喻 軍，王羽澤，李 超，趙佳文

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

近年來全球造船市場(chǎng)持續(xù)低迷，接單難、交船難和產(chǎn)能過剩是各國(guó)船廠都需應(yīng)對(duì)的難題，市場(chǎng)需求的變化引發(fā)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的布局重新調(diào)整，迫使船廠采用智能制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式。智能焊接是智能制造的代表，在船舶建造過程中，焊接工作量占到40%以上，焊接設(shè)備的智能化升級(jí)對(duì)于船舶建造的質(zhì)量控制、效率提升和工作危險(xiǎn)度降低而言具有重大意義。

近年來，我國(guó)已有大型船企開始嘗試采用機(jī)器人焊接技術(shù)進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)焊接，不僅得到了國(guó)家有關(guān)政策的支持，而且受到了企業(yè)的歡迎。

1 船舶制造焊接機(jī)器人簡(jiǎn)介

按照生產(chǎn)對(duì)象的不同，可將焊接機(jī)器人分為小組立焊接機(jī)器人、中組立焊接機(jī)器人、便攜式焊接機(jī)器人和管材與型材焊接機(jī)器人等，本文的研究對(duì)象為小組立焊接機(jī)器人。

小組立部件因結(jié)構(gòu)單一、重復(fù)，適合采用機(jī)器人流水線模式生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)外已有不少應(yīng)用實(shí)例[1]。上海外高橋造船有限公司（以下簡(jiǎn)稱“外高橋造船”）在小組立部件制作中嘗試采用智能焊接機(jī)器人焊接代替人工焊接，目前已引入2套焊接機(jī)器人系統(tǒng)，并于2018年正式投入生產(chǎn)。

1.1 通用部件焊接機(jī)器人

外高橋造船的通用部件焊接機(jī)器人（見圖1）用于焊接先行小組立部件；該機(jī)器人系統(tǒng)在軌道式門架（三自由度）下倒裝2臺(tái)6軸焊接機(jī)器人，配備有工業(yè)照相機(jī)，用于采集待焊位置信息；機(jī)器人第6軸安裝有激光傳感器，可精確定位焊縫并在焊接過程中實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。

1.2 小組立智能生產(chǎn)線

外高橋造船的小組立智能生產(chǎn)線（見圖 2）采用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)與通用部件焊接機(jī)器人類似，同樣是在移動(dòng)式門架下倒裝有2臺(tái)焊接機(jī)器人，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是采用自適應(yīng)邏輯編程技術(shù)（ALPT），能自主分析激光傳感獲得的模型數(shù)據(jù)并智能規(guī)劃焊接路徑，可用于焊接結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的小組立部件。此外，該生產(chǎn)線還具有自動(dòng)傳輸和背燒功能。

圖1 外高橋造船的通用部件焊接機(jī)器人

圖2 外高橋造船的小組立智能生產(chǎn)線

2 模型信息采集技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外投入應(yīng)用的小組立焊接機(jī)器人按模型數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)可分為“現(xiàn)場(chǎng)采集+自動(dòng)識(shí)別”和“3D模型導(dǎo)入+離線編程”2類（見表1）。

表1 小組立焊接機(jī)器人對(duì)比

“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式需提前制作好小組立部件的3D模型并離線規(guī)劃好焊接路徑（有些機(jī)器人可根據(jù)3D模型自主規(guī)劃焊接路徑[2]，如Kranendonk所用的RINASWELD軟件）；“現(xiàn)場(chǎng)采集+自動(dòng)識(shí)別”模式更加智能，操作人員不必預(yù)先準(zhǔn)備模型數(shù)據(jù)，通過主動(dòng)視覺或被動(dòng)視覺方式自主識(shí)別待焊位置并自動(dòng)生成焊接路徑。相比較而言，“現(xiàn)場(chǎng)采集+自動(dòng)識(shí)別”模式可節(jié)約大量的前期準(zhǔn)備時(shí)間，且對(duì)操作人員的要求比較低；若不考慮前期的3D模型制作時(shí)間，“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式所需的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間更少，燃弧效率（燃弧時(shí)間/焊接工位作業(yè)時(shí)間）更高。

