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基於 KUKA 弧焊機器人的盾構機關鍵（jiàn）部件焊接工作站

2017-12-6 來源：中國鐵建北京石油化工庫卡機器人作者：孫章龍（lóng）黃繼強楊（yáng）列峰（fēng）薛龍黃軍芬等

摘要（yào）：針（zhēn）對盾構機關鍵（jiàn）零部件的焊接特點，基於 KUKA 弧焊機器人研製了自動化（huà）焊接工作站。利用焊接機器人接觸（chù）尋位（wèi）、多層多（duō）道焊和電弧跟（gēn）蹤等（děng）功能實現盾構機聯體刀座工件的自動焊接。焊接實（shí）驗結果表明，所研製的盾構機關鍵零部件焊接工作站能夠滿足（zú）離散（sàn）製造企業的零部件小批量自動化（huà）焊接生產。

關鍵詞：盾構機；弧焊機器人（rén）；電弧傳感跟蹤；接觸尋位；多層多道焊

0 前言

盾構機刀盤是（shì）盾構機的核心部件，因（yīn）其工作環境惡（è）劣，受力情況複（fù）雜，對其設計和製造加工過程有較高的要求[1]。刀箱、刀座是（shì）刀盤上安裝滾刀的關鍵部件，一般采（cǎi）用厚板拚接組焊而成（chéng），焊接工序（xù）是其加工的關鍵工序，焊接工作量大，但因為盾（dùn）構機為非（fēi）標定製產品（pǐn），難以形（xíng）成（chéng）流水式生（shēng）產作業模式。國內盾構機製造廠家在處理此類產品時還是采用（yòng）手（shǒu）工生產作業，焊工勞動強度大，焊接質量一致性差，同時伴（bàn）隨（suí）著熟練焊工數量逐年減少，給盾構機廠家提出了較大的挑戰（zhàn）。

本研（yán）究以 KUKA 弧焊機器人為基礎，開發盾構機刀箱、刀座（zuò）焊接工作站，以期探索盾構機等類似行業部件（jiàn）製造新（xīn）模式，推進離散製造企業自動化、智能化水平的提升。

1、焊接工作站係統構成

刀箱、刀座多為箱形部件，由厚板拚接而成（chéng），采用熔化極氣體保護焊方法，需要進行多層（céng）多道焊接，同（tóng）時為了減小變形，盡可能對稱焊接[2-3]，工件在焊接加工過程中需要反複變換空間位置。

根據刀箱、刀座焊接加工特點（diǎn）和要求，焊接工作站采用六軸（zhóu）關節機器人配合移動（dòng）導軌和（hé）旋轉變位機（jī）組合協同方案。機器人（rén）采用 KUKA 5 arc 型六軸弧焊機器人，其最大臂展 1.41 m①，不能直（zhí）接用於較大部件的焊（hàn）接，通過搭載移動導軌擴大機器人焊接工作範圍，以適應不同大小工件的（de）自動化焊接；旋轉（zhuǎn）變位機夾持待焊工件，並可帶動工件 0～360°旋轉，為機器人焊接創造合適的空間位置。六軸機器人、移動導（dǎo）軌和旋轉變位機的各驅動軸可以協同（tóng）聯動，方便弧（hú）焊機器人統一編程、協同作業。

刀箱、刀座焊接工作站布置如圖（tú） 1 所示。

圖 1 焊接機器人工作站

2、焊接關鍵技術

2.1 焊接工序（xù）

以（yǐ）聯體刀座焊接為（wéi）例，因（yīn）涉及厚板焊接，在考慮對稱施焊的同時，需（xū）要將厚板多層多（duō）道（dào）焊接技術、機器人離線編程技術等技術相結合（hé）完成工件施焊。如圖 2所示，借助離（lí）線編程技術，焊接機（jī）器人先（xiān）行完成 1～12 打底焊縫及 26/27/30/31/34/ 35/38/39/42/43/46/47 角焊縫第一道。完成後，利用旋轉變位機搭載工（gōng）件旋轉 180°後（hòu），再借助離線編程技術和多層多道焊接技術（shù）按照順序完成（chéng） 13～24 焊縫（féng）以（yǐ）及 25/28/29/32/33/37/40/41/44/45/48 角焊縫的焊接（jiē）。

然後，變（biàn）位機再反向旋轉 180°，工件位置恢複到初始位置，機器人再按順（shùn）序焊完 1～12 焊縫及 26/27/30/31/34/35/38/39/42/43/46/47 角焊（hàn）縫剩下的焊道，從而減小刀座焊接施工中產生（shēng）的變形量和焊接應力。

