陸燕輝， 劉 華

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引 言

近年來，隨著我國勞動力成本的逐漸提升，以廉價勞動力為支撐的“中國制造”經(jīng)濟模式難以為繼。焊接作為造船過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量非常關(guān)鍵。在焊接過程中，由于煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，工作環(huán)境非常惡劣。在船舶分段焊接方面，我國船舶企業(yè)基本以機械化、半自動化為主，日韓船舶企業(yè)則已基本實現(xiàn)數(shù)字化、智能化。在分段的小組立過程中，日韓船舶企業(yè)已基本實現(xiàn)機器人焊接生產(chǎn)，我國除幾家骨干船廠實現(xiàn)簡單部件的機器人焊接外，大部分還處于離散半自動作業(yè)。國內(nèi)骨干船舶企業(yè)焊接自動化率最高僅約20%，日韓先進船舶企業(yè)則可達到68%。我國船舶企業(yè)在推行焊接智能化方面仍需要對標找差、補齊短板[1]。

開展小組立智能焊接裝備研究能夠為復雜結(jié)構(gòu)的自動焊接提供有效的技術(shù)支持，也是船舶企業(yè)提升焊接自動化率、實現(xiàn)智能制造的先決條件。目前，國內(nèi)骨干船舶企業(yè)正逐步開展智能化焊接裝備升級改造，雖然引進了國外先進制造裝備，但仍存在較多問題：(1)國內(nèi)船舶企業(yè)沒有成熟的工藝積累，工藝庫、動作庫被國外船舶企業(yè)技術(shù)壟斷；(2)引進裝備對船廠開放性小、使用范圍受限；(3)引進裝備采購與維護成本較大[2]；等等。

1 方案實施路徑介紹

重點研究小組立復雜結(jié)構(gòu)的機器人焊接技術(shù)，實現(xiàn)補板全周焊接、全周圓弧焊接、傾斜角度焊接、小空間端部包角焊接、雙層多道大焊腳焊接等復雜工藝的智能焊接，填補小組立復雜分段自動化焊接的空白，完善船體分段智能化焊接體系，提升船舶小組立結(jié)構(gòu)件自動化焊接比例和焊接效率。

基于圖1所示方案實施路徑，可打造具備較高自適應程度的船舶小組立焊接流水線，廣泛適配小組立焊接的柔性生產(chǎn)，實現(xiàn)從小型簡單工件至大型復雜工件的全自動焊接，消除車間場地和傳統(tǒng)分道焊接對生產(chǎn)效率提升的限制。

圖1 小組立復雜結(jié)構(gòu)智能焊接裝備應用方案實施路徑

2 智能制造焊接裝備關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向機器人焊接的小組立三維結(jié)構(gòu)模型處理技術(shù)

針對船舶小組立復雜結(jié)構(gòu)焊縫的特點，對其所需要的模型信息與工藝信息進行梳理，開展基于統(tǒng)一三維工藝模型數(shù)據(jù)規(guī)范的復雜焊縫信息提取，為模型的后處理建立統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)源。然后，開展面向機器人焊接的復雜焊縫焊接數(shù)據(jù)特征分析，建立復雜焊縫特征的表達方法并對其進行參數(shù)化描述。其次，基于參數(shù)化的復雜焊縫特征表達方法，研究三維工藝模型的分類與可視化技術(shù)，形成一套針對小組立復雜焊縫工藝模型分類可視化的技術(shù)體系。最后，在焊縫模型可視化的基礎(chǔ)上，開展規(guī)則驅(qū)動的三維工藝模型數(shù)據(jù)交互及優(yōu)化處理，對焊接工藝進行優(yōu)化并構(gòu)建不同分類的焊接工藝視圖。通過上述要點的研究，開發(fā)小組立三維結(jié)構(gòu)模型處理軟件，對復雜焊縫的焊接坐標進行生成與轉(zhuǎn)換，形成面向機器人焊接的工藝文件，為復雜焊接作業(yè)路徑規(guī)劃與仿真提供數(shù)據(jù)輸入。

2.2 復雜結(jié)構(gòu)機器人焊接仿真技術(shù)

根據(jù)復雜結(jié)構(gòu)機器人焊接工藝的特點，對路徑規(guī)劃及仿真方案展開研究，通過對路徑規(guī)劃的關(guān)鍵影響因素進行分析，構(gòu)建路徑規(guī)劃模型。開展基于三維模型的離線編程路徑規(guī)劃技術(shù)的研究、復雜結(jié)構(gòu)機器人焊接路徑仿真技術(shù)研究、復雜結(jié)構(gòu)機器人焊接優(yōu)化決策研究等，突破路徑規(guī)劃數(shù)學模型構(gòu)建技術(shù)，仿真優(yōu)化決策技術(shù)，解決作業(yè)路徑規(guī)劃的難點問題。最后，面向小組立復雜結(jié)構(gòu)焊接離線編程與仿真的需求，開發(fā)復雜結(jié)構(gòu)焊接規(guī)劃與仿真平臺并進行軟件的應用與驗證[3]。

