楊 軍， 顧軍軍， 王素清

(1.上海江南長興造船有限責(zé)任公司， 上海 201913； 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

0 引 言

船廠的勞動(dòng)環(huán)境差，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體[1]，對(duì)工人的身體健康造成危害。船舶建造的焊接工時(shí)約占總工時(shí)的30%～40%，引進(jìn)高效且質(zhì)量穩(wěn)定的焊接機(jī)器人可明顯提高焊接效率和改善工人的作業(yè)環(huán)境[2]。然而，船舶行業(yè)應(yīng)用焊接機(jī)器人的難度在于分段組立結(jié)構(gòu)的形式復(fù)雜多樣。一條大型船舶的焊縫多達(dá)幾十萬條，幾乎沒有任何兩個(gè)組立的形式是完全一樣的，只有引進(jìn)能適應(yīng)不同組立形式的柔性焊接機(jī)器人才能提高船舶焊接機(jī)器人的使用效率。

某公司安裝的4臺(tái)小組立焊接機(jī)器人，可根據(jù)上位系統(tǒng)提供的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD)工件數(shù)模，采用離線編程軟件KCONG系統(tǒng)自動(dòng)生成焊接信息，對(duì)提前拼裝點(diǎn)焊的小組立板材順次進(jìn)行焊接作業(yè)。兩套龍門裝置可以對(duì)同一部材進(jìn)行兩側(cè)同時(shí)焊接，對(duì)小組立部件進(jìn)行平角焊接、包角焊接、立向上角縫焊接、立向上對(duì)接縫焊接等，實(shí)現(xiàn)分段小部件的柔性化、智能化焊接[3]。

船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)(Ship Product Design, SPD)是上海東欣軟件工程有限公司為造船及海洋工程設(shè)計(jì)與制造提供的完整解決方案，是應(yīng)用廣泛且公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國船舶類大型設(shè)計(jì)軟件，目前國內(nèi)外鮮有對(duì)SPD軟件與焊接機(jī)器人接口的研究。引進(jìn)小組立焊接機(jī)器人，解決SPD軟件與KCONG軟件的接口開發(fā)、優(yōu)化焊接工藝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)成為迫切的課題。

1 SPD軟件與KCONG軟件的接口開發(fā)

智能制造的核心是建立互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)生態(tài)，需要標(biāo)準(zhǔn)體系作為支撐[4]。為實(shí)現(xiàn)SPD軟件和KCONG軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞，必須使兩家公司的軟件具有“共同語言”，也就是生成SPD軟件模型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件(見圖1)。該數(shù)據(jù)文件包括零件的規(guī)格、材質(zhì)和空間坐標(biāo)位置等信息，機(jī)器人自帶的KCONG軟件在讀取這些模型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件后，會(huì)對(duì)模型進(jìn)行解析，并重新以KCONG軟件熟悉的語言重構(gòu)模型(見圖2)，重新建立小組立各構(gòu)件之間的空間關(guān)系。

圖1 SPD軟件模型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件

圖2 KCONG軟件語言重構(gòu)模型

為實(shí)現(xiàn)KCONG模型重構(gòu)時(shí)所需數(shù)據(jù)文件的有效性，需要從下列4個(gè)方面進(jìn)行SPD軟件的二次開發(fā)和數(shù)據(jù)設(shè)置工作。

1.1 SPD軟件焊接模塊的開發(fā)

1.1.1 建立焊接數(shù)據(jù)庫

為實(shí)現(xiàn)SPD軟件焊縫信息的抽取，必須建立小組立的焊縫信息數(shù)據(jù)庫。焊縫數(shù)據(jù)庫由焊縫編碼、焊腳高度和焊接代碼等組成，焊接代碼對(duì)應(yīng)的坡口形狀如圖3所示。SPD軟件焊接模塊經(jīng)過開發(fā)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)所有對(duì)接焊和角接焊的焊接代碼建模，保證焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。如果將焊接代碼與焊接方法關(guān)聯(lián)起來，則可進(jìn)一步通過截面積得到小組立焊接機(jī)器人所用焊材的預(yù)估物量[5]。

