黃寧，張亞霄，章朋田，姜坤

1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100094

2. 北京市航天器焊接技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100094

3.北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101

4.北京聯(lián)合大學(xué) 北京 100101

隨著國家科技重點(diǎn)專項(xiàng)的提出和推進(jìn)，未來將在載人航天與探月工程、深空探測及空間飛行器在軌服務(wù)與維護(hù)等國家重大專項(xiàng)規(guī)劃的框架下，開展大型航天飛行器的研制。大型航空航天飛行器一般具有尺寸大、剛性弱、結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜等特點(diǎn)。在大型鋁合金航天器結(jié)構(gòu)中，存在大量復(fù)雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。航天器制造具有高質(zhì)量、高可靠、高柔性、高效率及低成本等要求，因此制造模式升級迫在眉睫。

人口紅利時代已經(jīng)過去，以機(jī)械化、自動化為主流的機(jī)械加工制造過程成為提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。焊接技術(shù)作為機(jī)械制造的重要的加工過程之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通及石油化工等工業(yè)領(lǐng)域。機(jī)器人自動化焊接技術(shù)能夠顯著提高大批量產(chǎn)品加工的生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及一致性大大增強(qiáng)。本文針對大型航天器結(jié)構(gòu)中的幾種典型產(chǎn)品的焊接需求，開展了機(jī)器人自動化焊接的探索與實(shí)踐。

1 多軸聯(lián)動變極性等離子弧焊接機(jī)器人裝備及工藝

1.1 復(fù)雜空間曲線焊縫需求及方案設(shè)計

在大型鋁合金航天器結(jié)構(gòu)中，存在大量復(fù)雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。目前大多靠手工鎢極氬弧焊來完成這類曲線焊縫的焊接。手工鎢極氬弧焊生產(chǎn)過程中存在的問題主要有：①反復(fù)補(bǔ)焊影響產(chǎn)品研制進(jìn)度。②熱輸入量大，焊接殘余應(yīng)力水平高，容易導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差。針對此需求，提出了基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的11軸聯(lián)動空間曲線焊縫VPPA 穿孔立焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)方案，如圖1所示。

1.2 專用焊接機(jī)頭研制

目前通用等離子焊槍焊接鋁合金空間曲線焊縫時仍然存在著鎢極燒損、實(shí)時調(diào)整動態(tài)響應(yīng)能力不足等問題。為進(jìn)一步保證和提高VPPA空間曲線焊縫的焊接質(zhì)量，設(shè)計了一種體積、質(zhì)量（＜15kg）合適，精度高，自動化程度高的等離子焊接專用機(jī)頭[1-2]。等離子焊接機(jī)頭能在視頻監(jiān)控下完成焊槍的姿態(tài)調(diào)節(jié)

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng) “航天器復(fù)雜空間曲線焊縫變極性等離子弧自動化焊接裝備”2012ZX04008-021以及送絲角度和速度的調(diào)節(jié)。焊槍姿態(tài)調(diào)節(jié)包括焊槍伸縮機(jī)構(gòu)，焊槍軸向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，焊槍平移機(jī)構(gòu)。

圖1 多軸聯(lián)動焊接機(jī)器人方案設(shè)計

通過專用焊接機(jī)頭（見圖2）的控制實(shí)現(xiàn)對焊接過程中的熔池狀態(tài)、電弧形態(tài)進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，機(jī)頭的機(jī)械定位精度可以達(dá)到±0.1mm的水平。這個過程可以通過焊接參數(shù)統(tǒng)計分析、焊接過程圖像處理及人工智能技術(shù)進(jìn)行自動控制。由于焊接過程的精細(xì)調(diào)整對控制速度的要求并不高，也可以通過操作者對視頻監(jiān)控和焊接參數(shù)監(jiān)控的觀察，人工調(diào)整焊接機(jī)頭的操作。

圖2 專用焊接機(jī)頭

1.3 多軸聯(lián)動VPPA焊接裝備系統(tǒng)集成與應(yīng)用

采用站立式機(jī)器人焊接工作站系統(tǒng)。6軸機(jī)器人安裝于三維移動裝置上，工件安裝于2軸變位機(jī)上。三維移動裝置可實(shí)現(xiàn)高向（z軸）、橫向（x軸）、縱向（y軸）的獨(dú)立調(diào)節(jié)，增加機(jī)器人移動范圍，使其有效焊接范圍能夠滿足產(chǎn)品焊接的要求。通過對6軸機(jī)器人+三維移動裝置＋雙軸變位機(jī)系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)對焊槍與焊縫相對位置的實(shí)時控制，使VPPA焊槍與焊縫的相對位置在復(fù)雜曲線焊縫焊接過程中，始終處于垂直立向上的關(guān)系[3]。研制完成的多軸聯(lián)動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備如圖3所示。