“現(xiàn)場(chǎng)采集+自動(dòng)識(shí)別”模式最大的缺陷是現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)不足以重構(gòu)模型，得到的只是工件的俯視圖，而非3D視圖。采用“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式的機(jī)器人可根據(jù)3D模型實(shí)現(xiàn)控制焊槍空間姿態(tài)避免碰撞工件和通過筋板末端結(jié)構(gòu)類型快速確定起弧位置等功能。

現(xiàn)場(chǎng)采集的位置信息存在誤差，以激光采集為例，誤差約為±10mm，若筋板末端形式為斜切（見圖3a）），則誤差會(huì)更大，可達(dá)到±70mm。確定起弧位置需更精準(zhǔn)的位置信息，因此還需后續(xù)精確傳感，常用的傳感方式可分為激光尋位和觸碰尋位2種，激光尋位的速度更快、精度更高，觸碰尋位的速度相對(duì)比較慢。為保證焊絲伸出長(zhǎng)度保持一致，需配備自動(dòng)剪絲裝置。觸碰尋位的優(yōu)點(diǎn)是無需額外夾持激光傳感器，焊槍可勝任更狹小空間內(nèi)的尋位和焊接任務(wù)。

圖3 小組立筋板末端形式

外高橋造船的2臺(tái)機(jī)器人均采用激光尋位的方式，不同之處在于：小組立機(jī)器人采用的是點(diǎn)激光傳感方式，焊前確定好起弧位置之后會(huì)關(guān)閉，焊槍在焊接過程中擺動(dòng)并依靠弧壓傳感對(duì)中，保證焊接位置正確；通用部件機(jī)器人采用線激光傳感，除了在焊前確定起弧位置以外，還負(fù)責(zé)在焊接過程中跟蹤矯正焊槍位置，因此無須通過焊槍擺動(dòng)采集弧壓信息來對(duì)中。

若小組立部件筋板末端形式包含“R孔”（如圖3b）所示），則還需依賴點(diǎn)激光傳感調(diào)整門架的位置，以避免焊接動(dòng)作超出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)極限。

3 焊接路徑和焊槍位姿的選擇

焊接路徑指的是機(jī)器人一次性焊接多塊筋板時(shí)對(duì)焊接順序的選擇，包括對(duì)每條焊道起熄弧位置的選擇。焊接路徑的選擇對(duì)機(jī)器人燃弧效率的影響很大。焊槍位姿指的是焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)的空間位置和姿態(tài)[3]，除了由焊接電流、電壓和速度決定的線能量以外，對(duì)焊縫成型質(zhì)量有重要影響。焊槍空間位置決定被焊母材的熔化量和焊絲的熔敷量；焊槍姿態(tài)決定電弧力對(duì)熔池液態(tài)金屬的作用方向，與重力共同決定熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)行為，進(jìn)而影響焊縫成形質(zhì)量[1]。

先行小組立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有立角焊，且任意筋板之間不存在位置限制，機(jī)器人有足夠大的空間進(jìn)行尋位、焊接和撤出，因此在排布焊接路徑時(shí)只需保證機(jī)器人在更換作業(yè)位置（熄弧后到下一個(gè)起弧位置）時(shí)移動(dòng)的距離盡量短即可；焊槍位姿的選擇只需保證焊縫成形即可，一旦在焊接工藝調(diào)試時(shí)確定合適的位姿，即可將其作為不變量保留在程序中。

與先行小組立不同，小組立部件的結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，存在很多相互靠近的筋板，對(duì)焊槍的限制較多。以雙層底肋板焊接順序（見圖4）為例，機(jī)器人會(huì)首先焊接y方向的筋板，隨后焊接x方向的筋板。在焊接x方向的筋板時(shí)，焊槍為避免碰撞y方向的筋板（圖4標(biāo)注位置，間距約為 30mm），需調(diào)整焊槍的姿態(tài)，此時(shí)焊槍與底板的角度大于45°。

對(duì)于存在立角焊的小組立部件而言，焊接路徑會(huì)更復(fù)雜一些，機(jī)器人會(huì)在焊接y方向的筋板的同時(shí)完成立角焊和x方向的筋板部分長(zhǎng)度的焊接，隨后再補(bǔ)充焊接完x方向的筋板。

