一种分离器马鞍机器人切割焊接系统设计

冯清华

（厦门聚行智能科技有限公司，福建 厦门 361021）

当前，随着劳动生产工人的短缺，在生产领域尤其是高安全风险岗位迫切需要开展机器换人工作，实现生产自动化，解决人员不足和劳动生产率较低等问题。在现代石油开采过程中，使用的压力容器筒体等石油装备的制造一般采用手工焊接，工序之间转移采用天车或者叉车等传统物流方式。采用传统方式转移物料需要大量人力配合才能完成作业流程，存在费时、费力、效率低等缺点，而且存在极大的安全隐患；工人工作环境恶劣、焊接质量及生产效率低下限制了行业的规模化发展。

由于切割及焊接对象筒体是压力容器重要部件，焊接质量对压力容器尤为重要。筒体及管座存在工件体型大、质量重、种类大小繁多、工艺复杂等一系列特点，要求切割焊接工人具有较高的专业作业水平，焊接专业人才人力成本较高。

传统的手工焊接方法无论是焊接质量的一致性，还是焊接效率及其安全可靠性上均不能满足作业需求，而加强板及接管物料输送物流技术、传感器圆周定位技术、激光扫描技术、物料定位点焊技术、机器人自动焊接技术等技术已较为成熟，可以应用于石油装备行业的分离器切割、组对、焊接环节，从而大大提高生产效率及自动化程度，保证生产环境安全，减轻焊接工人的劳动强度。

1 分离器马鞍机器人切割焊接系统结构概述

分离器马鞍机器人切割焊接系统装置如图1所示，包括多条轨道、PLC 控制系统、上料点焊升降机构、滚轮架变位机、鞍座自动组对工装、机器人切割焊接机构及输送车、工件筒体管座、观察小车。

图1 分离器马鞍机器人切割焊接系统立体结构示意图

该新型焊接系统设计目的是提供一种筒体管座切割组对焊接装置，实现对筒体管座自动切割、组对、焊接，提高生产效率及自动化程度，保证生产环境安全。

2 分离器马鞍机器人切割焊接系统特征分析

该新型设计的特征如下：包括PLC 控制系统、上料点焊升降机构、滚轮架变位机、鞍座自动组对工装及机器人切割焊接机构；滚轮架变位机、上料点焊升降机构、鞍座自动组对工装及机器人切割焊接机构分别在不同轨道上行走，轨道设置在地面上；工件筒体管座置于滚轮架变位机上，机器人切割焊接机构位于工件筒体管座一侧，鞍座自动组对工装位于工件筒体管座下方，而上料点焊升降机构跨越在工件筒体管座上；PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行切割孔位，借助上料点焊升降机构由人工对工件筒体管座顶部配件进行点焊固定，PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行焊接；PLC 控制系统控制滚轮架变位机转动工件筒体管座，对工件筒体管座底部进行切割焊接，并由鞍座自动组对工装安装鞍座。

此外，输送车在轨道上行走以输送焊接完成后的筒体管座，可升降载人的观察小车在轨道上行走。观察小车包括小车架体、升降机构、载人观察平台、伸缩机构及控制系统。小车架体在轨道上行走，载人观察平台借助升降机构在小车架体上运行，载人观察平台通过伸缩机构在升降机构上平移，控制系统控制升降机构及伸缩机构动作。上料点焊升降机构包括机构架体、点焊升降平台、平台升降机构及手工焊机。机构架体在轨道上行走，点焊升降平台通过平台升降机构在机构架体上运行，而手工焊机安装在点焊升降平台上，由人工通过手工焊机对工件筒体管座顶部进行点焊固定。

鞍座自动组对工装包括座体、液压机构、升降平台及夹紧机构。座体在轨道上行走，液压机构安装在座体中，升降平台安装在液压机构上，夹紧机构安装在升降平台上，夹紧机构对工件筒体管座进行固定定位。

机器人切割焊接机构包括可在轴旋转及轴升降的机构主体、切割机构、焊接机构及换枪机构，机构主体在轨道上沿轴行走，切割机构及焊接机构安装在机构主体上，由换枪机构切换切割机构、激光定位机构及焊接机构轮换工作。

机构主体上安装激光定位机构，激光定位机构与PLC 控制系统连接，形成焊接轨迹，还安装着烟尘处理机构。

3 分离器马鞍机器人切割焊接系统运行方式[3-5]

