下面文章主要通過(guò)對(duì)PDC鉆頭環(huán)縫和螺旋刮刀鉆頭焊接工藝性的分析，研究并應(yīng)用了適用于PDC鉆頭環(huán)縫和螺旋刮刀鉆頭焊接的機(jī)器人工作站，從而可以實(shí)現(xiàn)鉆頭的自動(dòng)化、智能化焊接。并且通過(guò)對(duì)鉆頭的加工裝配精度、定位及裝夾的控制，從而取得了良好的焊接效果。

　　關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人工作站,螺旋刮刀鉆頭,鉆頭焊接

　　1概述

　　PDC鉆頭,又稱聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭,是破碎巖石的有效工具,包括胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭，現(xiàn)已被井隊(duì)廣泛用于鉆井作業(yè)中。螺旋刮刀鉆頭,主要用于油田表層鉆井中,以刮削和刮擠的方式破碎地層。鉆頭焊接是鉆頭生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響鉆頭的制造質(zhì)量。

　　鉆頭焊接過(guò)程主要包括PDC鉆頭環(huán)縫焊接和螺旋刮刀鉆頭焊接。目前，鉆頭焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝進(jìn)行人工焊接，操作人員近距離接觸高溫、弧光、飛濺和塵毒等危害，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差、焊接效率低等問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)PDC鉆頭環(huán)縫和螺旋刮刀鉆頭焊接工藝性的分析，對(duì)適用于PDC鉆頭環(huán)縫和螺旋刮刀鉆頭焊接的機(jī)器人工作站進(jìn)行了研究和應(yīng)用，并通過(guò)對(duì)鉆頭裝配精度的控制，實(shí)現(xiàn)了鉆頭焊接的自動(dòng)化和智能化。

　　2鉆頭焊接工藝性分析

　　2.1PDC鉆頭環(huán)縫焊接工藝

　　C鉆頭環(huán)縫焊接接頭材質(zhì)為35CrMo,鋼芯為20#鋼或35CrMo,焊縫高度為20mm。焊前需預(yù)熱,預(yù)熱溫度為250℃,防止焊接變形和裂紋的產(chǎn)生。采用多層多道焊，周向焊滿，坡口余高2~3mm，焊接層數(shù)3~4層。2.2螺旋刮刀鉆頭焊接工藝螺旋刮刀鉆頭刮刀刀片和螺旋片材質(zhì)為Q235-B鋼板,螺旋體和圓帽為35CrMo,螺旋體和圓帽焊接坡口形式如圖1所示,焊縫高度20mm,采用多層多道焊,焊接層數(shù)為4層。螺旋體和刮刀片焊接方式為角焊縫，如圖2所示，焊接層數(shù)為2層。采用專門設(shè)計(jì)的工裝卡具，在工作站內(nèi)進(jìn)行螺旋體和圓帽、螺旋體和刮刀刀片、螺旋體和螺旋片的點(diǎn)焊，實(shí)現(xiàn)螺旋刮刀鉆頭機(jī)器人焊接的全自動(dòng)化。

　　3鉆頭焊接機(jī)器人

　　工作站設(shè)計(jì)根據(jù)鉆頭型號(hào)和特點(diǎn),兼顧焊接機(jī)器人工作站的通用性,鉆頭夾持最大長(zhǎng)度不大于800mm,最大重量不大于500kg,螺旋刮刀鉆頭自動(dòng)點(diǎn)焊,來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的工作半徑和工作范圍、變位機(jī)、液壓卡盤及輔助工裝卡具[1]。依照PDC鉆頭環(huán)焊縫和螺旋刮刀鉆頭焊接工藝及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際要求，采用單工位，由KUKA焊接機(jī)器人及控制系統(tǒng)、DLL750型變位機(jī)、圓帽定位器和刮刀片定位器、Phonenix焊接電源、清槍剪絲機(jī)構(gòu)、弧焊功能包和電弧跟蹤軟件包等組成的焊接機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格和型號(hào)鉆頭的自動(dòng)化焊接。

　　3.1機(jī)器人系統(tǒng)及控制器

　　機(jī)器人系統(tǒng)及控制器包括KR5arc機(jī)器人、KRC4機(jī)器人控制器、SMARTPAD編程控制器及連接電纜。機(jī)器人為德國(guó)庫(kù)卡公司KR5arc弧焊6軸工業(yè)機(jī)器人，第六軸負(fù)載為5kg，重復(fù)定位精度+/-0.04mm。KRC4控制柜采用庫(kù)卡VKCP編程及控制，可控制軸數(shù)為6~8個(gè)。SMARTPAD編程控制器，基于Win⁃dows平臺(tái)的操作系統(tǒng)，可選擇多種語(yǔ)言(包括中文)，6D空間鼠標(biāo)，示教過(guò)程簡(jiǎn)單方便。

