陸宏文，相順強

(廣東新會中集特種運輸設(shè)備有限公司，廣東 新會 529144)

在現(xiàn)代制造業(yè)中,焊接技術(shù)作為重要的加工手段,占有非常重要的地位。焊接機器人在提高焊接質(zhì)量,降低焊接成本,實現(xiàn)焊接自動化方面起著非常重要的作用[1]。智能化的焊接技術(shù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，是實現(xiàn)焊接自動化的重要研究方向[2]。

集裝箱產(chǎn)品的門端框尺寸為2 438～2 600 mm, 目前行業(yè)中的標箱門端框焊接胎位不能適應(yīng)超寬、超窄特箱門端框的生產(chǎn)。焊接過程中，寬度調(diào)整采用簡易腰型孔、螺栓壓緊方式，存在轉(zhuǎn)產(chǎn)慢、用人多和調(diào)整精度差等問題；工件推送及焊接均為人工作業(yè)，勞動強度大，焊接質(zhì)量因人而異，難以穩(wěn)定。針對上述問題，本文研制了一種新型集裝箱多種門端框焊接系統(tǒng)，適用于20、40、45、53 in箱等約10余種產(chǎn)品，實現(xiàn)了端框?qū)挾日{(diào)整一鍵式操作及門端框鉸鏈、鎖座及角部焊縫的跟蹤焊接全部自動化。整套系統(tǒng)做到連鎖控制，無人化操作，使各種箱型門端框生產(chǎn)單班均節(jié)省4名操作者。

1 焊接系統(tǒng)的組成

新型集裝箱多種門端框激光跟蹤焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其主要包括輸送設(shè)備、寬度調(diào)整機構(gòu)和新型激光跟蹤焊接機器人系統(tǒng)。其中，輸送設(shè)備將待焊接的門端框移動到預(yù)定位置；寬度調(diào)整機構(gòu)與輸送設(shè)備連接，適應(yīng)待焊接不同寬度尺寸的門端框快速轉(zhuǎn)產(chǎn)要求；新型激光跟蹤焊接機器人系統(tǒng)用于自動掃描焊接待焊接的門端框。

圖1 新型集裝箱多種門端框焊接系統(tǒng)

2 焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 輸送設(shè)備

該裝備設(shè)動力輸送，實現(xiàn)工件自動輸送、定位和夾緊，可適應(yīng)高、低箱等2種模式，且與機器人實現(xiàn)聯(lián)動作業(yè)。其生產(chǎn)工藝流程如下：1)前道工序?qū)⒐ぜM行正確裝配；2)工件自動進入機器人焊接區(qū)域并自動定位；3)機器人自動起動；4)機器人進行激光掃描并自動焊接(4臺機器人同時起動，每臺機器人負責約1/4的工作)；5)焊接結(jié)束，機器人進行清槍、剪絲工作并回零；6)工件自動移出，進行下一循環(huán)。

2.2 寬度調(diào)整系統(tǒng)

寬度調(diào)整系統(tǒng)(見圖2)采用由2個減速電動機分別帶動兩端的螺旋伸縮裝置。該伸縮裝置與門端框輸送滾梁相連接，減速電動機安裝于輸送滾梁下，與輸送梁一起移動，實現(xiàn)了各型門端框?qū)挾日{(diào)整的一鍵式操作，且轉(zhuǎn)產(chǎn)方便。

圖2 工件輸送及寬度調(diào)整系統(tǒng)示意圖

2.3 新型激光跟蹤焊接機器人系統(tǒng)

開發(fā)了一種新的能與機器人系統(tǒng)完美對接的激光掃描系統(tǒng)及處理法則，實現(xiàn)了門端框鉸鏈、鎖座及上、下角部復(fù)雜焊縫掃描、自動跟蹤焊接、間隙判斷及處理全自動化，滿足生產(chǎn)節(jié)拍為2.75 min及焊接跟蹤精度為0.5 mm的性能要求。其具體方案如下。

