胡浩，高飛，鄒家生

江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 序言

隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的孕育與興起，智能制造逐漸成為制造行業(yè)的制高點(diǎn)，主要制造業(yè)國家紛紛出臺相關(guān)的戰(zhàn)略及政策，例如“美國CPS計(jì)劃”“德國工業(yè)4.0”“中國制造2025”等，搶占了新一輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高地。2018年12月中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布了《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021）》，該行動(dòng)計(jì)劃明確提出了要加快新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)造船技術(shù)的融合，逐漸實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的結(jié)合，表明以“智能工廠、智慧制造”為主導(dǎo)的智能船舶建造工業(yè)革命已經(jīng)悄然來臨，船舶企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級是當(dāng)前大環(huán)境下的形勢所趨。

船舶的建造離不開焊接，隨著技術(shù)的發(fā)展，從最開始的手工焊接、機(jī)器人示教焊接，到現(xiàn)在的可自動(dòng)識別焊縫再進(jìn)行焊接的柔性系統(tǒng)，手工焊接逐漸成為過去，機(jī)器人焊接成為主流。機(jī)器人焊接較傳統(tǒng)焊接方法優(yōu)勢明顯，普通六軸機(jī)器人的焊接速度（50～160cm/min）高于手工焊接（40～60cm/min），且機(jī)器人在焊接過程中焊接參數(shù)恒定性好、質(zhì)量穩(wěn)定性高、美觀性強(qiáng)、焊渣少，減少了后續(xù)清渣打磨工序，使得焊接自動(dòng)化成必然趨勢[1]。目前我國船舶建造主要依靠手工焊接為主，焊接技術(shù)水平大多數(shù)處于半自動(dòng)化到自動(dòng)化焊接階段，相比較發(fā)達(dá)國家而言焊接自動(dòng)化程度較低。本文介紹了船舶建造中管道型焊接機(jī)器人技術(shù)、吊籃式焊接機(jī)器人技術(shù)、移動(dòng)式焊接機(jī)器人技術(shù)及龍門式焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，并對船舶焊接機(jī)器人未來發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

2 船舶管道焊接機(jī)器人技術(shù)

船舶建造過程主要分為船體和管道的加工，管道生產(chǎn)加工占船舶建造總工時(shí)的8%～12%[2]，常見的管道結(jié)構(gòu)類型有直管、彎管、錐形過渡管、偏心過渡管、等徑三通管及馬鞍形連接管等[3]。由于其多樣化、多品種、離散性的特點(diǎn)，使得手工焊在管道加工過程中容易出現(xiàn)成形質(zhì)量差，合格率較低等情況，因此對管道焊接自動(dòng)化的研究從未停止。首先是管道焊接過程中的對接問題，傳統(tǒng)的管道對接焊主要依靠工人經(jīng)驗(yàn)，先在管道連接處進(jìn)行劃線、定位、定位焊后再進(jìn)行焊接，這不僅不能保證高效率和高質(zhì)量，而且很費(fèi)時(shí)。浙江大學(xué)的Haocai H[4]針對船舶管道對接問題，開發(fā)了一種新型船舶管道焊接輔助裝置（SPWAD），該結(jié)構(gòu)結(jié)合液壓電子鎖裝置，能夠更方便、更可靠地對齊、居中和鎖定兩條焊接管道；其次是管道焊接機(jī)器人裝備的設(shè)計(jì)，由江蘇科技大學(xué)、上海外高橋造船有限公司和昆山華恒焊接設(shè)備技術(shù)有限公司，結(jié)合機(jī)器人位置傳感技術(shù)、電弧跟蹤技術(shù)、機(jī)器人協(xié)同主從控制技術(shù)，以及開啟式變位機(jī)鏈輪傳動(dòng)裝置和MIG自動(dòng)焊接專家系統(tǒng)等，研發(fā)了國內(nèi)第一條船用管-管、管-法蘭主從機(jī)器人焊接生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線主要由2臺焊接機(jī)器人及1臺開口鉗式變位機(jī)為主導(dǎo)設(shè)備組成[5]，如圖1所示。應(yīng)用結(jié)果表明，該生產(chǎn)線能實(shí)時(shí)根據(jù)焊縫形狀調(diào)整焊槍的位置，焊接效率與手工焊相比提高5倍以上。