　　3.2變位機(jī)及工裝系統(tǒng)

　　變位機(jī)及工裝系統(tǒng)主要包括DLL750型變位機(jī)、圓帽定位器、刮刀片定位器、液壓卡盤及卡爪等部分組成。焊接變位機(jī)通過(guò)翻轉(zhuǎn)盤翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使工件處于最佳焊接位置，與焊接機(jī)器人配套組成自動(dòng)化焊接系統(tǒng)[2]。最大旋轉(zhuǎn)速度11.16r/min，最大負(fù)載750kg，翻轉(zhuǎn)角度±96°，重復(fù)定位精度±0.1°。圓帽定位器是實(shí)現(xiàn)螺旋刮刀鉆頭圓帽與螺旋體點(diǎn)焊定位的專用工裝。包括箱體、氣缸驅(qū)動(dòng)的定位圓盤、紅色指示燈、綠色指示燈、啟動(dòng)I按鈕、啟動(dòng)II按鈕、停止按鈕和急停開(kāi)關(guān)。

　　氣缸行程250mm。刮刀片定位器是實(shí)現(xiàn)螺旋刮刀鉆頭刮刀刀片、螺旋片與螺旋體點(diǎn)焊定位的專用工裝。主要由夾鉗組件組成。包括箱體、氣缸驅(qū)動(dòng)的定位臺(tái)、定位臺(tái)上的定位螺釘、快速夾鉗I、快速夾鉗II和快速夾鉗III，定位臺(tái)和箱體之間通過(guò)直線導(dǎo)軌副相連。

　　3.3焊接電源和清槍剪絲機(jī)構(gòu)

　　焊接電源采用Phonenix522pulsM340型號(hào)。數(shù)字化控制逆變電源，完美的引弧性能和焊接性能，焊接效率高，飛濺少，應(yīng)用性強(qiáng)。通過(guò)RC控制面板，可以對(duì)焊接電源進(jìn)行編程，操作方便，可以很方便地查看所有設(shè)定值、實(shí)時(shí)參數(shù)以及當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。256個(gè)預(yù)置的焊接任務(wù)，每個(gè)焊接任務(wù)下15個(gè)焊接程序，可以直接存儲(chǔ)焊接的各個(gè)參數(shù)。

　　清槍剪絲機(jī)構(gòu)是機(jī)器人工作站的必須配置。為了確保焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，焊槍噴嘴內(nèi)部的飛濺必須定期清理。清槍程序可以插入任意焊接程序之后，清槍的間隔周期基于不同的焊接任務(wù)和工藝，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而預(yù)先設(shè)定。清槍方式為氣動(dòng)雙刃銑刀伸入固定的噴嘴內(nèi)部旋轉(zhuǎn)刮除飛濺，壓力為6~8bar，清槍節(jié)拍為4~5s。由于需要使用接觸傳感器尋找焊縫，一致的焊絲長(zhǎng)度成為必要的條件，因此在尋找焊縫之前，需要采用剪絲機(jī)構(gòu)保證一致的干伸長(zhǎng)。

　　3.4弧焊功能包和電弧跟蹤軟件包

　　弧焊功能包的應(yīng)用，可以在示教器上顯示并控制焊接參數(shù)，快速設(shè)定焊槍的常用動(dòng)作。庫(kù)卡編程模板中的基本命令，例如動(dòng)作命令——直線、圓弧、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)差補(bǔ)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、直線+擺動(dòng)、圓弧+擺動(dòng)差補(bǔ)等，和常用邏輯命令——wait、waitfor等，均采用快捷方式調(diào)用，并以填空的方式出現(xiàn)，編程人員只要將相關(guān)參數(shù)填進(jìn)即可，簡(jiǎn)單易學(xué)。庫(kù)卡的絕對(duì)位置記憶功能、程序邏輯功能，結(jié)合焊機(jī)等外圍設(shè)備的信號(hào)反饋，能很好地處理焊接過(guò)程中遇見(jiàn)的問(wèn)題。

