机器人焊接技术在钻孔设备制造上的应用

钻孔设备制造
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。

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。

关于Bauer Maschinen集团：

鲍尔有限公司持有110多家附属公司。鲍尔集团是专业基础工程设备开发与制造的世界市场领导者。鲍尔Maschinen GmbH开发和制造重型钻探设备、槽刀、抓取系统、,振动设备和深钻探设备,以及相关的工具,在Schrobenhausen、 Aresing及 Edelshausen都设有工厂。更多公司地点是在美国、俄罗斯、中国、马来西亚、意大利、新加坡、土耳其和瑞典。鲍尔集团拥有全球销售和服务网络。

关于德国徕斯机器人集团：

徕斯机器人精耕于机器人技术与系统集成，是全球自动化行业的引领者。徕斯为广大的工业领域提供定制化的全面系统解决方案，主要应用包括：焊接切割，铸造，搬运，激光应用，涂胶，光伏组件，动力电池等。机器人产品涵括旋转关节机器人，直线型机器人、龙门机器人，水平旋转关节机器人，以及特种机器人。此外，还提供标准外围设备，压力机与技术服务。56年持续的成功，源于徕斯在自动化系统交钥匙工程领域的丰硕经验与不断创新。徕斯机器人集团总部位于德国Obernburg，由4家德国公司和16家国际子公司组成，在欧洲、美洲及亚太区众多国家都有代表处和合作伙伴。徕斯中国作为徕斯集团全资子公司， 2007年初正式于上海青浦开展业务，2013年4月落户昆山高新区。