焊接机器人工作站在钻头焊接中的应用探究

　　下面文章主要通过对PDC钻头环缝和螺旋刮刀钻头焊接工艺性的分析，研究并应用了适用于PDC钻头环缝和螺旋刮刀钻头焊接的机器人工作站，实现了钻头的自动化、智能化焊接。而且通过对钻头的加工装配精度、定位及装夹的控制，取得了良好的焊接效果。

　　关键词：焊接机器人工作站,螺旋刮刀钻头,钻头焊接

　　1概述

　　PDC钻头，又称聚晶金刚石复合片钻头，是破碎岩石的有效工具，包括胎体PDC钻头和钢体PDC钻头，现已被井队广泛用于钻井作业中。螺旋刮刀钻头，主要用于油田表层钻井中，以刮削和刮挤的方式破碎地层。钻头焊接是钻头生产过程中的重要环节，焊缝质量的好坏直接影响钻头的制造质量。

　　钻头焊接过程主要包括PDC钻头环缝焊接和螺旋刮刀钻头焊接。目前，钻头焊接采用二氧化碳气体保护焊工艺进行人工焊接，操作人员近距离接触高温、弧光、飞溅和尘毒等危害，存在劳动强度大、焊接质量稳定性差、焊接效率低等问题。本文通过对PDC钻头环缝和螺旋刮刀钻头焊接工艺性的分析，对适用于PDC钻头环缝和螺旋刮刀钻头焊接的机器人工作站进行了研究和应用，并通过对钻头装配精度的控制，实现了钻头焊接的自动化和智能化。

　　2钻头焊接工艺性分析

　　2.1PDC钻头环缝焊接工艺

　　C钻头环缝焊接接头材质为35CrMo，钢芯为20#钢或35CrMo，焊缝高度为20mm。焊前需预热，预热温度为250℃，防止焊接变形和裂纹的产生。采用多层多道焊，周向焊满，坡口余高2~3mm，焊接层数3~4层。

　　2.2螺旋刮刀钻头焊接工艺

　　螺旋刮刀钻头刮刀刀片和螺旋片材质为Q235-B钢板，螺旋体和圆帽为35CrMo，焊缝高度20mm，采用多层多道焊，焊接层数为4层。螺旋体和刮刀片焊接方式为角焊缝。采用专门设计的工装卡具，在工作站内进行螺旋体和圆帽、螺旋体和刮刀刀片、螺旋体和螺旋片的点焊，实现螺旋刮刀钻头机器人焊接的全自动化。

　　3钻头焊接机器人工作站设计

　　根据钻头型号和特点，兼顾焊接机器人工作站的通用性，钻头夹持最大长度不大于800mm，最大重量不大于500kg，螺旋刮刀钻头自动点焊，来设计机器人的工作半径和工作范围、变位机、液压卡盘及辅助工装卡具[1]。依照PDC钻头环焊缝和螺旋刮刀钻头焊接工艺及现场生产实际要求，采用单工位，由KUKA焊接机器人及控制系统、DLL750型变位机、圆帽定位器和刮刀片定位器、Phonenix焊接电源、清枪剪丝机构、弧焊功能包和电弧跟踪软件包等组成的焊接机器人工作站，实现不同规格和型号钻头的自动化焊接。

　　3.1机器人系统及控制器

　　机器人系统及控制器包括KR5arc机器人、KRC4机器人控制器、SMARTPAD编程控制器及连接电缆。机器人为德国库卡公司KR5arc弧焊6轴工业机器人，第六轴负载为5kg，重复定位精度+/-0.04mm。KRC4控制柜采用库卡VKCP编程及控制，可控制轴数为6~8个。SMARTPAD编程控制器，基于Win⁃dows平台的操作系统，可选择多种语言(包括中文)，6D空间鼠标，示教过程简单方便。

　　3.2变位机及工装系统

　　变位机及工装系统主要包括DLL750型变位机、圆帽定位器、刮刀片定位器、液压卡盘及卡爪等部分组成。焊接变位机通过翻转盘翻转运动使工件处于最佳焊接位置，与焊接机器人配套组成自动化焊接系统[2]。最大旋转速度11.16r/min，最大负载750kg，翻转角度±96°，重复定位精度±0.1°。圆帽定位器是实现螺旋刮刀钻头圆帽与螺旋体点焊定位的专用工装。包括箱体、气缸驱动的定位圆盘、红色指示灯、绿色指示灯、启动I按钮、启动II按钮、停止按钮和急停开关。

　　气缸行程250mm。刮刀片定位器是实现螺旋刮刀钻头刮刀刀片、螺旋片与螺旋体点焊定位的专用工装。主要由夹钳组件组成。包括箱体、气缸驱动的定位台、定位台上的定位螺钉、快速夹钳I、快速夹钳II和快速夹钳III，定位台和箱体之间通过直线导轨副相连。

　　3.3焊接电源和清枪剪丝机构

　　焊接电源采用Phonenix522pulsM340型号。数字化控制逆变电源，完美的引弧性能和焊接性能，焊接效率高，飞溅少，应用性强。通过RC控制面板，可以对焊接电源进行编程，操作方便，可以很方便地查看所有设定值、实时参数以及当前系统状态。256个预置的焊接任务，每个焊接任务下15个焊接程序，可以直接存储焊接的各个参数。清枪剪丝机构是机器人工作站的必须配置。为了确保焊接质量，实现自动化生产，焊枪喷嘴内部的飞溅必须定期清理。