1)倒掛4臺機器人，分別焊接鉸鏈、鎖座及角部復(fù)雜焊縫，4臺機器人工作量基本一致，滿足20 in箱2.75 min最快生產(chǎn)節(jié)拍要求。

2)焊接跟蹤采用激光掃描取點方案，根據(jù)位移變化，精確計算焊縫的位置，跟蹤精度可達0.5 mm。激光跟蹤器安裝在機械臂上(見圖3)，由程序控制其在工件表面快速移動，形成掃描軌跡(掃描線)；同時系統(tǒng)采集掃描線上激光的數(shù)據(jù)，獲得掃描軌跡剖面的形狀，再通過特定的數(shù)學(xué)運算，計算出剖面上出現(xiàn)的一個或多個特征(通常是臺階或交點)的準確空間位置[3-4]。

圖3 機械臂

3)掃描軌跡的位置和數(shù)目可根據(jù)不同的工件特點設(shè)定，以獲得的特征數(shù)足夠確定所有焊接線為原則。鉸鏈、鎖座屬于大致規(guī)則工件，在獲得若干基本特征點后通過偏移、延伸等方法形成焊接軌跡[5]。鉸鏈需要3條掃描線，獲得5個特征。鎖座需要4條掃描線，獲得8個特征。角部復(fù)雜焊縫由多段直線焊縫組成，較長的直線以2點定直線方式獲取特征數(shù)，較短的直線只掃描1個特征，并假設(shè)是平行于某個方向的方式確定直線。

4)焊縫的起點、終點的坐標通過空間幾何方法計算獲得，加入焊接工藝參數(shù)，指揮機器人按工件實際位置進行焊接。

本系統(tǒng)對工件的定位誤差(XY平面±50 mm，Z方向±20 mm，旋轉(zhuǎn)±10°)有極好的適應(yīng)能力。

本系統(tǒng)通過間隙掃描算法，在可能出現(xiàn)裝配間隙的位置，機械臂帶動激光以適當?shù)慕嵌群退俣葤呙柰ㄟ^間隙部位，經(jīng)過計算可獲得間隙的大小，分辨率>0.3 mm。獲取間隙后采用相應(yīng)的焊接策略，即當間隙<1 mm時按正常方式直接焊接；當1 mm<間隙<2 mm時快速打底一次，然后按正常方式焊接；當2 mm<間隙<3 mm時慢速打底一次，然后按正常方式焊接。

應(yīng)用該系統(tǒng)完成的焊接工件示例如圖4所示。

圖4 焊接工件

3 創(chuàng)新點

本項目的創(chuàng)新點如下。

1)解決了各型門端框焊接的柔性加工問題，工件輸送、定位、夾緊、掃描、焊接、間隙判斷及處理全自動化，解決了20、40、45、53 in箱、設(shè)備箱、開頂箱、多聯(lián)箱和超寬箱等約10余種產(chǎn)品的快速換型問題。

2)開發(fā)了新型機器人激光跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)了門端框鉸鏈、鎖座及上、下角部復(fù)雜焊縫的跟蹤焊接，滿足焊接跟蹤精度0.5 mm的要求。

3)焊縫掃描軌跡及算法靈活多變，使用可靠。具體方法如下：根據(jù)不同的產(chǎn)品，分布大致的焊縫長度，規(guī)劃合理的焊縫掃描軌跡，掃描軌跡上的點應(yīng)具備形狀確定、位置確定和相對位置確定的要素；采用掃描軌跡上的特征點，獲得焊接工件的形狀；根據(jù)數(shù)據(jù)，調(diào)用不同的算法，規(guī)劃焊接軌跡和焊接工藝；采用離線編程，可以減少機器人不工作時間，也可以使操作者遠離危險的工作環(huán)境[6]。

4)把機器人的靈活性和點激光快速測量巧妙地結(jié)合起來，成功解決了激光采集數(shù)據(jù)和機器人運動時的坐標同步問題，適合結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的場合使用。算法是自行編制的，可按項目要求定制(本項目至少有5種以上非常見結(jié)構(gòu)算法)。據(jù)了解，目前市場上還沒有同樣結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。