圖3 不同焊接代碼對(duì)應(yīng)的坡口形狀

1.1.2 區(qū)分焊縫所屬階段

現(xiàn)代造船模式具有按區(qū)域設(shè)計(jì)、以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)、工藝、管理一體化，殼舾涂一體化，各設(shè)計(jì)階段相互結(jié)合。一條船的結(jié)構(gòu)建造通常分為6個(gè)階段：內(nèi)場(chǎng)階段(C)、組立階段(B)、總組階段(P)、船塢階段(D)、碼頭階段(Q)和單元階段(U)，結(jié)構(gòu)焊接主要發(fā)生在B、P、D三個(gè)階段。在分段設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員必須非常清晰地了解分段的建造方式，并將分段的建造流程以編碼的形式體現(xiàn)在分段裝配流程(Detail Assembly Procedure, DAP)中(見圖4)。焊接物量系統(tǒng)(見圖5)需要根據(jù)DAP的組立邏輯關(guān)系分解每個(gè)零件的每條焊接邊所屬的焊接階段，并將設(shè)計(jì)建模的焊接方法采集到相應(yīng)的定額數(shù)據(jù)庫中，這樣才能有針對(duì)性地生成小組立階段的焊縫數(shù)據(jù)文件。

圖4 分段組立流程

圖5 焊接物量系統(tǒng)

1.2 焊腳高度的數(shù)據(jù)設(shè)置

一條船的焊縫數(shù)達(dá)幾十萬條，如果僅用手工定義焊腳高度，工作量過大，其定義又比較復(fù)雜，因此為了能快速定義分段焊腳高度，設(shè)計(jì)人員需在SPD軟件焊縫工藝分解模塊(見圖6)中先設(shè)置一個(gè)默認(rèn)的焊腳高度，特殊情況可對(duì)焊腳高度按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中的公式進(jìn)行修改。

圖6 焊縫工藝分解模塊

1.3 包角類型的數(shù)據(jù)設(shè)置

小組立零件的端部包角類型通常有包角和不包角兩種情況，逐一定義包角屬性較為繁瑣和耗時(shí)，若不進(jìn)行清晰定義則會(huì)造成設(shè)備批量的重復(fù)焊接，增加工人打磨的工作量。通過分析零件端部形式和焊接要求，調(diào)整判斷條件，最終實(shí)現(xiàn)大部分零件的包角屬性可通過軟件自動(dòng)計(jì)算。

1.4 基準(zhǔn)面的數(shù)據(jù)選擇

小組立板架的基準(zhǔn)面選擇為焊接機(jī)器人的行走路徑提供基礎(chǔ)，可基于母板上提供的K1/K2/K3基準(zhǔn)點(diǎn)(見圖7)定位整個(gè)平面。由于小組立實(shí)際擺放時(shí)方向與軌道的行進(jìn)方向存在一定的角度偏差，當(dāng)固定于龍門架上的電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)攝像機(jī)將定位坐標(biāo)傳輸回計(jì)算機(jī)后，系統(tǒng)會(huì)讀取KCONG軟件生成的指令，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，按實(shí)際擺放位置規(guī)劃機(jī)械手的焊接路徑，最終實(shí)現(xiàn)柔性焊接。

圖7 小組立基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置

經(jīng)過上述4個(gè)步驟后，SPD軟件就可以生成能被KCONG軟件識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，但在前期測(cè)試過程中，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)KCONG軟件模型重構(gòu)時(shí)零件端面切削丟失比較嚴(yán)重(見圖8)，導(dǎo)致后期生成的焊縫干涉檢查頻繁報(bào)錯(cuò)，因此在KCONG軟件指令中增加一些控制零件端面切削的特殊代碼，使之能夠正常地獲取并重構(gòu)模型的準(zhǔn)確形狀。

圖8 KCONG軟件模型重構(gòu)時(shí)零件端面切削丟失

2 SPD軟件小組立焊接工藝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)優(yōu)化

除了解決KCONG軟件模型重構(gòu)所需要的標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)文件，還可以通過優(yōu)化焊接工藝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)揮小組立機(jī)器人的實(shí)際作用，體現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)和智能制造的要求。

2.1 小組立機(jī)器人工藝圖紙適用范圍的篩選

機(jī)器人手臂在焊接移動(dòng)過程中，受焊槍本身的姿勢(shì)角度與大小限制，很可能與周圍的構(gòu)件產(chǎn)生干涉。若存在焊槍與結(jié)構(gòu)干涉：當(dāng)機(jī)器人全自動(dòng)焊接時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)過濾掉有問題的焊縫，導(dǎo)致大量的焊縫漏焊；當(dāng)機(jī)器人半自動(dòng)焊接時(shí)，程序無法識(shí)別干涉的情況，導(dǎo)致焊槍與結(jié)構(gòu)直接相撞，損壞焊槍接頭。