　　清枪程序可以插入任意焊接程序之后，清枪的间隔周期基于不同的焊接任务和工艺，根据经验而预先设定。清枪方式为气动双刃铣刀伸入固定的喷嘴内部旋转刮除飞溅，压力为6~8bar，清枪节拍为4~5s。由于需要使用接触传感器寻找焊缝，一致的焊丝长度成为必要的条件，因此在寻找焊缝之前，需要采用剪丝机构保证一致的干伸长。

　　3.4弧焊功能包和电弧跟踪软件包

　　弧焊功能包的应用，可以在示教器上显示并控制焊接参数，快速设定焊枪的常用动作。库卡编程模板中的基本命令，例如动作命令——直线、圆弧、点对点差补、直线插补、圆弧插补、直线+摆动、圆弧+摆动差补等，和常用逻辑命令——wait、waitfor等，均采用快捷方式调用，并以填空的方式出现，编程人员只要将相关参数填进即可，简单易学。

　　库卡的绝对位置记忆功能、程序逻辑功能，结合焊机等外围设备的信号反馈，能很好地处理焊接过程中遇见的问题。例如，由于电源或送丝机故障，系统中断了焊接过程;在排除了故障后，可选择“继续上次焊接”功能，那么机器人会自动回到上次停止的位置继续焊接。弧焊功能包中有常用的焊枪摆动形式，操作人员可直接调用想用的形式，然后将相关参数填充;或者操作人员可自定义机器人的摆动方式。工件的位置和外形偏差，使本来示教的机器人焊接轨迹要被“修正”，电弧跟软件包可以在焊接过程中修正这类偏差，机器人的实际焊接轨迹将被修正，跟踪实际焊缝[3]。

　　4焊接工艺

　　4.1钻头加工装配精度控制

　　钻头的加工装配的一致性，是实现一次编程，同种规格型号钻头自动焊接成型的必要保证，也是先决条件。因此在保证焊接的前提下，零件形位公差尺寸精度不大于3mm，PDC钻头装配后工件焊缝位置偏差不大于2mm，焊缝间隙不大于2mm，螺旋刮刀钻头装配后焊缝间隙不大于3mm。

　　控制钻头加工装配的一致性，从以下3个方面进行：①提高零件尺寸精度，坡口加工精度，减少零件本身的误差。刮刀刀片和螺旋片采用数控火焰切割机下料，下料加工余量尺寸可控制在1mm以内。接头和螺旋体坡口和螺纹采用数控管螺纹车床加工，可极大地提高加工精度和一致性。②装配要保证焊缝间隙的公差，避免过紧或过松，间隙过大或过小。③点焊位置要合理，定位焊要均匀，减少应力和变形。

　　4.2钻头的定位及装夹

　　钻头的定位是实现机器人焊接的必要条件，定位基准要统一，且钻头的装夹要相对容易。因此，选择钻头接头和螺旋体端面作为定位和装夹的基准，钻头重复定位精度不大于3mm。因此工件表面不得有影响焊接质量的油锈、水分、尘灰，不得有影响定位的流挂和毛刺等。变位机的夹紧机构为三爪液压同步卡盘，可方便实现精准定位。

　　4.3示教编程

　　对于不同形状的焊缝，示教编程有不同的要点。首先要调整好焊枪的姿态，以保证焊接成型质量。对于长直焊缝，要多设定点，保证焊缝位置的准确性。对于环焊缝，定点数量设置要合理，使用配置的接触传感功能包和电弧跟踪软件包。接触传感根据焊缝位置变化值修改焊接轨迹，确保焊接位置一致性。电弧跟踪通过检测焊接电流变化，修正焊枪与钻头的位置轨迹关系，实现在线跟踪功能。焊枪在焊接一段时间后，要编制清洗程序，进行清枪剪丝。

　　5结语

　　通过设计研究符合钻头焊接要求的焊接机器人工作站，实现了PDC钻头环焊缝和螺旋刮刀钻头的自动化焊接，提高了钻头焊接质量的稳定性和生产效率。自动化焊接对钻头加工精度、钻头装配精度、重复定位精度、组对一致性要求较高，对我们的工件加工提出了更高的要求。焊接机器人工作站在钻头焊接中的研究与应用，将大大提高钻头的质量和工效，减轻工人劳动强度，提高企业的加工制造的现代化水平，提升企业竞争力。

　　参考文献：

　　[1]陈渌漪.焊接机器人工作站的设计与实现[D].北京工业大学，2012.

　　[2]李素萍，李永刚.变位机在机器人焊接工作站中的应用[J].机器人技术与应用，2014(4):33-36.

　　[3]徐晅，黄敦新，黄智成.铜板风口机器人焊接工作站的开发与应用[J].机械设计与制造，2016(3):121-123.

　　机械工程师评职期刊：机械设计与制造杂志于1963年创办，曾用刊名：(辽宁机械)，系国家核心期刊、科技论文统计用刊，国内外公开发行。