4 目前國內(nèi)外激光跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀及本項目研發(fā)價值點

目前比較先進的激光跟蹤系統(tǒng)有英國Meta、加拿大賽融公司(Servo-Robot)和德國binzel(scansonic TH6D)。Meta的智能型激光傳感器技術(shù)將圖像處理軟硬件嵌入到傳感器內(nèi)部，通過網(wǎng)絡(luò)在傳感器、觸摸屏顯示器和集成多功能I/O板之間通信，極大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)軟硬件還包括了先進的抗反射技術(shù)，因此系統(tǒng)對高反射性材料(如鋁合金和不銹鋼)跟蹤性能大幅提高；將圖像處理軟硬件集成在傳感器內(nèi)部，其采樣速率在百萬像素級別下達到了30幀/s，能夠適應(yīng)高焊接速度和高跟蹤精度要求；動態(tài)窗口技術(shù)還可以獲得更高的采樣速率。Servo-Robot激光視覺傳感具備獨有的抗反光技術(shù)，可用于鍍鋅、拋光、鋁合金和不銹鋼等光亮表面的檢測，視覺系統(tǒng)能實現(xiàn)焊縫搜索、定位、跟蹤、焊接參數(shù)自適應(yīng)控制、焊縫質(zhì)量在線監(jiān)測以及自動裝配和搬運等的定位、檢測與質(zhì)量控制。Scansonic TH6D是三維焊縫跟蹤系統(tǒng)，適用于有反射的加工表面，如鋁和不銹鋼，受電場以及工作環(huán)境光源的影響極小，采用濾光器以及高強度二極管激光的應(yīng)用使探測頭對干涉光有極高的抗干擾作用，適用于所有常見焊接領(lǐng)域，如激光、MIG、MAG和等離子(PLASMA)等，支持多種機器人接口以及針對線形運動軸的模擬信號接口，無需預(yù)熱軟件及硬件的過濾技術(shù)屏蔽掉錯誤的信息，數(shù)據(jù)與機器人之間的傳輸速度高。

目前國內(nèi)也有一些廠家在進行相關(guān)的研究和開發(fā)，主要是在借鑒國外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成各家的焊縫算法而開發(fā)出的激光視覺系統(tǒng)。而國內(nèi)的激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，由于起步晚于國外，且使用的量不大，產(chǎn)品存在算法不豐富、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問題。

目前國外激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)價格昂貴，焊縫的形式比較單一(僅限于幾種)，服務(wù)價格昂貴，集成難度比較大。

筆者目前研發(fā)的激光跟蹤型是采用智能焊接，能根據(jù)工件的類型完成規(guī)劃掃描路徑，通過掃描軌跡得出工件的3D焊縫形式，判斷焊縫位置和焊縫間隙，自主規(guī)劃焊接軌跡和焊接工藝。而本項目采用激光位移傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)，其不同于國外的技術(shù)，利用激光與工件之間的相對位置，通過焊縫軟件算法，得到焊縫位置，規(guī)劃焊接運行軌跡。本項目所用的技術(shù)算法豐富，能實現(xiàn)焊縫定制化設(shè)計，根據(jù)各種復(fù)雜的焊縫形式，進行算法軟件的編制，達到精確的焊縫跟蹤，集成非常靈活。

目前集裝箱行業(yè)機器人應(yīng)用范圍不大，主要受制于部件加工、定位精度和結(jié)構(gòu)[7]，本項目可以很好地滿足這種需求，對于擴大集裝箱行業(yè)機器人應(yīng)用具有重大意義。

5 結(jié)語

通過新型集裝箱多種門端框焊接系統(tǒng)研制，使其跟蹤焊接技術(shù)有了根本性的變化。其適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣泛，可推廣應(yīng)用到集裝箱生產(chǎn)的許多工位及機械行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)跟蹤焊接的企業(yè)，經(jīng)濟效益及社會效益顯著。