塔腳規格較小時，由于機器人上下料、裝夾占用部分時間，導致機器人焊接時間與手工焊接相當。但隨著塔腳規格增大、靴板增厚，機器人相比手工焊接效率提升快速增加。

表6 機器人及手工焊接多種規格焊腳的焊接工時統計

圖6 焊接工效對比圖

免示教六軸焊接機器人在完成工件裝夾和參數輸入啟動焊接后，操作工在機器人自動焊接時，可以穿插對其他塔腳的加勁板焊接工作，進一步提升生產效率。從表6來看，1臺免示教六軸焊接機器人整體效率可大致相當于1.5名手工焊工。若采取1人雙控2臺免示教六軸焊接機器人的方式，效率還將提升。

5 結論

(1)經過應用試驗，免示教六軸焊接機器人可以高效、簡便的用于輸電線路鐵塔塔腳的焊接作業。克服了原先示教導致額示教頻繁、示教時間長、操作要求高的問題。

(2)基于免示教六軸焊接機器人焊接工藝，塔腳工件焊接變形、焊縫外觀及尺寸滿足技術要求。

(3)經試驗對比，免示教六軸焊接機器人較傳統手工焊接，焊接質量更高且更穩定，生產效率隨著塔腳規格增大大幅提高。

(4)免示教六軸焊接機器人的應用，為輸電線路鐵塔塔腳焊接自動化、智能化提供了切實可行的方案，將有效緩解焊工資源緊缺的難題。