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鑄鋼件“集中大缺陷”采用機(jī)器人進(jìn)行焊補(bǔ)處理的智能系統(tǒng)搭建及設(shè)置意見（討論稿）
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四川智能創(chuàng)新鑄造有限公司
2022年7月
目 錄
六、 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益
前 言
本文以基本機(jī)器人智能焊補(bǔ)工作站的配置進(jìn)行介紹,并補(bǔ)充說明可提供的擴(kuò)展服務(wù)。
隨著各類重型裝備設(shè)計(jì)水平的不斷提高，對(duì)鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量的要求也不斷提高，部分高端鑄鋼件的內(nèi)部質(zhì)量要求已經(jīng)超過工藝制造水平和能力范圍，由此鑄鋼件“缺陷”的焊補(bǔ)就成為保證鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量的必然手段和標(biāo)準(zhǔn)配置工序。
現(xiàn)階段鑄鋼件“缺陷”焊補(bǔ)幾乎全部采用人工焊補(bǔ)作業(yè)。該工序工作量大，勞動(dòng)條件惡劣、安全風(fēng)險(xiǎn)高，招工困難。采用機(jī)器人智能焊補(bǔ)工作站可以大部分地替代人工補(bǔ)焊，補(bǔ)焊質(zhì)量好、效率高，可以解決鑄鋼企業(yè)這部分的“大量人力資源瓶頸”。設(shè)置鑄鋼件“集中大缺陷”機(jī)器人智能焊補(bǔ)工作站是鑄鋼件生產(chǎn)企業(yè)解決問題的經(jīng)濟(jì)有效途徑。
一、適用范圍
本系統(tǒng)以焊補(bǔ)工作站方式運(yùn)行，主要應(yīng)用于鑄鋼件“集中大缺陷”機(jī)器人智能焊補(bǔ)。鑄鋼件“集中大缺陷”焊補(bǔ)是當(dāng)前機(jī)器人焊補(bǔ)工作站適用范圍內(nèi)，工作量在10kg以上的焊補(bǔ)需求，采用智能機(jī)器人焊補(bǔ)較為經(jīng)濟(jì)。
機(jī)器人采用固定面安裝,適用范圍如下表所示：
標(biāo)準(zhǔn)焊補(bǔ)工作站適用 | 適用范圍 |
一次焊補(bǔ)工作量 | ≥10kg焊補(bǔ)工作量 |
坡口準(zhǔn)備 | 徹底清理干凈缺陷部位，按工藝要求制作焊補(bǔ)坡口，（預(yù)熱到位） |
焊補(bǔ)工藝方法 | 氣保自動(dòng)焊 |
缺陷焊補(bǔ)方式 | 平焊，斜坡焊，盡量不立焊 |
鑄件材質(zhì) | 鑄造碳鋼、低、中、高合金鋼到高合金鋼等 |
機(jī)械臂可覆蓋范圍 | 機(jī)器人前部約2500×1500mm矩形區(qū)域 |
鑄件重量: | 不限 |
焊補(bǔ)速率 | 2kg~3kg/小時(shí) |
表1 適用范圍
單臺(tái)設(shè)備場(chǎng)地及外部能源需求（未擴(kuò)展）：
需求項(xiàng) | 內(nèi)容 |
場(chǎng)地尺寸 | 6000mm×5000mm |
電源要求 | 380V/220V±10%，50Hz |
氣源要求 | 0.6MPa |
耗材 | 焊絲?1.2-1.6 mm |
表2 場(chǎng)地及能源需求
二、設(shè)置目標(biāo)
1. 機(jī)器人智能焊補(bǔ)系統(tǒng)采用三維智能掃描系統(tǒng)和在線焊補(bǔ)軌跡編程實(shí)現(xiàn)工件（缺陷部位）定位和焊補(bǔ)軌跡生成。
2. 控制系統(tǒng)人機(jī)交互簡便，操作方便。通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)，可查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)焊補(bǔ)環(huán)境和整體工藝的雙優(yōu)化。
3. 鑄鋼件大部分（60%以上）的缺陷可以由該系統(tǒng)來完成。
4. 焊補(bǔ)質(zhì)量高于人工，一次性焊補(bǔ)成功率可達(dá)到。
5. 可人工針對(duì)性選取焊補(bǔ)區(qū)域，焊補(bǔ)工藝參數(shù)可人工設(shè)置，適用多種鑄鋼件。
6. 整體設(shè)備穩(wěn)定可靠，可在2-3年內(nèi)收回投資。
三、系統(tǒng)構(gòu)成
機(jī)器人智能焊補(bǔ)系統(tǒng)主要由：6軸焊接機(jī)器人、三軸龍門架、焊接系統(tǒng)（自動(dòng)清槍系統(tǒng)、熔池監(jiān)控系統(tǒng)）、三維掃描系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)。后臺(tái)焊補(bǔ)“大數(shù)據(jù)”管理系統(tǒng)構(gòu)成，總體效果圖如圖1所示：
圖1 機(jī)器人智能焊補(bǔ)系統(tǒng)總效果圖
3.1 主體構(gòu)成
三軸龍門架
采用三自由度移動(dòng)式龍門架輔助焊接控制.