圖4 雙層底肋板焊接順序

4 焊接工藝

4.1 焊材的選擇

小組立焊接機(jī)器人在尋位、焊接時(shí)，第4、第5和第6軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻繁且角度較大，送絲軟管會(huì)隨之頻繁彎曲，普通的有縫藥芯焊絲會(huì)出現(xiàn)藥粉泄露堵塞送絲軟管的問題，因此采用無縫藥芯焊絲；通用部件焊接機(jī)器人在尋位、焊接時(shí)動(dòng)作幅度不大，因此采用普通的有縫藥芯焊絲。

目前2臺(tái)機(jī)器人都采用盤裝焊絲，為通過降低更換焊絲的頻率來提高效率，計(jì)劃換用桶裝焊絲。需注意的是，換用桶裝焊絲意味著送絲距離更長(zhǎng)，應(yīng)通過配備合適的矯直裝置來保證出絲挺直。

4.2 焊接參數(shù)的選擇

通用部件機(jī)器人采用不擺動(dòng)的焊接方式，與船廠廣泛采用的角焊機(jī)類似，因此調(diào)試工藝可參照角焊機(jī)參數(shù)；小組立機(jī)器人采用正弦擺動(dòng)的焊接方式，除了焊接電流、電壓和速度以外，還需匹配合適的擺動(dòng)參數(shù)，包括擺動(dòng)幅度、頻率和極限位置停留時(shí)間。

5 流水線的集成

通用部件焊接機(jī)器人原本采用托盤上料和卸料，后為提高生產(chǎn)效率進(jìn)行改造，將機(jī)器人軌道加長(zhǎng)，并在軌道長(zhǎng)度方向上將工作區(qū)域等分為A和B。改造之后上料和卸料不再采用托盤，當(dāng)機(jī)器人在A區(qū)域工作時(shí)，工人在B區(qū)域上料裝配，機(jī)器人完成A區(qū)域的焊接工作之后可立即開始在B區(qū)域工作，此時(shí)工人在A區(qū)域卸料，如此循環(huán)流轉(zhuǎn)，保證機(jī)器人的燃弧效率。

小組立智能生產(chǎn)線由上料工位、焊接工位、修補(bǔ)工位、背燒工位和卸料工位等5個(gè)工位組成。

1) 上料工位用于裝配小組立部件，與人工焊接不同，裝配點(diǎn)焊應(yīng)盡量短并與筋板末端保持一定的距離（不小于 50mm）。保證點(diǎn)焊盡量短的目的是避免機(jī)器人根據(jù)點(diǎn)焊的位置和大小改變焊接參數(shù)，避免由此造成點(diǎn)焊所在位置的焊縫明顯凸起，成形偏大。此外，上料工位采用可升降的輥輪將裝配好的部件頂起運(yùn)送到焊接工位，該過程無需行車參與，因此無需筋板裝配，十分牢固；點(diǎn)焊與筋板末端保持一定的距離是為了避免對(duì)點(diǎn)激光尋位造成影響。

除了無法識(shí)別點(diǎn)焊的位置和大小以外，機(jī)器人不會(huì)采集筋板的裝配間隙，也不會(huì)以此為根據(jù)調(diào)整焊接參數(shù)，因此應(yīng)避免裝配間隙過大而導(dǎo)致焊縫尺寸偏小的現(xiàn)象。與人工焊接相比，機(jī)器人焊接對(duì)裝配間隙的要求更嚴(yán)格，應(yīng)盡量避免鋼板變形和切割自然坡口帶來的裝配間隙過大（見圖5）。目前國(guó)內(nèi)外都有廠商在研發(fā)裝配間隙跟蹤識(shí)別和補(bǔ)償技術(shù)，待這些技術(shù)應(yīng)用之后，有助于放寬對(duì)裝配間隙的要求。

圖5 導(dǎo)致裝配間隙過大的原因

上料工位上標(biāo)注有底板放置極限和筋板放置極限（見圖6），底板放置超過極限會(huì)在流轉(zhuǎn)過程中碰撞機(jī)器人導(dǎo)軌，筋板放置超過極限則處于焊接機(jī)器人工作范圍以外，會(huì)導(dǎo)致無法焊接。