　　例如，由于電源或送絲機(jī)故障，系統(tǒng)中斷了焊接過(guò)程;在排除了故障后，可選擇“繼續(xù)上次焊接”功能，那么機(jī)器人會(huì)自動(dòng)回到上次停止的位置繼續(xù)焊接。弧焊功能包中有常用的焊槍擺動(dòng)形式，操作人員可直接調(diào)用想用的形式，然后將相關(guān)參數(shù)填充;或者操作人員可自定義機(jī)器人的擺動(dòng)方式。工件的位置和外形偏差，使本來(lái)示教的機(jī)器人焊接軌跡要被“修正”，電弧跟軟件包可以在焊接過(guò)程中修正這類偏差，機(jī)器人的實(shí)際焊接軌跡將被修正，跟蹤實(shí)際焊縫[3]。

　　4焊接工藝

　　4.1鉆頭加工裝配精度控制

　　鉆頭的加工裝配的一致性，是實(shí)現(xiàn)一次編程，同種規(guī)格型號(hào)鉆頭自動(dòng)焊接成型的必要保證，也是先決條件。因此在保證焊接的前提下，零件形位公差尺寸精度不大于3mm，PDC鉆頭裝配后工件焊縫位置偏差不大于2mm，焊縫間隙不大于2mm，螺旋刮刀鉆頭裝配后焊縫間隙不大于3mm。控制鉆頭加工裝配的一致性，從以下3個(gè)方面進(jìn)行：①提高零件尺寸精度，坡口加工精度，減少零件本身的誤差。刮刀刀片和螺旋片采用數(shù)控火焰切割機(jī)下料，下料加工余量尺寸可控制在1mm以內(nèi)。接頭和螺旋體坡口和螺紋采用數(shù)控管螺紋車床加工，可極大地提高加工精度和一致性。②裝配要保證焊縫間隙的公差，避免過(guò)緊或過(guò)松，間隙過(guò)大或過(guò)小。③點(diǎn)焊位置要合理，定位焊要均勻，減少應(yīng)力和變形。

　　4.2鉆頭的定位及裝夾

　　鉆頭的定位是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接的必要條件，定位基準(zhǔn)要統(tǒng)一，且鉆頭的裝夾要相對(duì)容易。因此，選擇鉆頭接頭和螺旋體端面作為定位和裝夾的基準(zhǔn)，鉆頭重復(fù)定位精度不大于3mm。因此工件表面不得有影響焊接質(zhì)量的油銹、水分、塵灰，不得有影響定位的流掛和毛刺等。變位機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)為三爪液壓同步卡盤，可方便實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

　　4.3示教編程

　　對(duì)于不同形狀的焊縫，示教編程有不同的要點(diǎn)。首先要調(diào)整好焊槍的姿態(tài)，以保證焊接成型質(zhì)量。對(duì)于長(zhǎng)直焊縫，要多設(shè)定點(diǎn)，保證焊縫位置的準(zhǔn)確性。對(duì)于環(huán)焊縫，定點(diǎn)數(shù)量設(shè)置要合理，使用配置的接觸傳感功能包和電弧跟蹤軟件包。接觸傳感根據(jù)焊縫位置變化值修改焊接軌跡，確保焊接位置一致性。電弧跟蹤通過(guò)檢測(cè)焊接電流變化，修正焊槍與鉆頭的位置軌跡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在線跟蹤功能。焊槍在焊接一段時(shí)間后，要編制清洗程序，進(jìn)行清槍剪絲。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)設(shè)計(jì)研究符合鉆頭焊接要求的焊接機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭環(huán)焊縫和螺旋刮刀鉆頭的自動(dòng)化焊接，提高了鉆頭焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。自動(dòng)化焊接對(duì)鉆頭加工精度、鉆頭裝配精度、重復(fù)定位精度、組對(duì)一致性要求較高，對(duì)我們的工件加工提出了更高的要求。焊接機(jī)器人工作站在鉆頭焊接中的研究與應(yīng)用，將大大提高鉆頭的質(zhì)量和工效，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)的加工制造的現(xiàn)代化水平，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]陳淥漪.焊接機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京工業(yè)大學(xué),2012.

　　[2]李素萍,李永剛.變位機(jī)在機(jī)器人焊接工作站中的應(yīng)用[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2014(4):33-36.

　　[3]徐晅,黃敦新,黃智成.銅板風(fēng)口機(jī)器人焊接工作站的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016(3):121-123.

　　機(jī)械類期刊推薦：制造技術(shù)與機(jī)床創(chuàng)刊于1951年，由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)和北京機(jī)床研究所主辦，是機(jī)床及機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)�業(yè)技術(shù)期刊。