新型设计结构如图2 所示，该系统的滚轮架变位机、上料点焊升降机构、鞍座自动组对工装及机器人切割焊接机构分别在不同轨道上行走，轨道设置在地面上。工件筒体管座置于滚轮架变位机上，机器人切割焊接机构位于工件筒体管座一侧，鞍座自动组对工装位于工件筒体管座下方，而上料点焊升降机构跨越在工件筒体管座上。

图2 新型设计结构图

PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行切割孔位，借助上料点焊升降机构由人工对工件筒体管座顶部配件进行点焊固定，PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行焊接；PLC 控制系统控制滚轮架变位机转动工件筒体管座，对工件筒体管座底部进行切割焊接，并由鞍座自动组对工装安装鞍座。输送车在轨道上行走，以输送切割焊接完成后的工件筒体管座成品。

该系统还包括可以升降载人的观察小车，观察小车的结构如图3 所示，观察小车在轨道上行走。观察小车包括小车架体、升降机构、载人观察平台、伸缩机构及控制系统。小车架体在轨道上行走，载人观察平台借助升降机构在小车架体上运行，且载人观察平台通过伸缩机构在升降机构上平移，控制系统控制升降机构及伸缩机构动作。

图3 观察小车的结构示意图

上料点焊升降机构的上升状态、降落状态分别如图4、图5 所示。上料点焊升降机构包括机构架体、点焊升降平台、平台升降机构及手工焊机。机构架体在轨道上行走，点焊升降平台通过平台升降机构在机构架体上运行，而手工焊机安装在点焊升降平台上，由人工通过手工焊机对工件筒体管座顶部配件进行点焊固定。

图4 上料点焊升降机构的上升状态示意图

图5 上料点焊升降机构的降落状态示意图

鞍座自动组对工装的结构如图6 所示，鞍座自动组对工装包括座体、液压机构、升降平台及夹紧机构；座体在轨道上行走，液压机构安装在座体中，升降平台安装在液压机构上，而夹紧机构安装在升降平台上，夹紧机构对工件筒体管座进行固定定位。该夹紧机构为现有常规结构，此处不赘述。

图6 鞍座自动组对工装的结构示意图

机器人切割焊接机构的结构如图7 所示。机器人切割焊接机构包括可沿轴旋转及轴升降的机构主体、切割机构（图中未示出）、焊接机构及换枪机构，机构主体在轨道上沿轴行走，切割机构及焊接机构安装在机构主体上，由换枪机构切换切割机构及焊接机构轮换工作。

图7 机器人切割焊接机构的结构示意图

同时，在机构主体上安装激光定位机构，激光定位机构与PLC 控制系统连接，形成焊接轨迹。机构主体上还安装有烟尘处理机构。轮架变位机为现有常规技术，通常用于筒体结构的焊接转动，其具体结构此处不赘述。

新型PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行切割孔位，借助上料点焊升降机构由人工对工件筒体管座顶部配件（如法兰及弧板等）进行点焊固定，PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行焊接；PLC 控制系统控制滚轮架变位机转动工件筒体管座，对工件筒体管座底部进行相同的切割焊接，并由鞍座自动组对工装安装鞍座，实现对筒体管座自动切割、组对、焊接，提高生产效率及自动化程度，保证生产环境安全，减轻焊接工人的劳动强度。

4 新型分离器马鞍机器人切割焊接系统效果分析

采用新型分离器马鞍机器人切割焊接系统后，新型PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行切割孔位，借助上料点焊升降机构由人工对工件筒体管座顶部配件进行点焊固定，PLC 控制系统控制机器人切割焊接机构对工件筒体管座进行焊接；PLC 控制系统控制滚轮架变位机转动工件筒体管座，对工件筒体管座底部进行切割焊接，并由鞍座自动组对工装安装鞍座，实现对筒体管座自动切割、组对、焊接，提高生产效率及自动化程度，保证生产环境安全，减轻焊接工人的劳动强度。

5 结语

新型分离器马鞍机器人切割焊接系统的开发设计，在石油开采等工业生产中得到广泛应用，实现促进生产自动化、提高生产效率、增强生产作业的安全性等良好效果，从而为生产活动产生更高的效益。当前的工业生产活动越来越向自动化、智能化方向发展，新的机器人技术被广泛用于工作生产，逐步替代有生产风险的工作岗位，降低生产活动带来的人身安全隐患，从而达到安全生产与人员保护的双重目的。