【文献选登】

编者的话：于铜板风口行业的特殊焊接工艺及其工装系统的特殊性，通过融合焊接技术、机器人技术和机械工程技术，研发机器人自动焊缝跟踪及人工干预纠偏焊接系统，高精度、强可靠及快速响应定位系统，耐高温摄像监控系统，建立并优化了铜板风口机器人焊接工作站，实现铜板风口的全自动化焊接，改善了操作者的劳动强度及环境，避免焊接过程中出现少焊或多焊现象，工件焊缝间隙偏差达到≤0．8 mm的技术要求，提升了铜板风口的焊接质量和效率，延长了铜板风口的使用寿命。

铜板风口机器人焊接工作站的开发与应用

徐暄，黄敦新，黄智成

(自动化研究所)

1引言

铜板风口作为高炉进风系统中的重要设备，是各钢铁公司炼钢高炉的重要部件，担负着将近1000℃以上的热风送进高炉内的任务，这对铜板风口焊缝的焊接质量提出了更高的要求旧。铜板风口，如图1（图略）所示。根据不同高炉的工况条件下进行差异化设计制造，一般是由内套、外套、法兰和导流器4个部件装配和焊接而成。目前铜板风口仍然采用手工氩弧焊焊接方法进行生产，生产效率较低，无法满足规模化发展需要；且焊接质量的好坏取决于焊工的操作经验，无法长时间确保焊点高度、焊枪角度的准确性。另外，紫铜焊接由于导热系数太高，需要预热600℃高温才能施焊，作业工况条件相对恶劣。因此，新型的铜板风口焊接方式替代传统的手工焊接是适应市场发展的需要。

随着世界制造业的快速发展，焊接技术的应用也越来越广泛，焊接技术水平也越来越智能化。焊接机器人具有改善工人劳动条件、焊接质量稳定、提高生产率等特点，经过多年的发展，焊接机器人已被广泛应用于航天、船舶、汽车、机械加工业、电子电气行业等众多领域中刚。将焊接机器人投入到生产线中，并配备相应的外围设备组成焊接机器人工作站，可以带动焊接自动化的发展。焊接机器人的应用非常广泛，中小型的生产企业如此之多，但不同行业对焊接工作站的需求也是各种各样。

国外很多行业都已经有成功应用机器人焊接的案例，例如美国的GE、日本的三菱、韩国的三星。中国台湾的机器人焊接技术大部分在在汽车领域，其它领域还是延续着传统的人工焊接，而台湾自主研发机器人焊接厂商更少，大部分依赖进口设备。企业在选用焊接机器人时，需根据自身的需求和生产状况，来迅速地定制出自身所需要的焊接机器人工作站。铜板风口行业因特殊焊接工艺及其工装系统的特殊性，使得铜板风口机器人焊接工作站的使用有了更高的要求，掌握主要技术指标更是正确应用的前提，目前尚无铜板风口机器人焊接工作站的应用案例。这里研究的铜板风口机器人焊接工作站技术填补了业内空白，提升本行业智能化制造水平。

2铜板风口机器人焊接工作站的设计原则

铜板风口机器人焊接工作站由焊接设备、机器人及配备相应的设备组成，这类外围设备的技术指标都需达到焊接机器人的工作要求。在设计焊接机器人工作站时，需多方面考虑影响机器人焊接质量的因素，通过结合实际工作情况，并将其优化设计，才能适应焊接机器人工作站的需求，最大限度地发挥其优越性阁。铜板风口机器人焊接工作站三维模型，如图2（图略）所示。铜板风口机器人焊接工作站的工作流程，如图3（图略）所示

3铜板风口机器人焊接工作站各组成部分设计

3．1机器人自动焊缝跟踪及人工干预纠偏焊接系统

根据铜板风口的焊接工艺要求，选用安川MH6机器人和松下YD一500GL焊机。安川MH6机器人轴数为6，最大工作半径为1422mm，最大负载6kg，重复精度(±0.08)mm，机械自身质量130kg。松下YD-500GL焊机额定输出电流500A，额定输出电压39V，模拟量输入信号分三档：(0-l0)V、(0-12)V、(0-15)V。