圖1 船舶中型直管-法蘭機(jī)器人柔性焊接系統(tǒng)

為了提高復(fù)雜環(huán)境下的管道焊接工藝，R.H.G等[6]人研究了TopTIG管道焊接工藝方法（見圖2）。該焊接方法與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（GTAW）相比，允許在靠近鎢極區(qū)域切向?qū)牒附z，并被整合到噴嘴中，使得焊槍更加緊湊，便于機(jī)器人的操作，在管道打底焊過程中焊絲的焊接速度和熔化速度提高兩倍。在焊接過程中除了控制焊接速度、電弧電壓、焊接電流等因素外，電弧的弧長也是一個(gè)重要的因素，它直接影響焊接過程中飛濺的產(chǎn)生、焊后焊縫成形等。對于電弧的控制也是眾多學(xué)者研究的方向，Lei[7]針對管-板焊接過程中弧長的不穩(wěn)定性，搭建了直流脈沖氬弧焊機(jī)、激光傳感器和CCD相機(jī)試驗(yàn)平臺，利用激光傳感器測量鎢極和管-板之間的距離，采用CCD相機(jī)結(jié)合分度尺獲得管-板水平和垂直方向的校準(zhǔn)圖像標(biāo)定、圖像預(yù)處理、圖像特征值提取等，可以實(shí)時(shí)控制焊槍與管板間間距，有利于焊縫成形。

圖2 TopTIG原理

國內(nèi)焊接設(shè)備公司也在不斷研究開發(fā)管道焊接設(shè)備，唐山開元自動(dòng)化焊接裝備有限公司設(shè)計(jì)出全位置MAG焊接系統(tǒng)，采用4個(gè)電動(dòng)機(jī)結(jié)合DSP數(shù)字信號處理，可以進(jìn)行根焊、熱焊、填充及蓋面等工藝，大大提升了管道焊接效率（見圖3）。在船舶企業(yè)中，啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司采用“分道分線”的做法，設(shè)置有不銹鋼和碳素鋼生產(chǎn)線，其中碳素鋼生產(chǎn)線根據(jù)管道的直徑又分為4條專用生產(chǎn)線，分別負(fù)責(zé)上料、噴碼、切割、坡口加工、管端打磨、下料、組對及焊接，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打底、填充、蓋面的自動(dòng)控制，有效提高了效率和效益（見圖4）。南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司（以下簡稱南通中遠(yuǎn)川崎）通過中一徑和中二徑智能化管道線的改進(jìn)優(yōu)化，建立船舶管路加工智能車間，大幅度提高生產(chǎn)效率，使對應(yīng)的生產(chǎn)工序效率提高70%。

圖3 全位置MAG焊接系統(tǒng)

圖4 數(shù)字化管道加工車間

3 船舶結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人技術(shù)

船舶建造過程中更多是板與板的裝配連接，船體的板材裝配主要是平面裝配法和柵格裝配法。平面裝配法就是先將縱骨板與船板進(jìn)行焊接，構(gòu)成板列分段，然后再將橫向肋骨板與板列分段進(jìn)行下一步焊接；柵格裝配法就是縱骨板先與橫框架進(jìn)行預(yù)裝配，形成柵格狀，再與船體板進(jìn)行焊接。目前，船舶結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人主要有吊籃式焊接機(jī)器人、移動(dòng)式焊接機(jī)器人及龍門架式焊接機(jī)器人。

3.1 吊籃式焊接機(jī)器人

20世紀(jì)90年代，吊籃式多軸機(jī)器人自主焊接已在韓國投入應(yīng)用。吊籃式焊接機(jī)器人使用起重機(jī)從一個(gè)位置吊到另一個(gè)位置[8]，當(dāng)?shù)踹\(yùn)至所需焊接位置時(shí)，再采用尋位傳感器對引弧點(diǎn)進(jìn)行定位和焊接。大宇船廠[9]的固定六軸吊籃式焊接機(jī)器人如圖5所示。