2.3 復雜結(jié)構(gòu)焊接工藝數(shù)據(jù)庫

以小組立復雜結(jié)構(gòu)焊接工藝為對象，開展構(gòu)建焊接工藝數(shù)據(jù)庫框架技術(shù)、機器人焊接基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)庫、典型特征焊縫工藝數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容研究，構(gòu)建復雜結(jié)構(gòu)焊接工藝數(shù)據(jù)庫，并展開試驗驗證[4]。具體實施過程如下：

(1)根據(jù)焊接工藝規(guī)程、接頭形式、焊接方法、焊接參數(shù)和備注等主要信息元素，按照標準規(guī)劃數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)、索引、主鍵等元素，形成工藝數(shù)據(jù)庫框架的構(gòu)建方案。從數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、調(diào)用效率、參數(shù)定制化、架構(gòu)擴展等角度優(yōu)化構(gòu)建方案，最終形成焊接工藝數(shù)據(jù)庫框架。

(2)針對船板的焊接工藝操作規(guī)程提取共性的基礎(chǔ)參數(shù)和方法，構(gòu)建機器人基礎(chǔ)焊接工藝數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上針對補板全周焊接、全周圓弧焊接、傾斜角度焊接等復雜結(jié)構(gòu)焊接的生產(chǎn)需要，提取其焊縫工藝的典型特征和相關(guān)參數(shù)，形成以復雜結(jié)構(gòu)焊接工藝為代表的典型特征焊縫工藝數(shù)據(jù)庫。

(3)基于船舶中小組立焊接工藝數(shù)據(jù)庫的框架、機器人焊接基礎(chǔ)焊接工藝、典型特征焊縫工藝的研究，構(gòu)建復雜結(jié)構(gòu)焊接工藝數(shù)據(jù)庫。

3 智能制造焊接裝備應用方案

3.1 應用范圍和工藝流程

3.1.1 應用范圍

在方案中，裝備的主要加工對象是較大尺寸部材和復雜部件，可實現(xiàn)圓周焊接、補板焊接、傾角焊接等多種高難度焊接工藝，比常規(guī)人工生產(chǎn)焊接效率提升50%以上。

針對現(xiàn)有小組立焊接機器人生產(chǎn)線具備的雙層底結(jié)構(gòu)的平角焊、立角焊、包角焊功能，方案裝備應用范圍主要為21.0 m×12.0 m×1.5 m(長×寬×高)以內(nèi)的小組立工件。其典型類型如圖2所示。

圖2 典型焊接類型

3.1.2 工藝流程

裝備處于數(shù)控切割和自由邊打磨之后、針對較大尺寸部材和復雜部件進行的機器人焊接工作。具體工藝流程為：配材、定位焊→機器人焊接→手工修補→搬出。

(1)配材、定位焊。該工序從數(shù)控切割和自由邊打磨獲得工件后，按照加工要領(lǐng)配置組合相關(guān)零件，對主板上的輔助件進行定位焊。

(2)機器人焊接。將完成定位焊的工件吊運至機器人定盤上，機器人進行自動焊接。

(3)手工修補。針對機器人無法完成的焊接區(qū)域，進行手工修補。

(4)搬出。將完成修補的工件吊運出定盤，并根據(jù)需要循環(huán)焊接或運送到下一工序。

3.2 焊接數(shù)據(jù)處理

3.2.1 建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫

建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫以便于分段制造裝備的關(guān)鍵工藝參數(shù)動態(tài)辨識。

(1)典型焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立

根據(jù)工藝模型特征的類型、參數(shù)類別、工藝影響因素及表達的方法，開展基于特征表達的規(guī)則庫構(gòu)建技術(shù)研究，通過對每種特征的編碼及特征參數(shù)在表述弧線焊縫特點的作用程度進行分析，梳理三維工藝模型與特征之間的邏輯關(guān)系及影響權(quán)重，如補板大小、連接板類型、過焊孔大小、焊接方向等在表述工藝模型時的作用等。對特征參數(shù)、模型幾何信息、工藝模型表述方法等方面的數(shù)據(jù)進行分析，形成一套基于特征表達的規(guī)則庫構(gòu)建技術(shù)體系。

分別針對包角等典型位置開展機器人擺動參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)的優(yōu)化試驗研究，重點進行擺幅、停留時間、姿態(tài)傾角等關(guān)系進行工藝交叉試驗研究，獲得工藝參數(shù)與質(zhì)量(特別是成形質(zhì)量)的關(guān)系，并建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

圖3 典型焊接工藝數(shù)據(jù)庫

(2)典型部材仿真模擬加工

焊接機器人在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)設備干涉、運動裝置無法到達預設位置、生產(chǎn)節(jié)拍不符合生產(chǎn)要求等問題，通過在仿真軟件中按照機器人實際的運動參數(shù)建立模型及布局，確保仿真場景中的設備與現(xiàn)場設備的一致性。通過在仿真場景中重現(xiàn)機器人的作業(yè)路徑，對整體作業(yè)進行仿真優(yōu)化，確保機器人按預設的作業(yè)路徑運行[5]。

