机器人在接头热处理生产线中的应用

岳 鹏，李志昊，刘一芳，杨勇平

（1.中国石油渤海石油装备制造有限公司钻井装备公司，河北沧州 062658；2.中国石油渤海石油装备制造有限公司第一机械厂，河北沧州 062658）

0 引言

钻杆接头是连接钻柱的关键部件，其质量、寿命对于钻探（钻井）的施工效率、质量、成本起着举足轻重的作用。当前国内外钻杆接头的生产普遍采用棒料锻压成型生产毛坯件，通过机加工完成毛坯件的外形轮廓精整处理，再由热处理炉完成钻杆接头的机械性能调质处理，最后由机床进行内外螺纹的精加工，及钻杆接头成型交付后续工序。

如图1 所示，本系统以接头热处理工序为研究对象，接头热处理工序由淬火炉、回火炉、热处理炉自动搬送线、硬度机、磁粉探伤、检查台、上卸料工作台及外围防护装置组成，通过2 台KUKA 机器人实现了钻杆接头热处理区域的全程自动化生产，既提高了生产效率，降低了工人劳动强度，又实现了生产信息跟踪记录，提高了企业的综合竞争力。

图1 接头热处理生产线布局

1 工艺流程

钻杆接头按既定规则整齐码放在接头料筐内，料筐准确就位于上料区。由机器人搬送系统将料筐内待热处理接头搬送至热处理炉输送线上的托盘内，热处理炉输送装置将托盘内装载的接头依次进行淬火加热、淬火冷却、回火加热。机器人再将热处理后的接头搬送至检测工序，对每一个接头进行硬度、内外表面磁粉探伤检查。由机器人搬送系统将不合格接头挑出放置在待处理区域，将检测合格的接头从探伤工序取送至成品料筐内码放。

2 机器人搬送系统

热处理炉上料时，1#机器人将接头从料筐取料放到搬送带进料托盘上，接头从热处理炉出来后，1#机器人将接头从搬送带出料托盘上取料放到中转台，有批量产品硬度不合格时放到成批不合格放置区；2#机器人将接头从中转台放到硬度机上进行接头硬度检测，按硬度机的工作流程完成动作要求，把不合格的接头抓取到不合格品区，合格的接头从硬度机放到磁粉探伤搬送带上进入磁粉探伤。探伤合格接头由成品输送辊道放到成品下料筐内，不合格的接头抓取到不合格品区。机器人系统布局如图2 所示。

图2 机器人搬送系统布局

3 接头描述及码放规则

为了配合机器人系统的自动化运行，接头的物料摆放形式及硬度测试点的位置需要进行规范的约束。钻杆接头分成公接头、母接头两大类。机器人系统根据不同规格接头尺寸及码放规则，计算接头取料点、码放点的空间位置坐标。如图3 所示，同时计算出2 个硬度测试点的空间坐标位置，最终完成整线的自动化运行。

图3 公母接头硬度检测点

所有送往热处理的公、母钻杆接头均为梯形装载形式，使用带工件定位挡板的料筐承载。排列工具接头时，第1、2 列工具接头之间保留20 mm 间隔。接头在料筐内的摆放方式如图4所示。

图4 料筐摆放规则

4 区域设备协作

本条生产线是实现钻杆接头热处理并在线检测的自动化流水系统，机器人起周转物流自动化的关键作用。机器人系统与加热炉、硬度机、磁粉探伤设备的互相协作至关重要。

4.1 与加热炉输送辊道相互配合

热处理炉输送辊道要预留进出炉托盘的存放空间，托盘输送辊道要有专门的工件上料下料托盘定位装置，且托盘的重复定位精度水平面内X、Y 方向不超±5 mm，托盘上的工件保持竖直方向，不允许倾斜。托盘是否到位及托盘上是否有无工件要有信号通知机器人系统，并且机器人上完料后，机器人发出上料完成信号后，输送辊道才能动作。机器人系统与加热炉使用CCLink（Control &Communication Link，控制与通信链路系统）工业网络进行信号交互通信（表1）。

表1 机器人系统与加热炉通信信号

4.2 与硬度机设备互相配合

硬度检测设备同机器人动作配合的动作顺序由上位机控制，避免机器人或硬度机损坏。机器人系统与硬度机检测上位机采用I/O 信号通信，机器人采用预约方式同硬度机配合，硬度机对接头测试后，通过上位机将检测结果给机器人发出相应的执行信号，如图5 所示。同时机器人根据硬度机上位机判断工件是否合格的结果，选择直接卸下不合格的工件或搬送至磁粉探伤工序。硬度机检测设备配有标准V 板，接头可由机器人在V 板上轴向推动20 mm，以便于2 个硬度点的检测。

图5 硬度机与机器人配合工作流程

4.3 与磁粉探伤设备互相配合

磁粉探伤输送辊道上料位及下料位有缓存工位，上下料端均采用V 形块式定位方式，并且有检测信号。机器人与磁粉探伤采用I/O 通信方式（表2）。磁粉探伤输送线上料端，通过判断V 形块定位端的非接触及接触双传感器检测工件有无信号，结合硬度机合格与否判断结果，直接从硬度机上的V 形块转运过来；而下料端不仅判断预留缓冲空间的有无物料检测传感信号，而且下料端V 形块定位端也判断工件有无信号，采用机器人下料方式。当磁粉探伤输送线采用手动操作方式时，2#机器人不能自动动作，避免对操作人员或设备造成损坏。

表2 机器人系统与磁粉探伤设备通信信号

5 安全防护

安全性是机器人系统的一项重要指标，本方案在制定规划时充分考虑了安全因素，具体安全防护措施如图6 所示。

图6 机器人搬送系统现场照片

（1）机器人工作站周围应设有安全围栏和安全门。围栏由立柱和钢丝网构成，并设有安全锁，防止系统运转时人员违规进入。工作站外围应设有系统运转状态指示灯用于系统监控并在适当位置加上醒目的警示牌，如“设备运行时请勿入内”。

（2）叉车搬运托盘的入口处设置了安全光幕。上料时，人工可以屏蔽掉安全光幕，同时使蜂鸣系统工作；确保上料过程中，机器人还能正常工作；上料完毕，人工开启安全光幕，确保其他人员的违规进入。其他不经常搬运的出入口，设置了维护门，门上设安全开关锁。

6 结束语

机器人搬送系统实现了钻杆接头热处理区域热处理炉、硬度机、磁粉探伤设备的生产流程自动化，既提高了生产效率，也实现了生产信息、产品质量信息的实时跟踪记录。操作人员的劳动强度大幅降低，经济效益显著。