圖5 大宇船廠吊籃式焊接機(jī)器人

中船重工七一六研究所設(shè)計(jì)了一款快速、高效、柔性的導(dǎo)軌式艙室焊接機(jī)器人系統(tǒng)[10]，如圖6所示。該機(jī)器人配備了模塊化導(dǎo)軌，拆卸方便，柔性較好；焊接系統(tǒng)配置了焊縫跟蹤裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測焊縫成形質(zhì)量，可針對艙室典型多段T形焊縫進(jìn)行焊接。

圖6 導(dǎo)軌式艙室焊接機(jī)器人系統(tǒng)

3.2 移動(dòng)式焊接機(jī)器人

吊籃式焊接機(jī)器人適合開放式板材的連接，類似郵輪、集裝箱船、LNG船等雙層船殼結(jié)構(gòu)。雙層結(jié)構(gòu)由上部板和下部板、主梁和橫向腹板組成，大梁和腹板將雙層船體結(jié)構(gòu)劃分為若干封閉部分。在每個(gè)截面上平行布置若干縱向加強(qiáng)筋，這些縱向加強(qiáng)筋包含許多小型加強(qiáng)筋，形成U形結(jié)構(gòu)。由于受空間影響，使用吊籃式焊接機(jī)器人焊接十分不便，故需要更靈活的焊接機(jī)器人。為此，Namkug K[11]針對船舶建造過程中雙層船體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種移動(dòng)式焊接機(jī)器人，如圖7所示。應(yīng)用結(jié)果表明，該移動(dòng)式焊接機(jī)器人能提高25%的焊接效率。

圖7 移動(dòng)式焊接機(jī)器人

德國的邁爾船廠引進(jìn)了可360°旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂焊接機(jī)器人，如圖8所示。機(jī)器人底座安裝在行程導(dǎo)軌上，行程導(dǎo)軌由拆卸模塊構(gòu)成，方便拆卸，工人只需要先在控制面板里輸入一些參數(shù)，然后啟動(dòng)程序，機(jī)器人就會開始自動(dòng)測距定位、自動(dòng)焊接和移動(dòng)，可進(jìn)行平焊、橫焊、立焊及仰焊。

圖8 可360°旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂焊接機(jī)器人

3.3 龍門式焊接機(jī)器人

吊籃式和移動(dòng)式焊接機(jī)器人都能通過行車或吊車較快地被運(yùn)送到指定位置進(jìn)行焊接，但是由于大型船舶結(jié)構(gòu)對機(jī)器人的臂展和大范圍移動(dòng)的需求，所以船舶行業(yè)中龍門式焊接機(jī)器人應(yīng)用也較為廣泛。20世紀(jì)90年代，日本的NKK公司津船廠[12]就將龍門式焊接機(jī)器人應(yīng)用在小合攏生產(chǎn)線上，焊接機(jī)器人倒掛在移動(dòng)導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌可在X、Y、Z三個(gè)方向上移動(dòng)，這樣焊接機(jī)器人就變成了9個(gè)自由度。NKK公司津船廠在小合攏流水線上采用門架式多關(guān)節(jié)機(jī)器人來焊接低構(gòu)架肋板框架和平板部件，針對構(gòu)架與底板的水平角焊縫，采用門架式機(jī)器人或多臺小型機(jī)器人進(jìn)行“井”字形構(gòu)件內(nèi)水平和立向自動(dòng)角焊[13]。神戶制鋼所研發(fā)了可進(jìn)入狹小空間進(jìn)行分段焊接的龍門式焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如圖9所示，該機(jī)器人的主體倒置在運(yùn)輸裝置上，焊接時(shí)先將機(jī)器人降至分段底部，再對焊縫進(jìn)行定位，然后進(jìn)行焊接[14]。雖然該機(jī)器人實(shí)用性較好，但缺乏廣泛的應(yīng)用。相比而言，igm的龍門式焊接機(jī)器人無論是在豪華客輪、油輪、貨柜船，還是在巡洋艦的建造中，均有較高的占有率，如圖10所示。