6軸焊接機(jī)器人
弧焊機(jī)器人選配庫卡、安川、發(fā)那科、和ABB等品牌的焊接機(jī)器人，也可以選擇國產(chǎn)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)平面、弧面、斜面、垂直面的焊補(bǔ)坡口進(jìn)行自動(dòng)化焊焊補(bǔ)。進(jìn)行立焊及 0-90°傾斜角的多位置焊補(bǔ)。
焊接系統(tǒng)
熔池監(jiān)控系統(tǒng)在有電弧光的情況下監(jiān)控焊接過程的完成。監(jiān)控信息在中央監(jiān)控器上顯示，便于工人在控制器上進(jìn)行操作和監(jiān)控。
自動(dòng)清槍器清槍剪絲。選用知名品牌的清槍剪絲裝置、布置到系統(tǒng)中。
焊接電源具有普通 MIG/MAG焊、脈沖 MIG/MAG焊、雙脈沖 (標(biāo)準(zhǔn)配置 )功能。適用于不同厚度的碳鋼、不銹鋼等材料的焊接。熔深更深，熱輸入量低，合金元素?zé)龘p少，焊縫成型美觀，特別適合于高強(qiáng)鋼的焊接。
（如果采用中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鑄件缺陷部位的焊接預(yù)熱和焊后熱處理消應(yīng)。加熱高效可控，不需要整體預(yù)熱和消應(yīng)，改善工作環(huán)境）。
三維掃描系統(tǒng)
可實(shí)現(xiàn)缺陷部位的快速定位和與操作者交互確認(rèn)后自動(dòng)生成缺陷部位的在線焊補(bǔ)軌跡程序。
3.2 工藝參數(shù)
焊補(bǔ)工藝控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊補(bǔ)質(zhì)量的重要因素。操作者可選擇在交互界面輸入工藝參數(shù)或使用已驗(yàn)證的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行焊補(bǔ)，系統(tǒng)通過控制機(jī)器人移動(dòng)參數(shù)和PLC控制焊槍相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。詳細(xì)焊補(bǔ)工藝參數(shù)由于和鑄件材料相關(guān)性強(qiáng)，這里不便羅列。
3.3 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
機(jī)器人智能自動(dòng)化焊補(bǔ)軟件部分主要包括總控制程序，視覺定位算法，坡口焊補(bǔ)軌跡在線編程軟件，智能焊接云管理系統(tǒng)。
模塊 | 模塊功能 |
總控制程序 | C#編寫控制交互界面，上位機(jī)通過以太網(wǎng)控制于PLC、機(jī)器人、視覺進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制 |
視覺識(shí)別定位算法 | 通過視覺相機(jī)拍攝圖像，編寫圖像擬合程序：生成高精度圖像數(shù)據(jù)：識(shí)別工件尺寸、工件位置、工件類型 |
坡口焊補(bǔ)在線編程軟件 | 軟件具有路徑規(guī)劃功能，用來進(jìn)行機(jī)器人軌跡按坡口編程，生成適應(yīng)當(dāng)前坡口的焊補(bǔ)軌跡。 |
智能焊接云管理系統(tǒng) | 利用4G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)解決“大數(shù)據(jù)”的焊接過程監(jiān)控和管理。實(shí)現(xiàn)不斷優(yōu)化工藝。 |
表3 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊及功能
四、系統(tǒng)工作流程
1. 按焊補(bǔ)工藝要求制備需焊補(bǔ)鑄件缺陷部位的焊補(bǔ)坡口
2. 吊裝擺放待焊補(bǔ)鑄件至機(jī)器人焊補(bǔ)工作站的有效焊補(bǔ)區(qū)域（約2500×1500）；
3. 標(biāo)識(shí)需鑄件上的各焊補(bǔ)坡口，確定坡口焊補(bǔ)順序；
4. 啟動(dòng)焊補(bǔ)工作站系統(tǒng)，錄入必要的信息后確定，視覺系統(tǒng)開始工作。自動(dòng)尋找各焊補(bǔ)坡口并進(jìn)行焊補(bǔ)軌跡規(guī)劃。
5. 操作者確認(rèn)焊補(bǔ)工藝參數(shù)和焊補(bǔ)順序后，系統(tǒng)開始進(jìn)行逐個(gè)坡口的焊補(bǔ)作業(yè)，操作者需觀察并服務(wù)清槍程序運(yùn)行和更換焊材等；
6. 當(dāng)前區(qū)域內(nèi)坡口焊補(bǔ)完成后，操作者需進(jìn)行后續(xù)坡口保溫等工作。
7. 關(guān)閉系統(tǒng)，清理操作現(xiàn)場(chǎng)。
五、系統(tǒng)使用效率
