0 前言

盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备，它集成了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能，目前，盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。国内盾构机自主制造取得了骄人的成果，到2012年已经占据国内近50%市场，且已出口到多个国家。得益于国内地铁、铁路等轨道交通基础设施持续巨大投入，以及“一带一路”国际通道建设对于先进轨道交通的迫切巨大需求，盾构机市场将持续繁荣。

将式(17)～式(20)带入式(16)中,再将式(16)带入式(15)中即可得到目标的位置估计和速度估计的克拉美-罗下界。

盾构机在隧道掘进过程中，刀盘直接作用于岩土，通过刀具对岩土的挤压、冲击完成岩土切削和碾碎功能，岩土破碎所需要的动力通过主轴承、液压驱动马达带动刀盘来实现，所以刀盘性能至关重要。刀盘的设计已经逐步采用了三维建模、有限元分析等先进手段，例如，为保证盾构刀盘在使用过程中的强度和刚度，采用ANSYS软件对盾构刀盘进行有限元结构应力应变分析，合理配置刀盘各个设计性能参数，不但提高了刀盘整体安全性能，而且能够提高材料利用率，达到减重降低成本的效果[1]。但是，国内盾构机制造尤其是刀盘等大型、复杂、重要结构件的焊接，普遍采用半自动切割坡口、手工焊接、人工调度的落后生产模式，产品质量稳定性差,生产效率低，工人劳动强度极大。盾构机刀盘结构复杂，机器人焊接刚刚起步，为了实现部件乃至整个刀盘的机器人焊接，需要采用一系列先进的技术，例如增强计算机辅助焊接工艺设计功能、融合多种技术手段提升焊接过程监测水平,以及大力开发针对具体应用的焊接工艺规范数据库等[2]。

对于大厚度工件而言，焊接方法的选择以及焊接温度场、焊接变形非常重要，这方面的研究也比较多。另一方面，采用机器人提高焊接质量和效率也是重要发展方向[3-5]。文中研制的盾构机刀盘部件机器人焊接系统，主要用于中心刀梁、刀箱、扭腿等刀盘部件的制造，也可以用于盾构机管片拼装机等的制造，该焊接系统采用双工位布置，集成了焊接数据库和离线编程软件等先进技术。进行了中心刀梁、刀箱机器人焊接试验，并将盾构机刀盘部件机器人焊接系统成功地应用于生产中，显著提高了焊接质量和焊接效率、降低了工人劳动强度。

采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验，计数资料采用x2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

1 盾构机刀盘制造工艺流程与焊接特点

采用机器人进行盾构机刀盘部件焊接，需要数据库的支持。数据库分为两类，一是机器人出厂时配置的焊接专家条件数据库，二是用户建立的数据库。出厂时配置的专家数据库用于20 mm厚度以内平焊和船形焊位置的焊接，但是盾构机刀盘钢板厚度规格绝大多数是40 mm,80 mm及100 mm，所以需要通过焊接试验建立专用数据库。随着盾构机刀盘机器人焊接应用的增加，数据库积累越来越丰富，极大地简化了以后生产中的示教过程，因为操作人员只需要编辑焊件轨迹，焊接工艺数据库直接调用即可。

中心刀梁机器人焊接试验如图8所示，刀梁材料为Q345，刀梁高度450 mm，由11块厚度80 mm钢板焊接而成，采用带钝边双单边V形坡口，钝边厚度2 mm，坡口角度为35°。焊丝型号ER50-6，直径为1.2 mm，伸出长度为22 mm，保护气体为80%Ar+20%CO2，保护气体流量选择20～25 L/min。

  

图1 盾构机刀盘

  

图2 刀盘焊接结构

  

图3 刀盘制造工艺流程

盾构机刀盘部件机器人焊接系统采用与目前人工焊接相同的工艺，即熔化极气体保护电弧焊，保护气体为混合气80%Ar+20%CO2，通过焊接变位机之后获得的焊接位置包括平焊位置、船型焊位置，采用的实心焊丝直径为φ1.2 mm、焊丝伸出长度为25 mm。工件组对时要求点焊位置基本固定，焊脚尺寸小于3 mm，组对间隙小于2 mm。焊缝坡口形式遵循生产图纸要求，坡口角度不小于35°，坡口角度误差±1°以内，坡口深度误差1 mm以内，坡口表面平整光滑,不允许手工切割。