圖9 神戶制鋼所龍門式焊接機(jī)器人

圖10 igm龍門式焊接機(jī)器人

近年來，國內(nèi)船舶企業(yè)開始逐漸引進(jìn)焊接機(jī)器人設(shè)備，2015年南通中遠(yuǎn)川崎成功投產(chǎn)了型鋼自動(dòng)生產(chǎn)線、條材機(jī)器人生產(chǎn)線、先行小組立機(jī)器人焊接生產(chǎn)線（見圖11）和小組材焊接生產(chǎn)線等4條機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，建成了工信部船舶制造示范智能車間。原來的型鋼生產(chǎn)線，從劃線、寫字、切割、分料都是人工操作，現(xiàn)在型鋼的劃線、切割、分料過程都由機(jī)器人完成（見圖12），生產(chǎn)效率提高2～4倍。在先行小組立生產(chǎn)線，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)背燒和出料，與傳統(tǒng)制造時(shí)鋼板需要在定盤上先全面鋪開，再裝配焊接、翻身、背燒等工序相比較，不僅提高了效率，而且減少了周期；小組立生產(chǎn)線配備的4臺焊接機(jī)器人既可單獨(dú)焊接又可相互配合，利用KCONG軟件模擬三維部材，進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，大幅度提高了生產(chǎn)效率，增加了靈活性。上海外高橋造船有限公司[15]也投產(chǎn)了小組立焊接機(jī)器人生產(chǎn)線，如圖13、圖14所示。該生產(chǎn)線在移動(dòng)式龍門架上倒置了兩臺焊接機(jī)器人，通過自主采集和分析待焊接部件、自動(dòng)規(guī)劃焊接路徑、自動(dòng)編程和焊接，采用無縫藥芯焊絲，成功地針對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的小組立通用部件進(jìn)行焊接，但也同樣存在機(jī)器人焊接的漏焊、偏焊、咬邊及焊腳偏小等缺陷，需要進(jìn)行人工修補(bǔ)。

圖11 南通中遠(yuǎn)川崎小組立焊接機(jī)器人

圖12 南通中遠(yuǎn)川崎自動(dòng)化生產(chǎn)線

圖13 上海外高橋造船有限公司通用部件焊接機(jī)器人

圖14 上海外高橋造船有限公司小組立生產(chǎn)線

4 船舶焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢

目前，船舶行業(yè)更多的是先將焊接機(jī)器人固定其底座，再結(jié)合焊槍部位的尋位裝置進(jìn)行焊接，較多應(yīng)用于環(huán)形和直線形焊縫，而對曲面形、拐角形及現(xiàn)場三維曲線的焊接應(yīng)用較少。國外對復(fù)雜柔性焊接制造系統(tǒng)已經(jīng)開展研究，日本為了提高國際造船的競爭力，提出了創(chuàng)新（Innovation）、信息（Information）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等智能造船的“i-Shipping”理論構(gòu)想[16]。2012年三菱重工研發(fā)了自動(dòng)離線引導(dǎo)系統(tǒng) 3D-CAD MATES，并成功應(yīng)用于造船現(xiàn)場，主要用于 VLCC、LPG、LNG 船型的實(shí)際作業(yè)，實(shí)現(xiàn)槽型部件周圍的焊接自動(dòng)化[17]。2018年韓國現(xiàn)代重工以物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，成功開發(fā)出雙曲面彎板加工機(jī)器人系統(tǒng)，配備高頻電流感應(yīng)加熱系統(tǒng)和六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人，該系統(tǒng)可自動(dòng)生成加熱軌跡，能夠自動(dòng)進(jìn)行3D曲面成形加工，成功解決了彎板加工流程標(biāo)準(zhǔn)化的難題，未來現(xiàn)代重工還計(jì)劃研究人工智能和更加復(fù)雜的技術(shù)。

