盾构机零部件机器人焊接系统及工艺设计与开发

2020-11-04胡绳荪申俊琦王志江杨辉吴定勇

金属加工(热加工) 2020年9期

关键词：变位工作站盾构

胡绳荪，申俊琦，王志江，杨辉，吴定勇

1.天津大学材料科学与工程学院天津 300054

2.天津大学天津市现代连接技术重点实验天津 300354

3.中交天和机械设备制造有限公司江苏苏州 215557

1 序言

盾构机号称“工程机械之王”，是集机、电、光、液、通信和控制等技术于一身的先进智能化大型工程装备[1]。使用盾构机修建隧道，具有高度自动化、施工污染小、人力资源占用少、施工效率高及受气候影响小等许多优点[2]。目前，盾构机已经广泛应用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道和市政隧道等各类工程建设中[3]。

盾构机主要由刀盘、盾体、螺旋输送机及管片拼装机等多个部件组成。其中，盾体是一个钢结构圆柱体组件，由前、中、尾三部分组成；作为盾构机的核心部件，其主要作用是支撑新挖的尚未衬砌的隧洞段[4]。

由于盾构机零部件均具有较大的板厚，因此通常需要使用多层多道焊接进行制造。而目前国内盾构机部件的焊接生产多采用手工药芯焊丝气体保护半自动焊接，生产效率低，是盾构机生产的瓶颈之一[5]。因此，如何实现盾构机零部件焊接生产的自动化，成为盾构机生产制造中亟待解决的一个关键问题。

焊接自动化是将自动化与智能化控制系统、焊接胎夹具与装夹定位、运动系统三部分有机集成，实现高效率、高品质、低成本的焊接生产[6]。从形式上，焊接自动化主要分为焊接专机及焊接机器人[7]。由于盾构机零部件种类繁多且结构较为复杂，例如，盾体中的盾就由刀箱、二联刀箱、三联刀箱、吊耳、撑靴、车轮架、止转装置安装座、铰链液压缸及铰链液压缸支撑底座等多个零部件焊接而成，因此使用柔性化焊接机器人实现盾构机零部件的焊接自动化生产成为首选。

焊接机器人作为工业机器人在各行业的应用最为典型的代表之一，在各国投入使用的工业机器人中所占比例高达40%～60%[8]。使用焊接机器人进行焊接生产，不仅能够提高生产效率和焊接质量，同时还可以在很大程度上改善焊工的工作环境，减轻焊工劳动强度，并可以适当降低对焊工的焊接操作技术要求。

为了适应不同的隧道地质条件，盾构机设计时均采用针对性设计，从而使得盾构机零部件不仅形状、尺寸、质量差异较大，而且结构形式也有较大不同。为了完成多样化的生产任务，如何将盾构机零部件合理归类并建立与之对应的焊接机器人工作站，以尽可能地提高焊接工作站的柔性水平成为盾构机机器人焊接工作站设计的关键问题之一。同时，由于盾构机构件通常由厚板构成，因此制定合理的焊接工艺是需要解决的另一个关键问题。

2 盾构机零部件焊接机器人工作站设计

由于盾构机中的零部件种类繁多、结构复杂，故很难使用单一的机器人焊接工作站来满足所有零部件的焊接需求。因此，可以将盾体内零部件按照尺寸、结构、质量等特征进行分类，在相应的零部件焊接工作站进行焊接生产。此时，各个零部件焊接工作站完成盾体零部件的预制工作，可减小盾体拼焊与组装工作站的编程量，同时解决原位拼装时难以避免的可达性问题；而盾体拼焊与组装工作站主要进行盾体中环体的横缝和纵缝的焊接，并组装焊接预制的零部件。两类机器人焊接工作站具有不同的功能，发挥不同作用，可以使盾构机零部件的机器人焊接更加方便可行，从而提高焊接生产效率[9]。

因此，针对盾构机中不同零部件的焊接自动化生产需求，在机器人焊接工作站设计中需使用变位机，以实现零部件的机器人焊接以及机器人的大范围移动，从而实现盾构机盾体拼焊与组装的机器人焊接。

2.1 零部件机器人焊接工作站设计

根据对盾构机零部件的分析，初步设计了相应的零部件机器人焊接工作站。该类机器人焊接工作站主要由变位机、立柱支架、焊接机器人、焊机及控制柜等组成。

（1）机器人选用选用KUKA公司生产的最大负载为5kg的KR 5 arc型6轴关节式机器人，机器人倒挂在立柱支架的横梁上，从而节省占地面积并方便地面物件的流动。

（2）变位机选用选用双轴变位机，位于机器人的前下方。变位机翻转轴固定在底座的侧立柱上，此轴用于实现变位机转支架的翻转运动；变位机旋转轴固定在变位机转支架上，此轴用于实现变位机转盘的旋转运动。变位机可以通过两变位轴的运动带动待焊工件至合适的焊接位置进行焊接，这样增加了机器人工作空间与工件位置的协调配合性，从而可以减小焊接工艺难度，提高焊接质量。