機(jī)器人智能焊補(bǔ)系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)人工焊補(bǔ)工作，實(shí)現(xiàn)“集中大缺陷”鑄鋼件焊補(bǔ)質(zhì)量優(yōu)化并可長時(shí)間穩(wěn)定工作，降低生產(chǎn)成本，提升整體生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)將操作者從傳統(tǒng)的焊補(bǔ)環(huán)境中解放出來，通過視覺和機(jī)器人系統(tǒng)，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控焊補(bǔ)進(jìn)程，符合我國產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展方向。
六、系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益
該設(shè)備在焊補(bǔ)修復(fù)過程中，機(jī)器人無暫停運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過程不需要人工干預(yù)、示教等，機(jī)器人自動(dòng)定位、自動(dòng)引弧、送絲、焊接停止。機(jī)器人可以根據(jù)焊接工藝要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的首尾交接長度，斷弧續(xù)焊功能；可提升焊補(bǔ)操作環(huán)境，緩解招工困境；提升焊補(bǔ)工序智能化水平，推進(jìn)綠色鑄造發(fā)展。
人工焊補(bǔ)和機(jī)器人自動(dòng)焊補(bǔ)成本及效益比對(duì)
（1）機(jī)器人焊補(bǔ)成本包含人工、耗材、電費(fèi)、設(shè)備折舊（3-5年）對(duì)比可知，約3年可收回全部投資。
（2）初步測(cè)算，可以節(jié)約焊補(bǔ)廠房面積50%以上。
七、總結(jié)
7.1配置更低要求
實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的焊補(bǔ)功能且不增加企業(yè)資金壓力，機(jī)器人智能焊補(bǔ)工作站的配置要求如下：
①主機(jī)部分可采用市面常見6軸焊接機(jī)器人、搭配三軸龍門架，匹配不同焊接系統(tǒng)（自動(dòng)清槍系統(tǒng)、熔池監(jiān)控系統(tǒng)），可適用于不同厚度的碳鋼、不銹鋼等材料的焊接。
②通過常規(guī)PLC總控制柜進(jìn)行控制，C#編寫控制交互界面，用以太網(wǎng)控制與PLC、機(jī)器人、視覺進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。
③系統(tǒng)對(duì)工廠場(chǎng)地配套和能源要求都比較低，僅需要大小為6000mm×5000mm，有50HZ-380V三相交流電、能提供壓力≥0.6MPa焊接氣源的場(chǎng)地即可滿足要求，設(shè)備主要耗材為焊接氣源氣體，系統(tǒng)運(yùn)行花費(fèi)低。
7.2系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
①簡易明了的交互模式，實(shí)現(xiàn)操作者與系統(tǒng)的交互操作：操作者可選擇在交互界面輸入工藝參數(shù)或使用已驗(yàn)證的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行焊補(bǔ)，系統(tǒng)通過控制機(jī)器人移動(dòng)參數(shù)和PLC控制焊槍相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。整個(gè)過程不需要人工干預(yù)、示教等，機(jī)器人自動(dòng)定位、自動(dòng)引弧、送絲、焊接停止。
②系統(tǒng)維護(hù)簡單，定期進(jìn)行焊槍系統(tǒng)檢查、線路健康狀況評(píng)估和工控機(jī)內(nèi)運(yùn)行環(huán)境及冗余清理。
③安全環(huán)保：操作者可遠(yuǎn)離焊接平臺(tái)，機(jī)器人設(shè)備穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)基本無排放，杜絕安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。
④操作者僅需職業(yè)技術(shù)學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)，或擁有大專以上學(xué)歷，具有計(jì)算機(jī)操作能力，通過培訓(xùn)即可快速掌握系統(tǒng)操作方法。
4-鑄鋼件“集中大缺陷”采用機(jī)器人進(jìn)行焊補(bǔ)處理的智能系統(tǒng)搭建及設(shè)置意見（討論稿）.docx