西班牙的AIMEN技術(shù)中心[18]以庫卡焊接機(jī)器人為基礎(chǔ)，開發(fā)一款基于CAD 的機(jī)器人編程和焊接參數(shù)化超柔性9自由度的焊接機(jī)器人，結(jié)合視覺定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完整生產(chǎn)無手動(dòng)操作，該柔性機(jī)器人單元無需編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。美國的SSI公司和Wolf Robotics共同開發(fā)了基于Autocad 的CAD/CAM 生產(chǎn)線軟件Ship Constructor的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)全自主焊接機(jī)器人。美國肯塔基大學(xué)結(jié)合人的智能與機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)特征開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)人-機(jī)器人協(xié)同焊接，通過建立電弧長度、電弧電壓和焊接電流的映射模型，開發(fā)出焊縫跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了不需要人親臨現(xiàn)場就能控制焊接，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)效性[19]。綜上所述，種種跡象均表明，數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)化、智能化的智能造船時(shí)代即將到來。

發(fā)達(dá)國家的船舶焊接軌跡為手工焊、自動(dòng)焊、機(jī)器人焊接、智能焊接，但是現(xiàn)階段我國船舶建造過程中仍然以手工焊和自動(dòng)焊為主，機(jī)器人焊接較少，距達(dá)到智能化焊接階段還有較大的距離。我們應(yīng)集聚行業(yè)內(nèi)外重點(diǎn)企業(yè)、高等院校、科研院所、配套供應(yīng)商等開展技術(shù)需求對接，實(shí)現(xiàn)跨界融合，搭建智能船舶合作交流的平臺，推動(dòng)數(shù)據(jù)資源合理共享，深入開展焊接機(jī)器人在船舶建造中的應(yīng)用研究，迅速提升適合我國國情的船舶焊接技術(shù)和裝備，推動(dòng)我國船舶行業(yè)的發(fā)展，提高我國船舶行業(yè)在國際上的競爭能力，迎接數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)化、智能化的智能造船時(shí)代的到來。

5 結(jié)束語

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國焊接機(jī)器人從 2012 年的年銷售約25 000臺（套）發(fā)展至2019年約180 000臺（套）[20]，7年增長了620%。面對新一輪科技革命和船舶發(fā)展的交匯期，我們要夯實(shí)基礎(chǔ)、補(bǔ)齊短板，加強(qiáng)船舶智能制造裝備的研發(fā)與引進(jìn)，如船體零件的智能劃線、切割、打磨等，實(shí)現(xiàn)小組立智能焊接、中組立智能焊接、分段外板智能噴涂，建立管道、法蘭智能加工等自動(dòng)化車間；對新焊接工藝技術(shù)研發(fā)與舊焊接工藝技術(shù)的改進(jìn)，如激光焊、激光復(fù)合焊、攪拌摩擦焊等，以滿足特種船舶建造的需要；加強(qiáng)船舶焊接專家數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與研究，完善船舶精益制造和智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系；研究開發(fā)船舶結(jié)構(gòu)專用輕便型機(jī)器人以及船用CAD/CAM集成的快速離線編程和自動(dòng)編程軟件，實(shí)現(xiàn)船體分段3D激光掃描，破解曲面分段中空間三維曲線焊縫軌跡的傳感、識別、跟蹤、焊接成形和焊后形變控制等復(fù)雜難題[21]，推動(dòng)船舶全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)[22]；完善船廠互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，利用傳感設(shè)施將個(gè)人動(dòng)作和作業(yè)數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)作業(yè)實(shí)績實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，推進(jìn)以數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能船廠的建設(shè)，全面實(shí)施數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的物料輸送，建立先行分段智能焊接機(jī)器人、管材智能焊接機(jī)器人、FCB/RF自動(dòng)化焊接設(shè)備、型鋼自動(dòng)切割生產(chǎn)線及鋼板數(shù)控切割生產(chǎn)線等先進(jìn)智能制造裝備，打造適合中國國情的真正的生產(chǎn)車間智能化。