2) 焊接工位是焊接機(jī)器人工作的位置，配備輥道用于小組立部件流轉(zhuǎn)。為保證焊接質(zhì)量，每條輥道都接地。受機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)布局的限制，焊接工位兩端都存在盲區(qū)，機(jī)器人因掃描不可達(dá)或機(jī)械臂不可達(dá)，無法焊接處于盲區(qū)的工件。

3) 完成焊接的部件會(huì)繼續(xù)流轉(zhuǎn)到修補(bǔ)工位，修補(bǔ)工作依靠人工進(jìn)行，修補(bǔ)的缺陷包括機(jī)器人漏焊、偏焊、咬邊和焊腳偏小等。

4) 背燒工位采用與焊接工位相同的輥道，下方布置可橫向移動(dòng)的背燒槍，可同時(shí)對(duì)5條筋板進(jìn)行背燒。背燒利用可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量加熱工件背面，達(dá)到矯平變形工件的目的。

流水線工控機(jī)通過焊接機(jī)器人給出的x方向筋板的位置信息和流水線編碼器記錄的傳輸距離計(jì)算出背燒槍的位置和移動(dòng)、點(diǎn)火、熄火等動(dòng)作的時(shí)機(jī)。由于并未配備位置傳感器，因此背燒操作對(duì)修補(bǔ)工位傳輸精度的要求較高。背燒過程需幾個(gè)相鄰的工位聯(lián)動(dòng)，應(yīng)注意保證相鄰工位傳輸速度（線速度）一致，避免因打滑、卡頓等帶來傳輸誤差。

5) 卸料工位是小組立部件流轉(zhuǎn)的最后一個(gè)工位，采用行車卸料，該工位采用的升降輥輪式傳輸裝置與上料工位和修補(bǔ)工位相同，且3個(gè)工位的長(zhǎng)度一致，保證流轉(zhuǎn)節(jié)拍穩(wěn)定。此外，為防止工件傳輸超出卸料工位，在末端設(shè)置激光限位傳感器，觸發(fā)之后輥輪會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

5個(gè)工位為平行工位，工件在焊接工位停留的時(shí)間最長(zhǎng)，因此整條生產(chǎn)線的產(chǎn)能取決于焊接機(jī)器人的工作效率[4]。廠商和外高橋造船的技術(shù)人員一直在努力提高機(jī)器人的識(shí)別、尋位和焊接效率，目前產(chǎn)能比剛投產(chǎn)時(shí)提高將近1倍。

圖6 裝備位置極限

6 結(jié) 語

在造船行業(yè)，機(jī)器人焊接代替人工焊接的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)，尤其是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的小組立部件的焊接。外高橋造船投入應(yīng)用的2套小組立焊接機(jī)器人系統(tǒng)已取得良好應(yīng)用示范效果。本文對(duì)機(jī)器人應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的小組立焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)類似，絕大部分采用移動(dòng)式門架下倒裝2臺(tái)焊接機(jī)器人的模式；

2) 小組立機(jī)器人按模型數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)可分為“現(xiàn)場(chǎng)采集+自動(dòng)識(shí)別”和“3D模型導(dǎo)入+離線編程”2類，前者優(yōu)勢(shì)明顯，需準(zhǔn)備的時(shí)間較短，對(duì)操作人員的要求較低，能根據(jù)不同工件的特點(diǎn)智能選擇焊接方案；

3) 為保證機(jī)器人的燃弧效率，應(yīng)注意焊接路徑的選擇，并應(yīng)注重匹配合適的焊槍位置姿態(tài)，保證焊縫成形；

4) 焊材選擇應(yīng)注意是否需采用適合機(jī)器人焊接的無縫藥芯焊絲，選擇的焊接參數(shù)應(yīng)同時(shí)匹配合適的焊槍擺動(dòng)參數(shù)；

5) 小組立部件裝配應(yīng)注意避免定位焊影響機(jī)器人激光尋位；

6) 焊接生產(chǎn)線中決定產(chǎn)能的是焊接機(jī)器人的燃弧效率。