视觉引导机器人自动上料的剪力钉自动焊接设备设计

孙 文， 姜洪旗， 杜 康， 姜爱宁， 王广超

（山东核电设备制造有限公司， 山东 海阳 265118）

0 引言

“剪力钉”一词是来自国外核电机组设计文件中的直译[1]。 国内将剪力钉又称螺钉、螺柱、栓钉（称为“栓钉”较多）。 第三代非能动核电单机组结构模块子模块数量230多个， 焊接母板为大尺寸矩形平板结构， 最大长度约为15m，最大宽度约为4m。 剪力钉规格是长150～310mm，直径φ12～φ25mm，单机组剪力钉总数约45 万颗。 国外已推出各种系列的自动螺柱焊机， 包括进行大批量加工制造的自动流水作业线，所适用的焊钉直径3～14mm，长度6～35mm，焊接工件面积普遍较小，不适用于第三代非能动核电机组中结构模块剪力钉的焊接。 目前，在结构模块制造中， 剪力钉焊接主要采用手持式电弧螺柱焊枪进行焊接，工艺流程为：划线、打点、磨光、放瓷环、剪力钉放于焊枪、焊接等工序。 采用手持式电弧螺柱焊枪进行焊接，需要人工长时间弯腰作业，存在劳动强度过大，焊接质量不稳定的问题。 因此，有必要集成和研发一套适用于大尺寸剪力钉、大面板、有瓷环保护的剪力钉自动焊接设备，降低工人劳动强度，保证焊接质量的一致性。

1 剪力钉自动焊接设备总体设计方案

剪力钉自动焊接设备包含6 大系统： 数控龙门行走系统、3D 视觉系统、机器人抓取系统、剪力钉焊接系统、激光除锈系统、电气控制系统。

图1 剪力钉自动焊接设备总体结构三维图

剪力钉自动焊接设备采用数控系统控制， 纵向及横向的行走机构通过伺服驱动， 数控龙门移动系统上安装溜板装置，配置储料装置、翻转组合装置、机器人、焊枪升降系统，并一起沿Y 轴移动；在溜板上配置升降Z 轴，专用焊枪固定在Z 轴上；溜板上配置料框及机器人，用于焊接件的自动拾取、装配及安装。数控龙门移动系统按程序运动到焊接位置，取料机器人负责抓取剪力钉和陶瓷环。送料机器人抓取装配好的瓷环和剪力钉，送到焊枪上。焊枪自动下降，进行焊接作业。

在自动控制系统中，采用X/Y/Z 向定位功能，完成点位定向。满足响应速度快、高精度，采用软件编程，通过模块化的编程方案，可以满足参数的快速修改和调试，伺服驱动参数设置，满足系统的需求。

2 视觉及机器人抓取系统

在机器人自动焊接设备中，采用3D 视觉引导机器人抓取系统，完成剪力钉、磁环的抓取、装配等动作。

图2 视觉及机器人抓取系统三维图

表1 视觉及机器人抓取系统配置表

3D 视觉系统安装在料盒上方固定位置，分别通过激光扫描两个料盒并收集瓷环和剪力钉3D 图像信息，经过后台3D 视觉软件处理， 给出磁环和剪力钉的正确位置，并把数据自动发给取料机器人， 取料机器人分别自动完成抓取磁环、剪力和装配等动作。送料机器人抓取装配好的瓷环和剪力钉，然后移动到焊接枪上，焊枪升降系统自动下降，接触到钢板后，触发焊枪焊接信号，进行焊接作业； 焊接完成后横梁移动一定距离以使焊枪与剪力钉脱开，然后焊枪升降系统自动上升到零位，移动到下一个焊接位置，重复以上焊接动作。

在机器人抓取系统中， 采用机器人3D 视觉定位系统，在软件操作的界面下可以设定拍照次数、拍照方式、拍照清晰度，拍照读取的模型参数及选择要求。 这样在设定拍照完成后，生产需要的标准模型模板存储，每次进行拍照优先选取与设定模板相似度极高的物体， 进行传输给机器人，按照要求进行对应的抓取动作。

图3 视觉及机器人系统工作流程图

3 剪力钉焊接系统

剪力钉焊接系统主要由焊接电源、 焊枪升降系统、手工螺柱焊枪、接线等组成。

剪力钉焊接是指在金属的端面与另一金属工件表面之间产生电弧，待接合面熔化迅速后施加压力，完成焊接的一种方法。 直径相对较大的杆件用电弧螺柱焊[2]。

3.1 激光除锈对剪力钉焊接质量的影响

激光除锈机利用高能激光束照射工件表面， 可高速有效地清除表面附着物，属非接触式清洁，可精确定位，工作效率高，且除锈过程无粉尘产生；激光除锈机能够快速清除物件表面树脂、油漆、油污、污渍、污垢、锈蚀、涂层、镀层以及氧化层等。将接头的清理达到标准要求的最好水平， 保证提高焊接质量。是目前5 种传统清洗 （除锈）方式中最好的一种，值得大力推广。

图4 焊枪尺寸图

3.2 焊接工艺流程及时间节拍

3D 视觉系统动作流程与机器人抓取送料系统以及自动焊接动作流程是同步进行的， 经过分析总结时间节拍19.5s， 与取料机器人基本同步，基本没有等待时间。验证结果表明：该设备设计合理，动作运行及衔接顺畅、准确、可靠，完全能满足三代核电结构模块剪力钉自动焊接的要求。

表2 视觉及取料机器人工艺流程和时间节拍分析

表3 装配机器人、自动焊接、龙门机构移位工艺流程和时间节拍分析

4 结论

通过将大型数控龙门移动系统、3D 视觉系统、机器人抓取系统、手工电弧螺柱焊机、 激光除锈系统、 数控编程软件相结合的剪力钉自动焊接设备， 真正实现了第三代非能动核电站结构模块剪力钉的全程自动焊接。 新型剪力钉自动焊接设备具有点动、自动、缺钉反馈、瓷环掉落报警等功能；具有大尺寸剪力钉自动取钉、送钉、瓷环抓取和钉环配合等功能； 具有大面积剪力钉自动送钉和能够准确定位功能。具有数控、高效套料划线功能；具有精确定位、非接触性清洁、不损伤基体、绿色环保、自动高效激光清洗（除锈）功能。 人工智能技术在剪力钉自动焊设备上的充分运用，取得了重大突破。 机器代替了人类的一部分体力劳动，人工智能则代替了人类的一部分脑力劳动[3]。随着新型剪力钉自动焊接设备逐渐运用，与操作人员之间的不断磨合，程序库的不断积累，该设备的可靠性和工作效率会进一步提高。