一種分離器馬鞍機器人切割焊接系統設計

馮清華

（廈門聚行智能科技有限公司，福建 廈門 361021）

當前，隨著勞動生產工人的短缺，在生產領域尤其是高安全風險崗位迫切需要開展機器換人工作，實現生產自動化，解決人員不足和勞動生產率較低等問題。在現代石油開采過程中，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，工序之間轉移采用天車或者叉車等傳統物流方式。采用傳統方式轉移物料需要大量人力配合才能完成作業流程，存在費時、費力、效率低等缺點，而且存在極大的安全隱患；工人工作環境惡劣、焊接質量及生產效率低下限制了行業的規模化發展。

由于切割及焊接對象筒體是壓力容器重要部件，焊接質量對壓力容器尤為重要。筒體及管座存在工件體型大、質量重、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作業水平，焊接專業人才人力成本較高。

傳統的手工焊接方法無論是焊接質量的一致性，還是焊接效率及其安全可靠性上均不能滿足作業需求，而加強板及接管物料輸送物流技術、傳感器圓周定位技術、激光掃描技術、物料定位點焊技術、機器人自動焊接技術等技術已較為成熟，可以應用于石油裝備行業的分離器切割、組對、焊接環節，從而大大提高生產效率及自動化程度，保證生產環境安全，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結構概述

分離器馬鞍機器人切割焊接系統裝置如圖1所示，包括多條軌道、PLC 控制系統、上料點焊升降機構、滾輪架變位機、鞍座自動組對工裝、機器人切割焊接機構及輸送車、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立體結構示意圖

該新型焊接系統設計目的是提供一種筒體管座切割組對焊接裝置，實現對筒體管座自動切割、組對、焊接，提高生產效率及自動化程度，保證生產環境安全。

2 分離器馬鞍機器人切割焊接系統特征分析

該新型設計的特征如下：包括PLC 控制系統、上料點焊升降機構、滾輪架變位機、鞍座自動組對工裝及機器人切割焊接機構；滾輪架變位機、上料點焊升降機構、鞍座自動組對工裝及機器人切割焊接機構分別在不同軌道上行走，軌道設置在地面上；工件筒體管座置于滾輪架變位機上，機器人切割焊接機構位于工件筒體管座一側，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跨越在工件筒體管座上；PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構由人工對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定，PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統控制滾輪架變位機轉動工件筒體管座，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、載人觀察平臺、伸縮機構及控制系統。小車架體在軌道上行走，載人觀察平臺借助升降機構在小車架體上運行，載人觀察平臺通過伸縮機構在升降機構上平移，控制系統控制升降機構及伸縮機構動作。上料點焊升降機構包括機構架體、點焊升降平臺、平臺升降機構及手工焊機。機構架體在軌道上行走，點焊升降平臺通過平臺升降機構在機構架體上運行，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、升降平臺及夾緊機構。座體在軌道上行走，液壓機構安裝在座體中，升降平臺安裝在液壓機構上，夾緊機構安裝在升降平臺上，夾緊機構對工件筒體管座進行固定定位。

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

機構主體上安裝激光定位機構，激光定位機構與PLC 控制系統連接，形成焊接軌跡，還安裝著煙塵處理機構。

3 分離器馬鞍機器人切割焊接系統運行方式[3-5]

新型設計結構如圖2 所示，該系統的滾輪架變位機、上料點焊升降機構、鞍座自動組對工裝及機器人切割焊接機構分別在不同軌道上行走，軌道設置在地面上。工件筒體管座置于滾輪架變位機上，機器人切割焊接機構位于工件筒體管座一側，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跨越在工件筒體管座上。

圖2 新型設計結構圖

PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構由人工對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定，PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統控制滾輪架變位機轉動工件筒體管座，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。

該系統還包括可以升降載人的觀察小車，觀察小車的結構如圖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、載人觀察平臺、伸縮機構及控制系統。小車架體在軌道上行走，載人觀察平臺借助升降機構在小車架體上運行，且載人觀察平臺通過伸縮機構在升降機構上平移，控制系統控制升降機構及伸縮機構動作。

圖3 觀察小車的結構示意圖

上料點焊升降機構的上升狀態、降落狀態分別如圖4、圖5 所示。上料點焊升降機構包括機構架體、點焊升降平臺、平臺升降機構及手工焊機。機構架體在軌道上行走，點焊升降平臺通過平臺升降機構在機構架體上運行，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 上料點焊升降機構的上升狀態示意圖

圖5 上料點焊升降機構的降落狀態示意圖

鞍座自動組對工裝的結構如圖6 所示，鞍座自動組對工裝包括座體、液壓機構、升降平臺及夾緊機構；座體在軌道上行走，液壓機構安裝在座體中，升降平臺安裝在液壓機構上，而夾緊機構安裝在升降平臺上，夾緊機構對工件筒體管座進行固定定位。該夾緊機構為現有常規結構，此處不贅述。

圖6 鞍座自動組對工裝的結構示意圖

機器人切割焊接機構的結構如圖7 所示。機器人切割焊接機構包括可沿軸旋轉及軸升降的機構主體、切割機構（圖中未示出）、焊接機構及換槍機構，機構主體在軌道上沿軸行走，切割機構及焊接機構安裝在機構主體上，由換槍機構切換切割機構及焊接機構輪換工作。

圖7 機器人切割焊接機構的結構示意圖

同時，在機構主體上安裝激光定位機構，激光定位機構與PLC 控制系統連接，形成焊接軌跡。機構主體上還安裝有煙塵處理機構。輪架變位機為現有常規技術，通常用于筒體結構的焊接轉動，其具體結構此處不贅述。

新型PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構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 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統控制滾輪架變位機轉動工件筒體管座，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，實現對筒體管座自動切割、組對、焊接，提高生產效率及自動化程度，保證生產環境安全，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效果分析

采用新型分離器馬鞍機器人切割焊接系統后，新型PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行切割孔位，借助上料點焊升降機構由人工對工件筒體管座頂部配件進行點焊固定，PLC 控制系統控制機器人切割焊接機構對工件筒體管座進行焊接；PLC 控制系統控制滾輪架變位機轉動工件筒體管座，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，實現對筒體管座自動切割、組對、焊接，提高生產效率及自動化程度，保證生產環境安全，減輕焊接工人的勞動強度。

5 結語

新型分離器馬鞍機器人切割焊接系統的開發設計，在石油開采等工業生產中得到廣泛應用，實現促進生產自動化、提高生產效率、增強生產作業的安全性等良好效果，從而為生產活動產生更高的效益。當前的工業生產活動越來越向自動化、智能化方向發展，新的機器人技術被廣泛用于工作生產，逐步替代有生產風險的工作崗位，降低生產活動帶來的人身安全隱患，從而達到安全生產與人員保護的雙重目的。