（3）承载能力设计通过对盾构机小型零部件的分析与归类，分别设计了承载能力为1t的机器人焊接工作站以及承载能力为2t的机器人焊接工作站。对于承载能力为2t的机器人焊接工作站，增加了机器人沿立柱上下移动的自由度，从而可更好地满足此工作站内零部件的焊接自动化生产需求。两种承载能力的小型零部件机器人焊接工作站的设计模型如图1、图2所示。

图1 承载能力为1t的小型零部件机器人焊接工作站模型

图2 承载能力为2t的小型零部件机器人焊接工作站模型

（4）机器人外部机械结构模拟在完成零部件机器人焊接工作站的初步设计之后，进行了机器人外部机械结构模拟，从而解决机械结构设计问题。工作站设备相对位置模拟，可解决工作站布局安装问题；焊接可达性模拟，可解决焊缝焊接位置、焊枪可达性等问题。特别是当机器人焊接工作站结构及布局确定之后，针对不同零部件的焊接可达性进行模拟，对于指导实际机器人焊接生产，提出可提高机器人焊接可达性方法具有重要的意义。实际承载能力分别为1t、2t的零部件机器人焊接工作站如图3所示。

图3 零部件机器人焊接工作站

2.2 盾体机器人焊接工作站设计

因为盾体质量大、体积大，不易采用变位机构使其运动，故以盾体固定、机器人运动的方式设计了C形构架移动式盾体机器人焊接工作站。该机器人工作站由两套机器人系统组成，每套机器人系统由C形机械结构、机器人、弧焊机以及地轨等组成。机器人具有9个自由度，可以实现盾体（圆筒形）直缝、环缝的自动焊接。两套机器人可以进行协调控制，构成盾体的机器人焊接系统。如前所述，利用初步设计的C形构架移动式机器人焊接工作站模型，进行了相应的机械结构模拟、设备相对位置模拟、焊接可达性模拟等，最终确定了该机器人焊接工作站的实际尺寸与布局，如图4所示。

图4 C形构架移动式盾体机器人焊接工作站

整个盾构机零部件机器人焊接系统由两套承载能力为1t的小型零部件机器人焊接工作站、3套承载能力为2t的小型零部件机器人焊接工作站和1套C形构架移动式盾体机器人（两套机器人焊接系统）焊接工作站组成，如图5所示。

图5 盾构机零部件机器人焊接系统

3 焊接工艺开发

采用机器人对盾构机复杂构件进行焊接时，通常由于构件结构空间狭窄导致焊枪无法到达坡口的根部，尤其是根焊。例如，盾构机中的车轮架和止转装置安装座结构中采用大量单V形45°坡口，其坡口尺寸通常超过20mm。通过对尺寸为22mm的坡口进行实际的焊枪可达性试验，发现此时焊丝的干伸长达到了22mm。焊枪干伸长的增加必然使焊接电流出现下降，从而影响到焊缝质量。

因此，对于盾构机构件的焊接尤其是根焊，采用能够根据干伸长变化实时调整焊接参数变化的焊机显得尤为重要。通过结合机器人自动化焊接，一方面省去了极大的人力消耗，另一方面可以针对干伸长变化及时修整焊接参数，可有效解决焊接过程中的熔深变化问题。

针对上述盾构机构件机器人厚板焊接存在的问题，进行了基于脉冲多重控制（Pulse Multi Control，PMC）电弧工艺及其恒熔深控制的机器人自动焊接工艺开发，并就实际构件进行焊接试验。所设计开发的盾构机零部件的焊接均采用福尼斯TPS 500i焊接电源、规格为φ1.0mm的ER50-6焊丝以及混合保护气（80%Ar+20%CO2，气体流速为20L/min）进行实芯焊丝熔化极气体保护焊焊接工艺研究。

基于前期厚板焊接工艺探索试验结果，对于零部件中平焊与横焊位置的焊接，分别采用了PMC焊接工艺中的通用特性（Universal）、脉冲控制喷射（Pulse Controlled Spray，PCS）以及电弧推力（Dynamic）三种工艺进行了对比探究；而对于零部件中的立焊位置焊接，则分别采用了PMC焊接工艺中的通用特性（Universal）与混合特性（Mix）两种工艺进行了对比研究。结果表明，对于盾构机关键零部件的机器人焊接生产，采用Dynamic（打底）+Universal（填充、盖面）工艺进行多层多道平焊；采用Dynamic（打底）+PCS（填充、盖面）工艺进行多层多道横焊；采用Mix工艺进行多层多道立焊，焊后零部件的焊缝成形良好，无未熔合及咬边等焊接缺陷，可以满足实际焊接需求[10]。利用所制定的机器人工艺获得的盾构机典型零部件焊接样件如图6所示。

图6 盾构机典型零部件焊接样件

在进行盾体纵缝和环缝拼装和组装焊接过程中，由于板厚较大，坡口较宽，因此在上述焊接工艺的基础上，增加了机器人的摆动，从而增加焊缝宽度。针对平焊、立焊和横焊位置进行的厚板长直焊缝机器人焊接样件如图7所示。基于优化后的机器人焊接工艺方案，利用盾体机器人焊接工作站实现了盾体结构焊接拼装及预制零部件焊接组装等的机器人焊接生产（见图8）。