管道自动焊接机器人控制系统研究

管道自动焊接机器人控制系统研究

陈志勇 张宁 陈雷

中石化皖能天然气有限公司 230031

濮阳中油工程管理有限公司 457001

中石化江苏油建工程有限公司 225100

摘要：随着石油工业的发展，管道自动焊接机器人已应用于石化管道焊接方面，由于传统的管道自动焊接机器人采用有刷直流电机、步进电机和交流伺服电机控制，而这3种电机具有易损坏，使用寿命短，速度响应慢，工作效率低等缺陷，使焊接质量不高，行走速度过渡不理想，且在管道自动焊接机器人带动焊接设备在轨道上沿焊缝方向进行焊接时，焊接机器人的轨道运动效果，直接影响焊接质量。因此，笔者结合无刷直流电机的优点设计了一套主控调速系统和随动响应系统结合的管道全位置焊接机器人行走控制系统。经验证，该系统在应用中具有良好的焊接机器人控制效果。本文主要分析管道自动焊接机器人控制系统。

关键词：管道焊接机器人；焊接路径；焊缝跟踪；焊接质量在线监测；人机共融

引言

随着科学技术的迅猛发展，我国制造业中的焊接工艺大量使用焊接机器人代替人工焊接。焊接机器人为智能化、自动化设备，其焊接的产品质量稳定，生产效率高，极大降低了工人劳动强度，在一定程度上加快了我国制造业高质量发展的步伐。虽然焊接机器人在工业生产中的大量使用给我国经济社会发展带来极大利好，但时有发生的机器人生产安全事故却给我们带来新的挑战。

1、焊接机器人概述

1.1焊接机器人分类

焊接机器人是工业机器人按照应用领域的一种分类形式。根据JB/T8430—2014《机器人分类及型号编制方法》，焊接机器人包括弧焊机器人、点焊机器人、激光焊接机器人、钎焊机器人、其他焊接机器人。

1.2我国工业机器人安全标准的建立情况

我国从研制工业机器人之初就高度重视其安全问题，在研制机器人产品的同时，也同步立项制定工业机器人安全标准。我国第一个工业机器人安全标准GB11291—89《工业机器人安全规范》参照日本标准JISB8433:1986《工业机器人安全法则》制定，于1989年3月发布，1990年实施。经过30余年的修订与发展，现已建成比较完善的工业机器人安全标准体系。目前，我国现行有效的工业机器人安全标准有：GB/T20867—2007《工业机器人安全实施规范》、GB11291.1—2011《工业环境用机器人安全要求第1部分：机器人》、GB11291.2—2013《机器人与机器人装备工业机器人的安全要求第2部分：机器人系统与集成》、GB/T38244—2019《机器人安全总则》等。这些工业机器人安全标准的制定和实施，对指导我国工业机器人研发、制造、安装、调试、使用和维护全流程安全管理提供标准依据，在一定程度上推动了我国工业机器人在工业生产各领域广泛应用。

2、焊接机器人操作与维护作业要求

2.1作业前要求

1. 正确穿戴劳保物品，并确认劳保物品是否完好，禁止穿戴存在安全缺陷的劳保物品；2）检查焊接机器人系统各指标是否完好，急停开关是否正常，必须符合车间安全要求，存在安全缺陷的禁止使用；3）检查焊接机器人焊枪是否能够正常使用，辅助系统有无水、气泄漏现象，及时清理作业现场的易燃、易爆物品；4）保养、维修人员进入自动线体必须挂安全锁、警示标志，防止他人误操作导致安全事故。

2.2作业中要求

1）焊接机器人自动线体正常自动运行时，PLC必须处于自动状态，机器人必须是主程序运行；2）检查PLC给机器人输入/输出信号后，在控制柜用钥匙打开自动模式，再给机器人上电，最后按下示教器运行按钮；3）焊接机器人处于手动状态时，必须由专业人员用示教器操作；4）禁止乱按控制柜和示教器上的按钮，非工作人员禁止在未经允许的情况下，对控制柜和示教器进行操作；5）在进入机器人工作区域内进行检查和操作时，必须有两人以上，一人注意观察，防止意外事故的发生，如遇突发事件应及时按下急停开关；6）操作者、维修人员必须经过严格的机器人技术培训后方能上岗，使用、维护及保养均配备专职人员；7）操作过程中，一旦发生意外情况需及时按下示教器或控制柜上的急停按钮，操作人员应及时上报，申请维修人员处理，禁止违规操作；8）非专职人员不得随意拆卸零件，专职人员不得在未经允许的情况下私自修改机器人程序；9）操作人员在生产任务完成后应及时对焊枪、设备外表面、清腔区域及机器人工作区域的卫生进行清扫和擦拭；10）维修人员应定期对电源线、信号线、水过滤器及修模器刀具等进行点检，并对机器人控制箱滤网等设备进行保养；11）工作结束后机器人应在原位状态，只关闭焊接电源，不关闭机器人控制电源，防止数据丢失；12）机器人控制柜内部，在切断主电源开关后还有来自外部的电源，检修时要切断相关电源。

