双枪焊接机器人技术研究与应用*

陈晓明 孟凡全 盛林峰 黄继强

1.上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；2.北京石油化工学院 北京 102617

1 工程概况

昆山市中环高架跨线桥桥面标准宽为22 m，跨径44 m+70 m+36 m，桥箱梁采用单箱三室斜腹板截面，顶板宽22 m，底板宽14 m，箱梁悬臂长2.5 m。钢箱梁顶板厚16 mm，中支点15 m范围内顶板加厚为20 mm。桥箱梁本体总质量约3 500 t（图1）。

图1 钢箱梁断面

B线桥、C线桥桥跨长度为36 m+70 m+44 m，均分为26 联，每联箱梁顶推到位后进行焊接连接，顶板单条对接焊缝长近21 m，共50 条（图2），累计焊缝长度超过1 000 m。由于跨线钢桥承受动载荷，焊缝质量要求等级为一级，需进行100%无损探伤。由于人工焊接该条长焊缝时，每米要移动一次工位，就会产生一个焊接接头，长21 m的焊缝将有20 处接头，由于接头处是焊接缺陷易发部位，会导致返修焊时对母材金属力学性能造成不利影响。为保证工程质量，实现焊接过程不间断，减少接头数量，避免焊工主观因素和现场客观条件影响焊接质量，采用双枪焊接机器人技术，优质地完成了跨线桥桥面对接焊接。

图2 桥面焊缝布置

2 双枪全位置焊接机器人组成

上海机施集团与北京石油化工学院合作开发全位置双枪自动焊接机器人，通过平行于焊缝的前后2 把焊枪同时焊接，并配合可铺设于待焊轨迹的轨道，实现复杂轨迹全位置高效自动焊接。全位置焊接机器人采用模块化开发路线，新型智能化焊接机器人整套装备主要包括控制箱、触摸屏、手控盒焊接小车和导轨（图3）[1]。

2.1 控制箱

控制箱是自动堆焊机器人控制系统的核心部件，装有包括电源接口、手控接口、联机接口、驱动接口、信号接口在内的多个接口，分别连接手控盒、焊接电源和焊接小车，通过接收手控盒和触摸屏的指令，控制焊接小车的动作和焊接电源的启停，从而实现不同的焊接模式、运动控制方式以及不同参数控制方式下的智能化焊接[2]。

2.2 触摸屏

触摸屏位于控制箱顶部的黑色小箱中，通过它可以选择焊接模式、根据工件状况设定焊接层数和道数，并可在参数表中输入车速、电流、电压等焊接参数，实现对厚板坡口的多层多道自动焊接，并可在焊接中实时监控电流、电压等焊接参数，在必要时还可以通过它来进行焊接机器人的启停操作。

图3 焊接机器人系统组成

2.3 手控盒

手控盒是堆焊机器人重要的控制部件，通过手控盒可以实现对焊接机器人各种焊接操作的控制。调整焊枪位置、选择摆动方式、调整焊车行走速度、行走方向，调整焊枪摆速、摆幅及左右滞时等焊枪运动和摆动参数； 执行“轨迹存储”，对焊缝轨迹进行记忆存储；执行“坡口规划”，对坡口形状进行记忆存储；与触摸屏配合，进行选择不同的焊接方式；控制焊接电源的启停，调整焊接电流和电压。

3 双枪全位置焊接机器人特点

新型双枪焊接机器人是一种具有参数记忆、坡口规划、轨迹存储等功能的智能化焊接专用设备，主要用于厚板的横焊、立焊及堆焊，双枪同时焊接可以大幅提高焊接效率，降低生产成本。在现场焊接时，将焊接机器人安装在磁吸式轨道上，在行走机构的带动下，沿轨道行走。当2 把焊枪处于同一状态时，可成倍提高焊接效率。当进行打底焊或其他仅需要单只焊枪工作的场合，可控制单只焊枪进行焊接[3]。它的主要特点包括：