圖 2 聯體（tǐ）刀（dāo）座（zuò）的焊接順（shùn）序

2.2 接觸（chù）尋位

盾構機（jī）刀座等部件由多個零件拚裝而成（chéng），因拚裝誤差等原因，每個部件的焊（hàn）道可能會存在差異，不能（néng）直接調（diào）用（yòng）已編好的程序進行焊接，在焊（hàn）接前需要通過接觸（chù）尋位來獲得當前焊（hàn）縫的信息，以實現自動焊接。

焊（hàn）接（jiē）機（jī）器人（rén）的接觸尋位通過機器人在焊（hàn）絲上疊加一個 24 V 信號，當焊絲接觸到工（gōng）件，則通過焊絲形成（chéng）電流回路，通過傳感器發（fā）送回機器人，機器人記錄下焊絲（sī）與工件（jiàn）接觸時所處點的位置。

重複動作（zuò）使機器人在一個平麵上獲取三點（不在同一條直線上），就能獲得工件平麵的坐標位置，同（tóng）樣利（lì）用接觸尋位的傳感方式，可獲得待焊坡口位置（zhì）、方向和起（qǐ）始（shǐ）點，方便機器人自動搜尋焊縫位置並進行自動焊接。

2.3 多層（céng）多道焊

盾構機的許多零部件（jiàn）均是由厚板拚接而成，由於材質和焊接質量等要求，不能采用效率（lǜ）較高的埋弧焊，通常采用熔化極氣體保護焊，在（zài）單個（gè）焊縫實施多（duō）層多（duō）道焊接。

手工進行多層多道焊接時，需要基於焊工（gōng）的經驗（yàn）規劃焊道並保持合適的焊槍位姿。機器人進行（háng）多層多道焊（hàn）時，關鍵也是要保（bǎo）證合理的焊道規（guī）劃和合適的焊槍位姿（zī）。

本研究基（jī）於KUKA弧焊（hàn）機器人提供（gòng）的多層多道焊軟件包 KUKA.Multi-Layer 工藝程序包，以根部焊道軌跡為基礎，通過編程的偏移量計算出新的焊道軌跡，並根據坡口形式

優化（huà）焊接機器人的位姿。

基於 KUKA.Multi Layer 工（gōng）藝程序包編寫的一段自動完成兩道焊縫焊接的程序如下。

2.4 電弧（hú）傳感跟蹤

盾構機零部件在加工、裝配過程中的尺寸誤差，位（wèi）置偏差以及工件加熱變（biàn）形（xíng）等因素會造成接頭位置偏離示教路徑，有時需修（xiū）正原有的軌跡。KUKA 提供的 Arc Sense 工藝程序包借助電弧傳感提供焊縫高低和左右信息，修正原來示教軌（guǐ）跡以適應工件（jiàn）實際焊接需求（qiú）。Arc Sense 通過焊接過程中電流變化獲得實際焊接過程中電弧的變化記錄，結合焊槍的（de）擺動可以確定和糾正其與（yǔ）實際軌（guǐ）跡中心（xīn）的偏差（chà）。電弧跟蹤框圖如（rú）圖 3 所示

3 、焊接實驗

采用研製的焊接工作站進行聯體刀座的（de）實際焊接，采用交替焊接順序進行對稱施焊，利用接（jiē）觸尋位技（jì）術初始定位，將電（diàn）弧跟蹤和（hé）多層（céng）多道自動焊技術相結合，完成一個五聯體刀座的焊接，焊（hàn）接完成的（de）工件如圖 4 所示。

實（shí）驗證明，開發的焊接工作站係統能夠滿足相對複雜的工件多焊縫、多層多道對稱（chēng）施焊。同時配合不（bú）同的安裝卡具，焊接工作站可以進行（háng）其他種類（lèi）工件的自動化焊接，從（cóng）而適應離散製造（zào）企業進行零部（bù）件小批量自動化焊接生產（chǎn）的需求。

圖 4 拚焊完成的聯體刀座

4 、結論

（1）針（zhēn）對盾構機（jī）關（guān）鍵零部件（jiàn）的焊接特點，以KUKA弧焊機器人為核（hé）心，研（yán）製出盾構機（jī）零部件自動（dòng）化焊接工作站。

（2）利用焊接機器人接觸尋位、多層多道焊和電弧（hú）跟蹤等功（gōng）能實（shí）現盾構機（jī）聯體刀座工件的自動焊接，驗證了所研製的盾構機（jī）關（guān）鍵零部件焊接（jiē）工作站能夠滿足離散製造企業（yè）的零部件小批（pī）量自動化焊接生產。

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