基于参数化设计铁塔焊接机器人的工艺研究

邓新敏

（中电建武汉铁塔有限公司，武汉 430011）

输电线路电力铁塔是电力网络系统中重要的基本设施[1]。在电力铁塔加工制造过程中，为了保证施工现场中电力铁塔顺利安装，电力铁塔塔脚焊接行业目前有98%以上的企业是人工施焊，行业一直面临焊接工作量大、劳动强度高、成熟焊工招聘难以及等级焊缝达标率低的问题。此外，现有的自动化解决方案无法实现小批量多品种的塔脚自动焊接，大多数停留在示教编程阶段，对操作工人的要求较高。因此，研究塔脚的尺寸规律性，探索参数化编程的塔脚模型[2]，以期实现焊接机器人的自动定位。通过仿真模拟和方案优化，结合六轴焊接机器人构建塔脚自动化焊接解决方案，分析塔脚的结构和焊接工艺，可以减少人工编程示教，实现免编程、免示教，自动生成焊缝程序，提高塔脚焊接结构件的生产效率和产品质量，为输电线路施工和线路的可靠性提供理论和实验支撑，对电力铁塔焊接智能制造的推动具有重大意义，从而为类似工程项目建设提供参考。

1 行业现状

电力行业为国民经济的基础性支柱行业[1]。高压输电线路铁塔是输电线路的重要组成部分，其中输电线路铁塔的塔脚为整个输电线路铁塔结构的支撑部件，结构的稳定性直接决定输电线路铁塔的结构稳定性和使用寿命。输电线路铁塔塔脚为焊接组合件，大多采用手工电弧焊和半自动设备焊接装置焊接，生产效率较低，不能满足当前的生产需求，需要更加柔性化和智能化的生产方案。人工焊接塔脚实际场景，如图1所示。

塔脚结构体积较大，人工焊接时需要经常翻转，以保证焊缝位置位于船形位置以便施焊，但人工翻转的效率极低[3]。塔脚同时受焊接工人的焊接水平、焊接经验的影响，无法保证产量，且质量参差不齐。

结合塔脚产品模型研究和实际工况，确定六轴工业机器人和变位机、焊机、焊枪等设备的配合方案，建立塔脚焊接自动化生产设备的工艺规划仿真研究，包括机器人与设备布局优化、工序分配、设备使用率以及节拍优化等。研究塔脚焊接自动化工作站的关键技术主要包括焊接视觉寻位软件、多层多道焊接工艺包以及电弧跟踪工艺包，以便机器人方便快捷操作和保障人机安全等。

为了解决人工翻转难和劳动强度大的问题，企业开始研究专用机械的焊接自动化解决方案。图2为龙门结构的塔脚焊接装置。该设备通过自动翻转机自动翻转塔脚来降低焊工翻转工件的劳动强度。焊枪装在立柱上，由立柱、龙门导轨以及横梁等控制焊枪移动[4]。由人工进行示教编程焊接减小焊工的劳动强度。与传统手工焊接相比，龙门结构的塔脚焊接装置可以提高塔脚焊接的生产效率和焊缝成型质量，但是使用时依旧存在不足。

每个塔脚的每条焊缝都需要操作工进行示教编程。人员操作干涉较多且使用不便，增加了设备操作时间。同时，相关人员无法调节焊枪的倾斜角度，降低了焊接的灵活性。另外，龙门结构占地空间大，降低了焊接装置的使用范围。

为提高自动化程度，后续有公司开发了六轴焊接机器人配合双轴翻转变位机的焊接模式，可大大减小工作站占用的空间。采用接触寻位和电弧跟踪的方法可优化示教编程的步骤，且焊枪自由度高，能在焊接中调节焊枪的倾斜角度，缺点是每次更换不同尺寸的塔脚时需要进行编程示教，对工人的操作水平要求高，接触寻位速度慢且寻位精度不足。

2 塔脚自动化焊接模型建立

考虑实际情况，选取1 100 kV输电线路铁塔大焊接件（塔脚）进行研究，塔脚的二维模型和尺寸分别如图3～图7所示。

结合实际塔脚焊接情况，主要的焊缝集中在底板和腹板、底板和主板的8条焊缝以及腹板和主板的4条焊缝。这12条焊缝的焊接工作量大，所以以这里12条主焊缝为依据进行方案规划。

塔脚俯视示意图，如图8所示，将塔脚分为4个象限结构。从图8可以看出，主板和两块腹板将整个底板区域分为4个象限，由此得出如下规律：塔脚底板为正方形区域；塔脚底部Ⅱ象限和Ⅳ象限均为正方形区域；塔脚尺寸变化时，主板和腹板的交叉均为垂直90°；主板和腹板的高度一致、厚度一致。

首先，结合塔脚模型规律可将塔脚的尺寸参数信息输入触摸屏或机器人示教器，由工人测量塔脚参数[5]，之后输入机器人系统；其次，机器人控制器处理塔脚的尺寸参数；最后，对比最初存储的模板程序（根据某种标准塔脚尺寸预先设定），将新输入的塔脚尺寸信息与模板程序中的塔脚尺寸进行对比，根据偏差计算获得每条焊缝和之前的偏差位置。

塔脚模型中涉及的尺寸数据有主板、腹板1、腹板2以及底板的长宽高尺寸。但是，结合上述规律需要人工输入或测量的尺寸可以简化为5个，分别为底板厚度T1、底板宽度L1、塔脚高度H、主板的单侧分割宽度L2及主板厚度T2。由该5项参数可以计算塔脚的整个模型参数。当对应机器人坐标系时，定位通过主板和腹板在演算，所有焊缝的推算公式如下。

第Ⅰ象限中，主板和底板相交焊缝的长度等于底板宽度减去主板单侧分割宽度和主板厚度为

腹板1和底板相交焊缝的长度等于主板单侧的分割宽度为

第Ⅱ象限中，腹板1和底板相交焊缝长度等于主板单侧的分割宽度为

主板和底板相交焊缝长度等于主板单侧分割宽度为

第Ⅲ象限中，主板和底板相交焊缝长度等于主板单侧的分割宽度为

腹板2和底板相交焊缝的长度等于底板宽度减去主板单侧分割宽度和主板厚度为

第Ⅳ象限中，主板和底板相交焊缝长度等于底板宽度减去主板单侧分割宽度和主板厚度为

腹板2和底板相交焊缝的长度等于底板宽度减去主板单侧分割宽度和主板厚度为

另外，主板和两块腹板的相交焊缝长度均为塔脚高度H。

由公式可以计算得出所有塔脚焊缝的相对位置关系和长度尺寸关系，所以在用户输入界面可以设置5个输入参数。塔脚尺寸和规格输入界面，如图9所示。

3 结语

基于参数化设计研究了铁塔焊接机器人的工艺。焊接机器人可以通过示教或者编程的方式适应不同的工况，尤其适用于小批量生产，实现生产线的柔性化。另外，依靠焊接机器人的优势开发了一种自动化程度高、免编程示教的一体化焊接装置，工作站占地面积小、集成度高，通过参数输入方法替代人工示教编程，增加了操作的方便性。