在盾构机刀盘部件机器人焊接系统设计之前，对刀盘部件生产节拍进行统计。统计以刀盘中心刀梁部件机器人焊接试验数据为基础，焊接时间及生产节拍均为实际焊接结果。机器人焊接系统采用双工位布置，装卸工件时间不占用机器人程序运行时间。产能设定为每个月生产6个刀盘、每个刀盘需要9个部件来计算。刀盘部件生产节拍统计见表1。由表1可知，设备规划数量为1.9，也就是说需要配置2套盾构机刀盘部件机器人焊接系统才能达到生产要求。

  

图4 盾构机刀盘人工焊接

2 盾构机刀盘部件机器人焊接系统设计

2.1 刀盘部件生产节拍

大刚惊讶地说：“噫，你还懂得这些？可别瞎蒙啊。”赵大刚是特种部队转业出身，一向对公子哥形象、富二代的刘志武有些看不惯。志武不以为然地说：“我蒙？对这个可是有一定研究的，四肢发达有什么用？干刑警得有知识得有头脑才行。”

2.2 盾构机刀盘部件机器人焊接系统构成

盾构机刀盘部件机器人焊接系统三维模型如图5所示，该机器人焊接系统主要用于中心刀梁、辅梁、扭腿底座、滚刀刀箱等部件焊接。该机器人焊接系统由1台弧焊机器人、1台焊接电源UC500、2台2轴变位机和1台1轴移动装置组成。机器人焊接系统总轴数为11轴,可以高效率焊接刀盘部件，适用部件最大尺寸(长×宽×高)为3 m×1.4 m×0.6 m，最大重量为6 000 kg。

 

表1 刀盘部件生产节拍统计表

  

焊接时间t/min辅助时间ta/min生产节拍t节/min辅助时间(吊装工件)t吊/min总节拍t总/h每天班数每班时间t班/h月工作日/天月产能/件设备规划数量1138．5173．41311．9021．873826541．9

  

图5 盾构机刀盘部件机器人焊接系统三维模型

与常规工程机械相比，国内盾构机起步晚，焊接制造技术落后。自动焊和机器人焊接在常规工程机械制造中应用日益广泛，尤其是近十多年来弧焊机器人应用取得了突出的效果[6-9]，并且对其核心技术例如起始点寻位、电弧传感焊缝跟踪、示教编程等进行了应用研究[10]。盾构机相对于常规工程机械而言，结构更复杂,钢板或者钢管厚度更大,焊接工作量更大。如图4所示，盾构机目前普遍采用人工焊接，存在一系列突出问题，例如焊工劳动强度极大、焊接烟雾对焊工健康产生直接影响，焊接效率低、焊缝外观差、焊缝质量稳定性和焊缝一致性差等。为此，采用机器人进行盾构机焊接成为非常迫切而现实的问题。

2.3 盾构机刀盘部件机器人焊接系统数据库功能

隧道盾构施工速度和成本的影响因素众多，为了高质量高效率完成隧道施工，刀盘必须具备合理的结构形式、足够的强度和总体刚度。此外，盾构机属于高度定制化的设备，不同的工程地质条件、不同的业主、不同的制造厂家等多种因素，共同确定最终的刀盘结构，例如采用辐条式刀盘还是面板式刀盘，以及刀盘开口率、附件配置等具体技术参数。

例如，对于图6所示的单边V 形坡口，焊角尺寸为18 mm 的角焊缝，前面3道参数见表2。数据库中的焊道编排由操作人员事先规划，采用一元化焊接，也就是设定的参数是焊接电流，而焊接电压、送丝速度等由焊接电源根据焊接电流进行自适应配置，焊接过程中的电弧跟踪可以开启也可以关闭。

