《國家電網報》刊發中國電科院專家撰寫的輸電鐵塔智能焊接科普報道

發布時間:2019-06-11

6月11日,《國家電網報》刊發中國電科院專家撰寫的輸電鐵塔智能焊接科普報道,全文如下:

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输电铁塔智能焊接 亟待推广应用

刘海锋 汪长智

如今,隨著工業發展和科技進步,制造業已進入向智能制造升級的曆史階段,物聯網、人工智能等新一代互聯網技術正加速向制造業滲透。在我國,人口結構日趨老齡化,人力成本逐漸上升,人工智能和精密儀器等加速發展,采用智能化系統代替繁重、枯燥、危險的人工勞動已成爲大勢所趨。輸電鐵塔加工行業亦不例外。

質量好效率高,智能焊接優勢凸顯

輸電鐵塔由很多金屬結構的零件組成,需要焊接在一起才能形成一個整體以承擔外荷載。焊接任務通常可采用手工或智能的方法完成。

手工焊接需要依靠焊工手持焊槍完成焊接任務。這種方法自從焊接技術出現後一直使用到今天。人工焊接的優點在于前期投入較小,經過簡單的培訓,焊工即可根據前期積累的焊接經驗,根據不同焊件靈活調整焊接方法。然而,焊接産生的高溫、強光和汙染性氣體會嚴重影響焊工的健康。這致使焊工的服役年限很短,一般不超過12年。因工作環境惡劣和對技術水平要求較高,焊接工人的工資通常較高,導致加工企業的人力成本較大。工件的焊接質量與焊工的主觀因素密切相關,這給輸電鐵塔質量的標准化管理帶來很大的困難。

智能焊接技術是依靠機器人手臂、焊機、電弧傳感器和焊接決策系統等軟硬件設備,模擬焊工的動作完成任務。其中,機器人手臂、電弧傳感器和焊接決策系統分別模擬焊工的手臂、眼睛和大腦。相對于手工焊接,智能焊接的優勢明顯。

機器人手臂和電弧傳感器的精度均高于0.01毫米,遠高于焊工的手臂和眼睛能達到的精度。因此,獲得正確的焊接路徑和執行算法後,智能焊接系統的焊接質量及標准化程度遠高于人工,所涉及的軟硬件系統也不受寒暑等客觀條件影響,工作效率很高。

智能制造獲政策支持,智能焊接技術亟待推廣

目前,在汽車與電子零部件加工等領域,智能焊接技術已得到了廣泛應用。其基本工序包括:將工件緊密固定在特制的工藝裝備上;通過多次人工試教及焊接效果評估,確定機器人手臂及焊槍的路徑,並將該路徑輸入到焊接決策系統;將其余同規格的待焊件以同樣的方式固定在同樣的工藝裝備上,機器人手臂會執行記憶中的焊接路徑。

從上述工序可以看出,智能焊接的成本隨工藝裝備的使用數量及路徑試教次數的增加而增大。對于汽車及電子産品行業來說,加工精度和標准化程度很高,且焊接路徑多爲平滑、無遮擋的曲線,所以試教的難度和工藝裝備規格的數量都是可控的。因此,2000年以來,在汽車與電子零部件加工行業,智能焊接以星火燎原之勢基本取代了手工焊接。

經調研,目前,國內外主要塔廠的焊接工作均依賴手工。這是因爲輸電鐵塔中的焊縫縱橫交錯,且多被零件遮擋,焊接路徑複雜,機器人手臂難以到達。

輸電鐵塔智能焊接技術作爲智能制造技術的一部分,得到了國家政策的有力支持。我國《智能制造發展規劃(2016~2020年)》明確,面向企業智能制造發展需求,推動裝備、自動化、軟件、信息技術等不同領域企業緊密合作、協同創新,推動産業鏈各環節企業分工協作、共同發展,逐步形成以智能制造系統集成商爲核心、各領域領先企業聯合推進、一大批定位于細分領域的“專精特”企業深度參與的智能制造發展生態體系。在輸電鐵塔加工領域,智能焊接技術亟待大規模推廣應用。

結合電力行業特點,推進智能焊接研究應用

爲積極響應國家號召與市場需求,應結合電力行業的特點,加快推進智能焊接技術的研究與試點應用。

智能焊接系统需要根据行业特点,合理配置智能焊接系统中的软硬件设备。长期以来,输电铁塔一直依靠手工焊接,而手工焊接的成本对输电铁塔零部件几何规格数量的变化不敏感,导致输电铁塔在设计时往往不考虑智能制造的要求。为此,中國電力科學研究院开展了输电铁塔节点标准化研究,在满足规范各项要求的前提下,权衡了塔重和制造成本的关系,大幅度减少了输电铁塔中零部件的几何规格数量,为智能焊接提供了便利条件。

輸電鐵塔零部件的加工精度一般低于0.8毫米,而焊接路徑偏移0.3毫米時,焊接質量就會受到很大的影響。爲此,中國電科院還開發了基于機器視覺和人工智能技術的焊接路徑決策系統。該系統可以精確識別工件中的特征點,模擬焊工的經驗,修正零部件的加工誤差,初步確定角鋼塔塔腳節點的焊接路徑。

同時,智能制造技術的應用也涉及輸電鐵塔研究、設計和制造在內的整個産業鏈,難以通過科研院所單獨推動,迫切需要政府、設計院、科研院所及塔廠的密切協同。

設計院在設計輸電鐵塔時,要積極考慮到智能焊接的要求,參考並充實節點標准化設計研究成果,盡量減少輸電鐵塔中節點的幾何規格數量,以減少工藝裝備的加工和焊接路徑試教的成本。

應大力推動塔廠與科研院所的密切合作。智能焊接技術需要科研院所利用理論分析、軟件開發等手段,合理模擬並升華焊工的各項操作。因此,塔廠多年積累的焊接經驗及管理方法非常重要。

應盡可能提供啓動資金,以鼓勵塔廠購買或試制智能焊接系統,開展試點應用。智能焊接技術上可行性很強、前途光明。然而,與其他新技術一樣,在初期階段,智能焊接技術的效率和盈利能力會遠低于人工焊接。同時,智能制造系統必須在不斷使用試錯中改進。目前,大多數塔廠的利潤率較低,很難自籌資金開展智能制造試點應用。因此,在鐵塔加工領域推廣智能制造需要政策扶持。

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