圖3 多軸聯(lián)動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備

2 全向智能移動焊接機(jī)器人開發(fā)及應(yīng)用

2.1 大型薄壁弱剛性產(chǎn)品焊接需求

飛船、空間站等大型航天器的輻射器作為空間飛行器的主動散熱設(shè)備，其加工質(zhì)量和壽命將直接決定航天任務(wù)的成敗。輻射器是由液管回路、熱管回路及金屬蒙皮通過焊接裝配而成，是一種大尺寸、弱剛度、強(qiáng)約束的復(fù)雜蒙皮結(jié)構(gòu)。典型航天器輻射器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于大量液/熱管路的空間走向十分復(fù)雜，預(yù)先定位在工裝上的管路翼形焊接邊緣的實(shí)際位置難以精確保證，且大量焊縫依次焊接產(chǎn)生的焊接變形會進(jìn)一步降低管路翼形焊接邊緣的位置精度。針對此需求，提出了由全向智能移動平臺、安裝在平臺上的機(jī)器人焊接系統(tǒng)組成的全向智能移動焊接機(jī)器人，相對于傳統(tǒng)的坐標(biāo)機(jī)器人專機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的操作靈活性與工作空間適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊[4]。

圖4 典型航天器輻射器產(chǎn)品

2.2 全向移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成

全向移動自動焊接機(jī)器人是以一套“智能移動平臺+柔性焊接機(jī)器人+激光跟蹤與視頻監(jiān)測系統(tǒng)”為核心的智能化柔性制造裝備。該裝備基于德國KUKA公司的KR-30機(jī)器人與福尼斯的CMT焊機(jī)，搭載全向智能移動平臺車，研制了可移動自動焊接機(jī)器人系統(tǒng)，并配置激光跟蹤系統(tǒng)，通過激光照射焊縫，根據(jù)反射回來的激光信號與測量系統(tǒng)光軸的偏離角，實(shí)時糾正由于焊接變形等造成的焊槍軌跡偏差，操作者可通過焊接視頻監(jiān)測系統(tǒng)獲取實(shí)時焊縫熔池信息，實(shí)現(xiàn)人在回路的自動化焊接。

（1）智能移動平臺系統(tǒng) 智能移動平臺系統(tǒng)是一種基于智能控制的高端全向移動裝備產(chǎn)品，為大型重載產(chǎn)品靈活轉(zhuǎn)運(yùn)和精確定位，提供了高效解決方案。產(chǎn)品特點(diǎn)：全方位靈活移動、精準(zhǔn)控制、安全大承載、智能化。全向智能移動平臺車選用2t承載平臺車，通過對四套輪系的獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)平臺車的全方位移動；同時設(shè)有真空吸盤地腳支撐，可用于工作過程中的穩(wěn)定支撐；車上設(shè)有避障裝置和急停裝置，用于緊急制動。全向智能移動平臺系統(tǒng)如圖5所示。

（2）激光跟蹤與視頻監(jiān)測系統(tǒng) 平臺車系統(tǒng)軌跡誤差，工件加工誤差、焊接過程中的熱變形、夾具的不精確等因素均會造成電弧與焊縫對中的誤差，必須采用焊縫跟蹤裝置用于檢測構(gòu)件位置、坡口位置或焊縫中心線位置已達(dá)到焊縫位置自動跟蹤的目的，以便能得到均勻的焊縫。焊接過程采用視頻監(jiān)控，設(shè)計了一款用于自動或半自動焊接過程的視頻監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用外部脈沖觸發(fā)控制，有效抑制脈沖焊接過程的圖像閃爍，方便焊接過程參數(shù)微調(diào)控制。激光跟蹤與視頻監(jiān)測系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 全向智能移動平臺系統(tǒng)

圖6 激光跟蹤與視頻監(jiān)測系統(tǒng)

2.3 全向移動焊接機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)用

首次將智能移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于大型薄壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜空間曲線焊縫的焊接，解決了大尺寸輻射器管板復(fù)雜空間曲線焊縫裝配精度低，無法實(shí)施自動焊接的難題。焊接生產(chǎn)現(xiàn)場如圖7所示。

圖7中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)焊縫形式主要分為兩種形式：一種為管-管焊接，單邊為6mm的雙V形焊縫結(jié)構(gòu)，一種為管-板焊接，0.8mm和1mm的異種鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。針對管-管的“深V形”焊縫，在普通CMT焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了高頻脈沖，增加了電弧的挺度，減小了焊縫的熱輸入，焊縫成形飽滿，并且有效抑制了焊漏缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和合格率大大增加。另外，優(yōu)化了全位置的不等厚鋁板空間曲線焊縫焊接參數(shù)；通過改變工裝壓板方式，解決了薄板對接焊縫中的板變形問題；通過增加機(jī)器人末端焊槍自動擺動焊接功能，解決了焊縫間隙不均勻問題。

圖7 智能移動焊接機(jī)器人生產(chǎn)現(xiàn)場

3 結(jié)束語

1）針對大型航天器復(fù)雜空間曲線焊縫焊接需求，開發(fā)了11軸聯(lián)動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備，設(shè)計開發(fā)了變極性等離子弧專用焊接機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)了封閉曲線焊縫的全程VPPA穿孔焊接，能夠成功應(yīng)用于飛船金屬密封大底空間曲線焊縫的焊接。

2）通過硬件集成和軟件通信，研制了基于智能移動平臺車、柔性焊接機(jī)器人和激光跟蹤與視頻監(jiān)控的智能移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)。通過優(yōu)化焊接工藝，解決了不等厚薄板鋁合金和雙V形厚板高效率焊接難題，實(shí)現(xiàn)了航天器輻射器典型產(chǎn)品的焊接應(yīng)用。

3）基于全過程數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能化焊接為未來發(fā)展趨勢，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能推理技術(shù)，利用數(shù)據(jù)挖掘建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，為焊前智能規(guī)劃和在線智能控制提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)制造模式升級。