（1）建立互动阅读活动平台：互动阅读活动平台主要是给各高校联盟内的阅读服务组织发布活动使用的，阅读组织可以经常通过该平台“张贴”发布各类主题的互动阅读活动信息，可以做到给每位阅读用户自动推送信息，阅读者可根据自己的阅读兴趣选择是否参与不同的活动。阅读者成功加入后可以在该活动的专属平台内畅所欲言或与其他阅读者进行互动交流。

  

图6 单边V 形坡口(焊角18 mm)

与机器人配套的焊接电源采用一元化操作，电弧电压以基准电压的百分比来表示，定义为φ1,基准电压以焊接电流为基础,根据(0.05×I+14)V来计算，百分比的取值范围是(80～120)%，表2中设定的是102%。表2中的停止时间是指焊丝摆到两侧时为了充分熔化两侧而需要的停留时间，以100 ms也就是0.1 s为单位。为了保证焊接质量，收弧时采用较小的电流，表2中是180 A，收弧时间指的是这个较小电流的维持时间，同样以100 ms也就是0.1 s为单位。收弧采用的电压，同样以基准电压的百分比来表示,定义为φ2。

 

表2 多层多道焊参数(单边V 形坡口，焊角18 mm)

  

道次焊接电流I/A弧基电压比ϕ1(%)焊接速度v/(mm·min-1)摆动宽度W/mm摆动次数n/(N·min-1)停止时间td/0．1s电弧点前后d1/mm电弧点左右d2/mm电弧点上下d3/mm收弧时间t/0．1s收弧电流I/A弧基电压比ϕ2(%)1300102270418000001018010023001022504600098301801003300102200124040141345180100

2.4 盾构机刀盘部件机器人焊接系统离线编程示教功能

与普通工程机械部件相比，盾构机刀盘部件要复杂许多，不仅焊缝众多，而且因为盾构机是定制性很强的产品，所以几乎每台盾构机刀盘尺寸、结构等都存在差异，在现场采用实物机器人进行焊前示教几乎完全不可能，所以需要采用离线编程示教软件，在焊接之前利用计算机完成示教工作。盾构机刀盘部件机器人焊接系统配置的离线编程软件K-OST32界面如图7所示。该离线编程软件运行在Windows系统上，功能与参数设置与实物机器人一一对应，而且界面风格与常用三维CAD软件类似，便于操作人员迅速掌握。现场实际编辑的程序可以读入离线软件中作为基础程序数据样本并在软件内部进行复制平移等操作的程序编辑。此外，在离线编程软件内编制的程序可以直接存储为机器人系统上专用程序，机器人系统可以直接进行调用修改再生动作；无论是在实物机器人上现场编制的程序，还是利用该离线编程软件编制的程序，都可以方便地进行管理，包括程序变换、合并、删除、复制和平移等操作。通过离线示教完成的数据用于实物机器人时，只需要做简单的修改，例如校正实物与离线编程软件中三维模型的坐标偏差，甚至可能不需要修改，即可载入机器人系统进行再现，获得理想的焊缝。

中心刀梁机器人焊接主要参数见表3。焊接试验表明，中心刀梁采用机器人焊接的适用率为100%，没有需要人工处理的焊缝。焊件的纯焊接时间为18 小时58 分钟30 秒，焊件的空走时间为1 小时44 分24 秒。

  

图7 离线编程示教系统界面

3 盾构机刀盘中心刀梁机器人焊接试验

某盾构机刀盘及其焊接结构分别如图1和图2所示。刀盘前端面布置辐板，辐板上配有滚刀座、刮刀座等。刀盘与驱动装置采用法兰连接，法兰与刀盘之间通过粗大的辐条相连。为保证刀盘在掘进时的耐磨性，刀盘的周边焊有耐磨条，面板上焊有栅格状的耐磨材料。刀盘制造工艺流程如图3所示。先通过切割和卷板进行圈梁及其他部件下料，然后采用半自动火焰切割机进行坡口加工，打磨之后组对进行圈梁、中心刀梁、主梁、刀箱、扭腿等部件的焊接，然后将部件进行组装焊接，之后进行数控加工、安装刀座、刀具，最后焊接耐磨层。