1）可根据需要建立横焊、堆焊、立焊3 种参数表，并分别存储多种焊接参数，适应不同场合的焊接需要；

2）特有的“坡口规划”功能，可将坡口内每个焊道的位置信息进行存储，从而实现厚板坡口的自动焊接；

3）具有“轨迹存储”功能，可记忆焊缝位置偏差及焊枪高度偏差，因而在焊接过程中自动调节焊枪以适应焊缝的变化；

4）特有的“坡口偏差自动校正”功能。对于两端宽度不同的坡口，只需输入坡口起点宽度、终点宽度以及焊缝长度等数据，机器人可自动完成该坡口的焊接；

5）提供焊接电源控制接口，可协调控制2 组焊接电源的焊接电流、电压，实现焊接过程的联动控制，提高焊接质量和效率；

6）手控盒与触摸屏控制相结合，实现焊车运动与焊接参数的智能化控制。

4 双枪焊接机器人现场焊接工艺参数设置

4.1 现场焊接工艺参数优化、存储

在全位置焊接施工中，由于焊接位置不同，焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊枪摆动速度、焊枪倾斜角度等都有较大变化，需要根据不同焊接位置调节各种焊接参数，以保证焊接质量。采用人工手动调节各种焊接参数的方式难以适应全位置全自动焊，将成熟的焊接工艺参数存储于系统中，并在焊接过程中进行实时调用，能有效解决这一难题。

在采用焊接参数程序控制之前，必须通过焊接工艺试验，获得满足焊接工艺要求的各焊接工艺参数，并通过控制箱上的液晶触摸屏将这些经验数据输入到控制系统中。在焊接过程中，系统将能够自动判断焊接机器人所处的焊接位置，并调用与该位置相对应的焊接工艺参数，通过控制系统输出，去控制焊接机器人执行相应的动作，以满足焊接过程中对多种参数实时调节的需要。

我们采用双枪全位置焊接机器人系统进行了大量焊接工艺试验，优化焊接工艺参数。经超声检测和力学性能测试，该焊缝外观和内部质量均达一级焊缝标准，力学性能优于规范标准要求。

4.2 现场焊接轨迹规划

昆山市中环跨线桥现场焊接施工，焊缝数量多，桥面板对接焊缝皆为长21 m的直焊缝，在双枪焊接机器人中运用在线焊缝轨迹示教功能，使焊接机器人能够快速适应此类焊缝的施工。

首先通过手控盒上的控制按钮来启动在线焊缝轨迹示教操作。该操作将焊接机器人定位于焊缝起始点，并记忆焊接机器人所在位置信息。记忆完第一点后将焊接机器人移动至下一记忆点，再次记忆该点所在的位置信息，直至记忆到焊缝终点的位置信息为止。在记忆完焊缝位置信息后将焊接机器人定位于焊缝起始点，同时系统将所记忆的相邻焊缝点位置信息进行分段线性化，从而拟合出焊接机器人焊缝跟踪运动轨迹。在焊缝轨迹示教成功后退出在线焊缝轨迹示教模式，该焊接机器人便可按示教的运动轨迹来进行焊接操作。该示教控制可实现多点的分段线性化，而适应复杂多变的不规则焊缝的机器人自动焊接。

5 现场焊接机器人工程应用

建筑钢结构焊接机器人可沿着固定轨道往复运行，轨迹重复性高，易于实现跟踪控制，系统稳定可靠，效率较高，适用于预制及现场全位置焊接。可解决建筑工程中厚壁、长焊缝、多种焊接位置的钢结构安装现场自动化焊接问题[4]。

双枪焊接机器人成功应用于昆山市中环跨线桥现场焊接施工中，在相同位置和条件下，与手工焊接方法相比较，具有明显的优势：

1）采用长10 m焊接轨道，使整条焊缝的焊接接头大幅减少90%；

2）焊接质量优异，表面成形美观，焊缝与母材过渡平滑，无损检测合格率达100%；

3）焊接效率高，在焊接的同时，焊工可以完成焊缝的焊渣清理等工作，焊接过程可实现连续作业。与气保焊、手工焊接相比，焊接效率提高100%以上；

4）工人劳动强度低，焊接机器人操作焊工只需调整好焊接参数，完成焊缝的示教工作，焊接机器人可以自动进行焊缝的往复焊接。

实践表明，该全位置焊接机器人系统操作方便，可控性好，焊接工作过程稳定，焊缝成形好，焊接质量高，能满足钢结构工程现场自动焊接施工作业的需要（图4）。

图4 焊缝外观效果

6 结语

全位置双枪焊接机器人具有在线焊缝轨迹示教、全位置焊接参数示教、离线焊接参数设置等智能控制手段，可适应不规则焊缝的轨迹跟踪、实现多层多道焊及全位置焊的自动化焊接，并可灵活方便地完成多台焊接电源的焊接参数设置，将焊接机器人应用于工程焊接中，不仅可以实现焊接生产自动化，大幅度提高焊接质量和效率，降低劳动强度，提高钢结构工程的品质和可靠性。而且在各类钢结构工程焊接施工中加以推广应用，可以极大提高企业自动化装备技术水平，增加企业的竞争能力。