2.3作业后要求

1）机器人运行到原点位置，并让机器人主机处于下电状态；2）保养擦拭机器人。

3、设备及工艺

由于用于油气管道施工的钢管强度等级提高到X70和X80，且管道直径和壁厚增加，管道施工通常采用u形槽或复合槽，管道内焊接机器人用于后焊接，管道外焊接机器人用于热焊接。充填与封顶焊接，以执行大规模流动作业。

3.1管道内焊接机器人

内部管道焊接机器人主要完成管道根部焊接工艺。国内外开发的管道焊接机器人的外部结构、工作原理和技术性能基本相同。根据设备的不同管道直径，4 ~ 8个焊接单元沿圆周分布，整个焊接工艺采用对称的分步焊接方法，即焊接单元先顺时针结束焊接，然后返回初始位置后逆时针结束焊接。每个焊接单元根据程序的预设运动轨迹进行焊接，根部焊接效率较高。以管径921219为例，完成根焊仅需90秒，焊缝形成的一致性良好。管道内部焊接机器人是调整管道直径尺寸的专用设备，各种管道直径必须与相应尺寸的设备相匹配。关于适用的管径尺寸，最多可应用于1422管径，最少可应用于610管径。考虑到技术研究、开发和应用的反复成本，这无疑会导致经济浪费。今后将是打破管道直径尺寸和管道直径物理空间限制，开发跨越管道直径或适合中小型管道直径的内部焊接机器人的下一个重要研究方向。

3.2管道外焊接机器人

管道焊接不同于金属结构的其他焊接形式。管线的全位置焊接包括平板焊接、垂直焊接和头顶上方焊接的所有特征。为了减少焊接接头的发生，需要连续焊接，不能使用点焊和抗变形工具。受营养品制备精度、装配精度、局部加热、熔体和冷却变形的影响，焊接过程中焊接轨迹发生变化。对于手动或半自动焊接，经验丰富的焊接人员可以根据焊缝和空间位置的变化实时调整焊接燃烧器的姿态、焊接速度等参数。为了适应这种变化，管道焊接机器人必须具有人的感觉，然后进行相应的修改。位置变化是由安装在机器人体上的角度传感器驱动的，焊接机器人的摆动机构由DSP、FPGA或ARM控制。控制精度可以达到1μs，因此误差精度为δ 10-6s。此外，机器人还可以根据不同空间位置调整焊接速度、导线输送速度、焊接电流等参数，以满足实际焊接要求。受管道自身设计特点的影响，长距离油气管道的施工一般采用管道设计。焊接时，焊接机器人放在管道外的风密棚内，为焊接工艺创造一个相对封闭的空间。外部管道焊接机器人由焊接电源、电线输送系统、机器人体和控制器组成，其中机器人体设有焊接燃烧器或两个焊接燃烧器。焊接过程中，机器人分别放置在管线的左侧或右侧，焊接燃烧器用于从管线的12:00或6:00位置开始的自上而下或自下而上的全位置焊接。其中，采用单焊机的外焊机器人一般采用直流短路过渡(GMAW)，焊机摆动模式为平面摆动或角度振动，需要的焊机较少。带双白口的外焊机器人采用脉冲直流光束过渡(PGMW)，摆动模式呈平面摆动状态。焊接效率是单焊机机器人的1.5倍，对焊机的要求比单焊机机器人严格。当前，工程中使用的单/双金属焊接机械均适用于管道直径323 ~ 1422 mm、壁厚30.8mm的管道焊接。大部分控制系统具有无线远程传输、存储和焊接跟踪功能，具有第二代管道焊接机器人的特点。

结束语

油气管道是国家工业发展的命脉，是实现能源生产和消费革命的重要支撑。今后10—15年，中国油气管道建设仍将处于高峰期，油气管网总里程将超过30万km，预计将基本建成现代油气管网体系。随着管道自动焊接技术的快速发展，针对不同钢级、不同管径壁厚、不同焊材的多种自动焊接工艺和规范参数也将呈现多样性的应用，这势必对油气管道焊接质量一致性和稳定性提出越来越高的要求。为此，研发适用性强的高效管道焊接机器人，进一步提高管道焊接质量，实现焊接自动化生产、减少焊接缺陷为管道焊接机器人智能化研发道路提出了更高的要求。

参考文献：

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[5]国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会.GB/T38244—2019机器人安全总则[S].北京：中国标准出版社，2019.