為避免焊槍與結(jié)構(gòu)干涉，設(shè)計(jì)人員在制作小組立焊接圖紙前應(yīng)掌握各類可能的干涉情況，提前預(yù)判選擇并調(diào)整到位，特別是遇到下列兩種易干涉的情況時(shí)需要滿足：①當(dāng)小組立焊接的部件含端面切削零件時(shí)，零件端部與構(gòu)件的間隔至少為35 mm，零件本身的高度也應(yīng)盡量小于100 mm；②當(dāng)小組立焊接的部件含T型材時(shí)，其T排面板單邊的凈距離寬度與腹板扣除30 mm傳感高度后的比值應(yīng)小于3/4(見圖9)。另外，設(shè)計(jì)人員需要考慮焊接場(chǎng)地的長、寬、高等限制條件，根據(jù)上述限制條件篩選制作小組立焊接文件，才能在機(jī)器人的能力范圍內(nèi)發(fā)揮它的最大效率。

圖9 兩種易干涉情況的解決

2.2 零件間隙的設(shè)計(jì)模型優(yōu)化

為保證機(jī)器人的正常施焊，在焊接工藝圖紙出圖之前，需對(duì)部分不符合機(jī)器人焊接工藝條件的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化，如斜裝的筋板S端距離邊界的凈距離不足35 mm，容易造成焊縫重疊和機(jī)器人焊槍干涉，因此需要調(diào)整SPD軟件算法，將延長距離35 mm 改為凈距離35 mm (見圖10)，同時(shí)應(yīng)考慮板厚朝向引起間距變小的因素。

圖10 零件端部間隙較小的情況

2.3 圖紙中基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇和標(biāo)示

設(shè)計(jì)部門在將可擴(kuò)展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language, XML)文件提供給現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)，可能出現(xiàn)構(gòu)件擺放方向與設(shè)計(jì)定義方向剛好相反的情況，尤其是當(dāng)構(gòu)件超長時(shí)，在車間有限的空間內(nèi)掉頭是相當(dāng)困難的，為了輔助現(xiàn)場(chǎng)人員準(zhǔn)確地放置小組立，防止重復(fù)吊運(yùn)，在圖紙上準(zhǔn)確顯示K1/K2/K3點(diǎn)是很有必要的。

2.4 圖紙中焊腳高度的顯示

焊腳高度決定機(jī)械手的動(dòng)作類型，所有這些動(dòng)作需要以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在KCONG軟件動(dòng)作庫中，以便隨時(shí)調(diào)用。在機(jī)器人自動(dòng)焊接時(shí)，所有焊腳高度均可自動(dòng)執(zhí)行完畢，但對(duì)于某些半自動(dòng)焊接的情況，則需要根據(jù)焊腳來控制焊接的速度和電流?？稍谛〗M立機(jī)器人焊接圖紙中標(biāo)明所有構(gòu)件的焊腳高度，同時(shí)對(duì)于焊接完成后的檢查也會(huì)起到輔助作用。

2.5 焊接設(shè)計(jì)的流程優(yōu)化

原小組立焊接設(shè)計(jì)時(shí)，參考的圖紙包括結(jié)構(gòu)工作圖中的焊腳標(biāo)注和定位標(biāo)注等，現(xiàn)場(chǎng)裝配工人根據(jù)圖紙進(jìn)行裝配點(diǎn)焊定位和手工燒焊。為了保證機(jī)器人的指令輸入和正常生產(chǎn)，有效控制焊接質(zhì)量[6]，重新梳理和優(yōu)化相關(guān)的工藝流程，新的焊接工藝流程(見圖11)增加機(jī)器人焊接指令的制作過程。

圖11 小組立焊接機(jī)器人工藝流程

3 結(jié) 語

機(jī)器人技術(shù)在飛速發(fā)展的同時(shí)，其制造成本和價(jià)格不斷下降，這為船企應(yīng)用焊接機(jī)器人提供有利條件。小組立焊接機(jī)器人已在某公司得到應(yīng)用，在項(xiàng)目推進(jìn)的過程中逐步積累一些經(jīng)驗(yàn)，后期將重點(diǎn)開發(fā)SPD軟件在小組立機(jī)器人焊接圖紙的批處理和過濾方面的應(yīng)用功能，以進(jìn)一步提高SPD軟件的焊接設(shè)計(jì)效率，希望能為相關(guān)研究提供參考，積極推進(jìn)船舶行業(yè)智能制造的發(fā)展。