焊机群控在刀盘焊接技术中的应用

焊机群控在刀盘焊接技术中的应用

王安勇1张志刚1董方永1李时红1郭志2

（1.中铁工程装备集团盾构制造有限公司河南郑州450000

2.国网淮南供电公司安徽淮南232000）

摘要：本文主要是探讨研究盾构机刀盘焊接如何实现智能化群控的可行性，以中铁306号刀盘制造为例，通过充分的调研、系统的提出一套具有实践意义的刀盘群控焊接智能制造的预研方案。该焊机群控系统可以根据焊接工艺要求来对焊接规范进行设置，下传给指定焊机后，焊机将严格按照工艺随着焊接工艺的不断完善，操作人员只能在设定的规范内调节，焊工将无法随意调节电流、电压等。最后通过方案的实施，与厂家合作开展一系列实验室研究并进行验证，从而实现刀盘的群控制造，为逐步实现公司智能制造战略规划提供技术支持。

ApplicationofWeldingMachineGroupControlinCutterHeadWeldingTechnology

ABSTRACT：Thispapermainlydiscussesthefeasibilityofrealizingintelligentgroupcontrolforshieldmachinetoolheadwelding.TakingthemanufactureofcutterheadNo.306ofChinaRailwayasanexample,asetofpre-researchschemesforpracticalintelligentmanufacturingofcutterheadgroupcontrolweldingareputforwardthroughfullinvestigationandsystematicresearch.Theweldingmachinegroupcontrolsystemcansettheweldingspecificationsaccordingtotheweldingprocessrequirements.Afterbeingtransmittedtothedesignatedweldingmachine,theweldingmachinewillstrictlyfollowtheprocesswiththecontinuousimprovementoftheweldingprocess.Theoperatorcanonlyadjustwithinthesetspecifications,andthewelderwillnotbeabletoadjustthecurrentandvoltageatwill.Finally,throughtheimplementationofthescheme,aseriesoflaboratoryresearchandverificationarecarriedoutincooperationwiththemanufacturer,soastorealizethegroupcontrolmanufacturingofcuttersandprovidetechnicalsupportforthegradualrealizationofthecompany'sintelligentmanufacturingstrategicplanning.

1、焊机群控技术

1.1意义

焊接是指通过加热、加压或同时即热加压，使两个分离的固态物体产生原子或分子间的结合核扩散，形成永久连接的一种工艺方法[1]。金属的熔化焊接是利用局部加热的方法，将金属焊件的结合处加热到熔化状态，冷凝后彼此结合为一体的焊接方法。焊接群控管理系统将现代化的管理手段与先进的网络通信技术应用于焊接生产过程控制，以提高焊接生产的自动化程度与管理水平，实现主要、关键产品焊接过程的集中监控。通过统一焊机焊接规范，防止焊接操作工超规范焊接，提高焊缝质量，从而实现管理精细化、科学化的目标，提高工厂的整体管理水平[2]。

1.2原理与特点

焊接数据管理系统是焊机工作状态与过程参数通过有线以太网上传至服务器的数据库，通过远程登录软件客户端实现焊机的在线管理与实时监控。所有焊机的焊接数据会上传到服务器，并保存在数据库内，网络内的任何安装有客户端软件的PC都可以同时查看焊机的工作状态与过程数据和波形,可以根据用户的身份设定不同的权限[3]。具有以下几大特点[4]：（1）技术先进，标准化程度高，现场安装维护简单；（2）实时性强，所有焊机的焊接参数都可以实时采集；（3）通过监控系统实时采集焊接参数，可以对焊接质量进行及时地分析和监控，为实现焊接质量的在线评测提供帮助；（4）焊接工艺参数集中管理功能，可以统一焊机的焊接参数规范管理。

2、盾构机刀盘研究现状

盾构机是具备多种功能于一体的综合性设备，主要依靠刀盘对掌子面进行开挖。盾构机在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机和后配套拖车等；刀盘是盾构机的核心部位。刀盘的主要功能是：开挖掌子面、稳定掌子面，搅拌岩土。由于刀盘设计都是有针对性的，根据地层及用户需求进行设计[5]。还要综合考虑的因素：开口率、面板布置方式、刀具分布等等。刀盘形式多种：辐条式、辐版式、面板式等等。具体选用刀盘形式，都需要根据具体情况而定[6]。其中，面板式刀盘一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。切刀布置在面板上开口的两侧，滚刀通过刀座布置在刀盘上，刀盘开口率较小，在30%左右。面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压≠测量土压，因而土压管理困难；刀具负荷大，寿命短;由于地层对卵石的约束力弱，不论滚刀还是撕裂刀，都不能对卵石进行有效的破碎。辐条式刀盘主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀，刀盘开口率很大，约在60%－95%之间，属开敞式。辐条式刀盘的优点是开挖面土压=测量土压，因而能对土压进行有效的管理;同时刀具负荷小，寿命长;卵石的处理与地层的约束力无关，缺点是不能限制大粒径的卵石进入土仓。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘的特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部，开口率约在35%－50%之间。所以刀盘刀具的生产要求很高。目前国内刀盘主要在生产中大量是非标生产，智能化程度不高[7]。

