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机器人焊接技术在钻孔设备制造上的应用
作者:徕斯机器人(昆山)有限公司
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机器人焊接特殊钻孔工具,长达14m。

来自德国巴伐利亚Schrobenhausen的Bauer生产的旋挖钻机在全球范围被广泛应用于土木工程,小到不起眼的小井,大到世界最高建筑(迪拜哈利法塔)的桩基。为满足不断增长的市场需求,Bauer启动了一行程达14米的焊接工序自动化项目。徕斯机器人为该重要项目提供了创新方案。

建立最初的目的仅仅是为自给自足, Schrobenhausen(Ingolstadt附近)的Bauer致力于土木工程,以生产用于特殊钻井的复杂建筑机械而著称。这类旋挖钻机尺寸巨大,长达14米,直径达1.5米, 通常由内部管道与外部钻探螺旋焊接而成。

根据地下层情况,选取合适的磨损件安装于顶部,其设计十分像螺旋楼梯,但组件须高度耐压。钻挖的质量不仅取决于金属片的选择,更重要的是与内部管道及外缘焊接铠装连接的坚固程度。

之前,Bauer都是通过焊接工人将加工过的螺旋组件与内部管道焊接成钻机,然后在狭窄的螺旋外缘进行铠装堆焊。这些任务的艰辛是一般人所无法想象的。此外,当金属经数个焊接工序后会产生热辐射,这更让焊工无法忍受。

不同钻头的自动化焊接

“很幸运,多年来我司钻头的市场需求稳步增长”, Bauer副厂长Gerald Huber说。“因此要尽可能地实现自动化焊接。于是,我们提出了一论文课题,即是否可行以及如何达成焊接自动化,以此来探索可能的焊接工作站。由于我们的钻头非常相似,但又不完全相同(这取决于操作环境),我们的需求是找出一个灵活的解决方案,来焊接由标准元素组成的各类钻头。为此,我们对各种钻井工具进行了分析。”最后结果显示钻头长度可能超过13米,直径达1.5米,重达3.5吨。更糟糕的是,钻头的外径有的是新型的,因此并不统一。筹备工作后,我们对领先的机器人供应商进行邀标。很早就得知,徕斯机器人技术闻名于全球”,Gerald Huber强调。“徕斯的技术优势和专业态度留给了我们非常好的印象。”

解决方案:徕斯机器人及激光传感器

徕斯的自动化焊接工作站不仅足够宽敞,可容纳大型工件,还配有一个旋转/倾斜装置(RDK26)和一个线性平移单元(RLV25),这可以提供额外的特殊功能。首要功能是将Fronius双线焊头集成于机械手,其中一线对内部管道进行连接,另一线对螺旋外缘的硬铠装外壳进行焊接,这种双线焊接方案对采购成本产生了积极影响。

基于徕斯的建议,我们不再需要最初考虑的焊头更改装置。两个线圈包随机器人沿直线单元运动,并始终处于“就绪”状态。为确保在高负荷钻挖情况下合成的持久性,每次至少要焊接三层。显然,挑战不仅是对机器人运行的编程,而且当对如此大型的钣金工件进行加工时,必需要进行非常细微的自动公差补偿。关于该功能,Gerald Huber说:“对基本数据的常规编程,徕斯为我们设计了一款软件,这立马就得到我们焊工的高度认可,他们也意识到了自动化方案的优势。通过现有的3D构建数据,定义工件的基本焊接程序。”这适用于接头和铠装焊接。由于无法避免螺旋金属片偏差,用到了另一种伺服机器人的特殊传感器。激光摄像机可追踪焊缝过程,识别偏差,并影响机器人做出相应的路径调整。摄像机可查看到宽明的组件边缘(或开坡口)。这就保证了摄像机可识别下一步过程的焊缝(包括大型组件),并保持高精确焊接。

因此,即使有很多的焊层,也可以实现均匀接缝。数字可以更好地解释焊接工艺应用的尺寸:对于一个长13米,直径1米,重30公斤,带双轴焊丝的钻机,将单独被用于接头焊接。后续铠装焊接将需要15公斤的特殊焊线。一字排开,这相当于一个长200米的焊缝。“铠装焊接激光摄像机的编程是另一大亮点”Gerald Huber继续道。“首先将内部管道的直径,钻头外径,及螺旋导线的相关数据输入系统,并显示在显示屏上。这些信息就足以启动焊接程序。对于铠装,在图形界面上选择相应的焊缝形状,同时数据传送到自动焊缝跟踪摄像机。总体上,一个完整的钻头的加工周期减少了大约30%。工作人员仅需作预选螺旋,然后机器人以双位操作模式根据定义的路径自动进行焊接。

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职业健康与安全至关重要

工人的工作不再单调,而且执行焊接任务时对体力的损耗减少。徕斯的方案帮助改良了焊接的工作环境。由于机器人工作路径宽泛,安装排气罩进行废气排放不可行。排气罩意味着会干扰的机器人运行,因此会限制系统的可用性与灵活性。现在使用的是Stauffer提供的点式吸取装置,可直接安装到机器人上。这更加高效、更加有针对性,气能也更加经济。废气进行微过滤,净化程度可达到99.97%,这样空气可返回车间。在冬季,因为几乎没有热量流失,此方案可以节省加热成本。

一切在于灵活性

在初步讨论这篇文章期间,作者发现了完全不同的系统组件。钻孔工具的连接器进行了焊接。这些组件由回火钢1.7218 (25 CrMo 4)制成。两个组件(内外爪)进行预热,并通过特殊的线进行焊接。

更多信息:如果有客户想要随时更换石油钻探装置,那么系统就会运行滑动板片的命令。这些平钢板厚度约50毫米、宽1200毫米、长5200毫米,均被连杆装配在系统上。这种设计使得数个板片联锁,形成了一个连续的表面。在滑动板片的正反面,机器人进行相应的焊缝接合操作。

以上情况说明了该系统是如何针对不同任务,进行快速灵活地调整与编程。编程由徕斯的直观示教软件完成。双轴旋转/倾斜RDK26变位机上的工装可使工件再次变位,进行背部加工。因此,钻机焊接系统可针对不同的意外任务进行快速调整。

结论

Gerald Huber对首个自动化焊接系统表示非常满意。在下单后数个月,就进行了调试,从2009年至今运行得毫无差错。为了让我们更好地理解该解决方案,徕斯技术实验室邀请了我们对接头焊接与铠装进行测试。更让我们满意的是,徕斯的专家团队为我们提供全面的服务,在程序设计和编程方面也给予我们宝贵的建议。

公司员工很快就接受了该系统的控制和编程工作站。他们使用该系统可在短时间内进行生产。感谢此项工程的成功进行,进一步的自动化项目已经列入Gerald Huber的清单。他正在考虑钢结构加工及工件开坡口的机器人应用。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/18/2013)
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