目前使用的焊接机器人其基本工作原理是示教再现，由操作者通过示教盒来控制机器人的运动，使焊枪移动到所需的位置状态，把各个示教点记录下来，然后机器人重复所记录的位姿来完成焊缝焊接吼然而这种示教精度不稳定，操作者水平及状态对编程的效果影响较大；一般而言100mm的焊缝需要示教50个点，导致编程时间长，焊接效率低。为此开发了机器人自动焊缝跟踪及人工干预纠偏焊接系统，如图4（图略）所示。该系统可采用离线编程技术，无需机器人的参与，通过三维图环境来获取焊缝轨迹坐标，直接生成焊缝轨迹，大大提高编程效率。在焊接过程中，一方面可通过电弧传感器自动跟踪焊缝实时纠偏，其主要原理，如图5（图略）所示。利用焊炬与工件之间距离差导致的焊接参数变化来探测焊炬高度及左右偏差；在等速送丝系统中，一般焊接电源具有平或缓降的外特性，在该条件下，电弧长度增大时，焊接电流将会减小。利用此原理通过计算因电弧摆动而产生的电流数据变化，对比电流值来确定焊缝确切位置并修正路径来找正实际位置；另一方面可通过人工远程辅助补偿机器人自动跟踪偏差，开发专用控制板卡，用于控制机器人示教再现中人工干预，实现高低和左右两个方向的偏差控制，保证焊接路径与焊缝一致。该系统可满足铜板风口不同姿势焊接的要求，提高焊接过程的稳定、焊接质量和效率，避免高温环境作业，大大降低工人的劳动强度，缩短产品改型换代的准备周期。

3．2高精度、强可靠及快速响应定位系统

焊接机器人实施焊接时，对工装定位精度和夹具夹持要求较高，各工件焊缝处间隙偏差≤0．8mm；而且高炉风口小套具有质量大且为全程高温焊接特点，同时铜板风口法兰轴线与风口I缝的轴线不在同一位置，存在一定的斜度(0～11)°，这对驱动及工装系统提出了更高的要求。高精度、强可靠及快速响应定位系统，如图6（图略）所示。该系统在焊接过程中，能对保温炉体辊轴转速和摆角随时进行精确调整。采用PLC控制双电机驱动辊轴(第7轴)实现铜板风口的同步旋转；摆角电机(第8轴)选用交流电机作为驱动元件，在不同焊缝焊接过程中，可精确调整焊缝转轴的角度，同时通过减速机实现自锁，保证炉体在各位置下的稳定。在焊接过程中，操作者在监控室的显示屏观测焊缝熔池的实况，如果发现焊缝过高、过低或偏离中心的现象，可通过操作手柄来调整炉体辊轴的转速，以配合机器人的焊接速度，提高焊缝质量。

3．3耐高温摄像监控系统

焊接机器人如使用离线编程控制轨迹运动或者运用示教系统进行焊接的过程是一个开环系统，铜板风口的加工误差易导致焊缝位置尺寸变化引起焊接误差，降低焊接质量，必须精准定位焊缝罔。焊接工作站配置双摄像头监控系统。一个为强光监控系统，图像采集单元采用先进的强光抑制低照度高动态范围彩色摄像机，能很好的将焊接产生的强光给予过滤，提高图像的清晰度，主要用于焊接实施过程的监控；另一个为普通摄像头，用以监控焊接调整等非强光状态下目标。该系统有效的克服强光、高温、烟雾、粉尘等恶劣工作环境，提高图像清晰度，方便工人对焊缝进行在线实时监控及操作处理；同时通过涡旋管气体冷却方式，进、出气置于摄像机镜头尾部，避免影响保护焊接气体。摄相机安装在机器人终端的夹持装置上随动，用来采集熔池实时图像并传输到监控室的显示屏中，操作者通过它就能实时观察焊接的实况，及时发现焊接缺陷

4焊缝焊接质量

铜板风口焊接机器人工作站，如图7（图略）所示。该工作站有效的将焊接机器人、高精度强可靠快速响应定位系统及耐高温摄像监控系统等融合于一体，焊缝焊接后外观，如图8（图略）所示。可以发现焊缝处呈现规则有序的鱼鳞纹，焊缝外观漂亮，质量优异，各工件焊缝处间隙偏差≤0.8mm，同时焊接过程几乎很少发生飞溅现象。

这是由于：(1)相比手工焊，焊接机器人能够平稳的控制焊枪的运行；(2)精确的定位系统可协调焊接机器人的焊接速度，并保证各焊接工位的稳定；(3)耐高温监控系统可实时反馈焊接区域信息，通过纠偏系统及时改变焊接路线，保证焊接的一致性。

5结束语

焊接机器人作为先进的智能焊接设备，它的发展及应用日趋广泛，推动着焊接行业跨入一个新的时代。各行各业对焊接机器人的需求也是各式各样的，采用先进的机器人，加上与之配套的外围机械设备与电控系统组成工作站，是符合自身需求的机器人成套自动焊装备低成本自动化的最佳途径。通过研发的焊缝自动化跟踪及人工干预纠偏焊接系统，高精度、强可靠及快速响应定位系统，耐高温摄像监控系统而建立的铜板风口机器人焊接工作站，改变了铜板风口现行手工焊接的生产方式，实现了铜板风口的自动化跟踪焊接；同时可对焊接区域进行在线监控，及时反馈焊接信息，通过自动跟踪焊缝及人工干预纠偏焊接，避免焊接过程出现少焊或多焊现象，使得工件焊缝间隙偏差达到≤0.8mm技术要求；提高了铜板风口的焊接质量及效率，大大改善了操作者的劳动强度及环境。

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