  

图8 中心刀梁机器人焊接试验

党的十九大报告指出，要完善职业教育和培训体系，深化产教融合、校企合作；要建设知识型、技能型、创新型劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气。这为职业教育发展指明了方向，规划了前景。职业教育站在新起点，要担当新使命，把握新要求，实现新作为。

 

表3 中心刀梁机器人焊接主要参数

  

焊接层次焊接电流I/A弧基电压比ϕ1(%)焊接速度v/(mm·min-1)摆动宽度W/mm摆动次数n/(N·min-1)底层300973003120填充320982808120盖面280973906100

4 盾构机刀盘刀箱机器人焊接试验

刀箱机器人焊接主要参数见表4。机器人焊接试验焊接的刀箱如图9所示，刀箱材料为Q345，刀箱高度为230 mm。刀箱焊接时采用与中心刀梁焊接相同的焊丝和保护气体。焊接试验表明，刀箱采用机器人焊接的适用率为100%，没有需要人工处理的焊缝。焊件的纯焊接时间为16分钟30 秒，焊件的空走时间为14分4 秒。

 

表4 刀箱机器人焊接主要参数

  

焊接位置焊接电流I/A弧基电压比ϕ1(%)焊接速度v/(mm·min-1)摆动宽度W/mm摆动次数n/(N·min-1)平焊280963503120船形焊250984503120

  

图9 机器人焊接的刀箱

5 盾构机刀盘部件机器人焊接系统生产应用

在图5三维模型设计的基础上，研制成功了盾构机刀盘部件机器人焊接系统，如图10所示。该机器人焊接系统已经用于刀箱、中心刀梁等盾构机部件的生产制造。图11是该机器人焊接生产的刀箱，图12是采用该机器人进行中心刀梁焊接。通过变位机，在平焊、船形焊位置进行刀箱、中心刀梁焊接，根据坡口深度设置焊层焊道数量，焊接电流为300～360 A，焊接速度为20～30 cm/min。焊接过程稳定，焊缝成形美观、一致性好，2 台2 轴变位机的双工位设置使得装卸工件时间不占用机器人程序运行时间，机器人焊接效率大幅提高。

  

图10 机器人焊接盾构机刀箱

  

图11 机器人焊接生产的刀箱

  

图12 中心刀梁机器人焊接

6 结论

(1)盾构机刀盘部件机器人焊接系统采用2 台2 轴变位机的双工位设置，与盾构机刀盘部件结构复杂的生产特点相适应，装卸工件时间不占用机器人程序运行时间。

(2)盾构机刀盘部件机器人焊接系统配置的数据库，尤其是用户通过焊接试验建立的厚板焊接专用数据库，大大简化了示教工作量、提高了编程效率。

(3)盾构机刀盘部件机器人焊接系统配置的三维离线编程软件，与盾构机刀盘部件类型多样、结构复杂、焊缝众多、尺寸差异显著的特点相适应，示教过程在计算机上离线编程完成，不占用机器人焊接的工时。

在黑暗中她头晕得想要呕吐，她先是扶住了栏杆，然后呻吟一样唤了一声汪小波。汪小波在暗中板过她的肩头，她的泪适时地淌了出来。

(4)通过机器人焊接试验获得的焊接工艺规范参数，成功应用于盾构机中心刀梁、刀箱等盾构机部件的焊接生产，焊接过程稳定，焊缝美观、一致性好。

参考文献

[1] 韩伟峰, 李凤远, 周建军. 盾构刀盘有限元分析优化研究 [J]. 工程机械, 2014, 45(3): 31-36.

[2] 肖俊祥, 周灿丰, 焦向东, 等. 盾构机结构件机器人多层多道焊关键技术[J]. 焊接, 2017(7): 5-10.

[3] 郑红, 王文艳. 7B05铝合金平板对接多道焊数值模拟[J]. 焊接, 2017(11): 14-17.

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[10] 兰虎, 陶祖伟, 菅晓霞. 工程机械典型接头的弧焊机器人焊接技术[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(2): 16-18.