3、方法与技术路线

在充分调研目前刀盘制造现状的基础上，总结目前刀盘制作中存在的问题，依托公司生产制造平台，成立专门的课题组，借助公司现有的用于刀盘焊接的一系列先进加工设备，重点针对刀盘焊接制造中存在问题，结合目前市场上的群控焊接系统，制定适合我公司刀盘群控焊接的要求，通过和厂家合作开展一系列实验室研究，并随后在工厂进行验证，形成基础资料和工艺。在此基础上，开展适合于刀盘整体组对焊接的群控制作研究，从而实现刀盘的群控制造。

针对产品要求，充分调研目前刀盘制造现状→分析刀盘焊接制造中存在问题→焊接工艺的分析→工艺路线的制定→选择群控焊接监控工作站→根据工件坡口形式做焊接实验→工件下料、倒坡口、拼点成型→编辑群控焊接数据库→检验焊接质量→整理资料→制定焊接工艺文件→产品测试→资料整理。最后，成立专项的研究小组，盾构制造公司王安永为项目负责人，研发小组有制造经验丰富的车间一线员工组成，有利于保证项目成果的科学性、实用性，有利于保证最终产品的质量可靠性。

4、刀盘群控焊接工艺过程及工作原理

4.1备管设理

图1设备管理信息图

在系统中记录焊接相关信息如图1所示，从图中能够清晰的显示出各焊接班组、焊机名称、焊机型号、焊件材质、焊件厚度、责任人等一些基本信息

4.2系统设理

然后对导入每台焊机的电流、电压高低的设定；可导出焊机使用的电流、电压、焊丝使用量以及气体使用情况的数值参数、焊丝和气体的使用量等，导出格式可选择Excel、pdf等，便于焊丝、气体等耗材的准确计算；可在软件上直接查看焊接使用时的电压、电流的大小是否超出焊接工艺规定数值范围；

图2系统管理信息图

4.3工艺管理

使用后台软件统一设定工艺参数，包含焊接电流、电压，起弧，收弧的电压、电流等一些符合工艺设定的数值参数。另现场可根据实际情况进行微调，但后台可控制微调范围。

图3工艺管理信息图

刀盘焊机群控焊接的数据库开发。数据统计主要是对焊机一段时间的（指定时间段、日、月、年）焊接时间、焊材、气流量、电量的统计，根据实际需要情况生成报表导出作为数据的分析材料。运用AOTAI焊机群控管理系统软件设置焊机参数，现场焊接操作人员使用个人IC卡插入焊机的IC卡读卡器，此时焊机打开后所显示的焊接电流、电压等便自为AOTAI程序设置的参数；使用焊机在现场焊接，看工艺规定参数值是否满足现场焊接质量要求，及时反馈以便采集刀盘焊机群控焊接的数据；

4.4信息监控

利用后台软件的信息监控系统可以快捷的查看出各焊机的编号、焊接时所用的电流、电压、气流量等各参数值的使用情况、各焊机的运行状态、工作时间、有无故障等重要信息。

图4信息监控图

4.5群控系统的焊接成本管控

使用AOTAI焊机群控管理系统软件导出所统计的焊接数据，加以分析焊接时间、使用耗材（焊丝、气体）的多少以及消耗电量的多少来核算成本。

图5焊接数据图

5、实验

根据实际生产将群控管理系统和奥太焊机的匹配进行软件适应性测试，明确需求统计表如电流、电压、气体、送丝速度、等，对软件的二次开发。使用系统焊机焊接刀盘焊接量由少到多，由简到繁的进行控制，解决软件匹配性和适应性问题。以刀盘主梁群控焊接为例，为了控制工件的焊接变形，首先我们通过电脑控制设定好焊接规范同时四主梁及三柱梁都采取先焊接中间筋板再焊接两侧筋板。主梁筋板共40mm厚，其坡口形式为双面坡口，具体的坡口焊接方式为先整体焊接刀盘主梁一侧焊缝，同侧焊缝焊接完成后焊接另一侧焊缝。其中，主梁拼点形式如图6所示。主梁筋板是双面坡口，为了保证焊接质量，在未焊接的一侧贴上陶瓷垫片。

图6拼点形式

经过此焊接工艺：先焊中间再焊两侧，同一筋板焊缝采用各焊一条焊缝的方法，在不使用防变形支撑的情况下变形量在2-3mm。背面加陶瓷垫片的焊缝，经过超声波探伤，满足超声波I级探伤。

图7正面焊缝焊接完成后，背面成型

6、结论

通过群控管理焊接有效的提高了焊接效率和焊接质量。实现了焊接成本数据化统计与管控，建立了一套基于群控焊机的焊接数据库，使焊缝一次探伤合格率达百分之98以上对于我公司未来的群控智能焊接、智能制造积累了一部分经验。

参考文献：

[1]张威杰,马梅娟.焊接群控技术应用[J].科技与企业,2014(15):417-417.

[2]林卫明,李新超.焊机群控系统技术[J].汽车工艺师,2012(2):84-85.

[3]焊机群控系统数据服务器软件的设计[D].山东大学,2016.

[4]杜煦.焊机群控方法及管理系统[D].江苏科技大学,2011.

[5]杨明,熊计,郭智兴,等.国内外盾构机刀盘和刀具研究现状概况[J].工具技术,2013,47(4):8-11.

[6]崔国华,王国强,何恩光,等.盾构机的研究现状及发展前景[J].矿山机械,2006(6):24-27.

[7]张忠健,张璐,贺军,等.盾构刀具产业现状及发展[J].硬质合金,2015(5):340-346.