通過系統(tǒng)建模，實現(xiàn)弧線焊縫機器人動作的仿真模擬，并在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化。①從無規(guī)則擺放的多個工件中自動選擇最高效的焊接順序。船舶工件同規(guī)格的占比很小，在批量制作不同規(guī)格的工件時，需要通過智能模擬的方式，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，排列出最優(yōu)的焊接順序。②優(yōu)化單個大工件焊縫焊接順序，減少焊接變形和應力。焊縫的常規(guī)焊接方式會產(chǎn)生較大的焊接變形。通過對焊接變形的模擬計算，結(jié)合焊接經(jīng)驗，形成一套專用的焊接順序準則，減少焊接變形。③自動平衡多臺機器人的焊接加工量。均衡化生產(chǎn)是提升機器人運轉(zhuǎn)率的有效方式。機器人在獲取工件信息后，能自動計算出焊接時間，從而平衡機器人相互間的焊接物量。

3.2.2 工藝數(shù)據(jù)導入與處理

通過工藝處理軟件實現(xiàn)設計模型的導入與處理，如圖4所示。其處理步驟包括：①將設計系統(tǒng)中的三維生產(chǎn)設計模型轉(zhuǎn)化為圖形數(shù)據(jù)文件和供計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)軟件使用的焊縫信息(XML數(shù)據(jù)格式)，支持焊角修正、長度修正、工件坐標原點指定等功能；②在CAM軟件中對焊縫進行處理，焊接姿態(tài)劃分、干涉檢測、焊縫分割，并進行焊接條件和動作的匹配；③在設備控制軟件中對焊接數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)動作庫+工藝庫生成機器人程序，并根據(jù)仿真結(jié)果生成設備需要的全部焊接數(shù)據(jù)。

注：CAD為計算機輔助設計

3.3 裝備總體設計與優(yōu)化

以小組立智能焊接裝備關(guān)鍵功能與技術(shù)體系為基礎(chǔ)，開展裝備總體設計，包括主體結(jié)構(gòu)設計、輔助裝置設計與空間布局設計等，形成總體設計方案。

應用數(shù)字映射技術(shù)將總體設計方案進行模擬運行驗證，包括小組立智能焊接裝備的機械運行狀態(tài)、作業(yè)節(jié)拍設置、工藝執(zhí)行情況、裝備運行環(huán)境等，綜合驗證設計方案的合理性，發(fā)現(xiàn)存在的不足之處，并優(yōu)化設計方案。

該裝備由多臺機器人組成，具備如下2種運行模式：

(1)節(jié)拍式獨立運轉(zhuǎn)模式。機器人互相獨立，在綜合考慮裝配、修補因素的基礎(chǔ)上，以固定的節(jié)奏流動式生產(chǎn)。此生產(chǎn)方式將機器人生產(chǎn)線各道工序均衡化。

(2)聯(lián)機運行模式。在制作超大尺寸工件時，將開啟聯(lián)機運行模式，多臺機器人可同時對1個工件聯(lián)機焊接(需要綜合考慮機器人之間互相避讓、配合)。聯(lián)機運行模式能大幅降低單個工件的加工周期。

整個設備硬件機構(gòu)由機器人、焊機、龍門裝置等組成：

(1)機器人。由多臺6軸多關(guān)節(jié)型焊接機器人組成，配備對應控制柜和接觸傳感中繼箱。該型機器人支持外部擴展軸，內(nèi)部安裝有防撞傳感器，以保證機器人在發(fā)生意外碰撞時能夠使機器人及時停止工作，避免不必要的損失，保證操作人員的安全。

(2)焊機。由焊機、送絲機、焊槍等設備組成，實現(xiàn)小組立工件的自動焊接。

(3)龍門裝置。在導軌組件上安裝多套龍門裝置，每套龍門裝置安裝1套行走機構(gòu)、1套橫行機構(gòu)、1套旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和2套升降機構(gòu)。2臺機器人吊頂式安裝于升降機構(gòu)上。

3.4 綜合控制系統(tǒng)

結(jié)合小組立智能焊接裝備的運行控制和信息管理等系統(tǒng)功能需求，整合小組立智能焊接各相關(guān)功能軟件，開展電氣設計、控制邏輯編程和控制界面設計等工作，開發(fā)小組立智能焊接裝備綜合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)裝備軟、硬件的集中控制。

(1)電氣控制系統(tǒng)。整個電氣控制系統(tǒng)由電氣控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、操作盒、現(xiàn)場工控機、機器人控制箱、報警系統(tǒng)等組成。

(2)視覺系統(tǒng)。以焊接機器人為載體，選取工業(yè)相機及相匹配的鏡頭通過 PC 端的有效控制來對焊接路徑圖像進行拍攝，從而提取焊接路徑的有效信息。為了得到完整的工件焊接路徑，且焊前不會對圖像的攝取產(chǎn)生影響，視覺傳感器的朝向與焊槍的朝向須始終保持一致。

(3)復雜環(huán)境感知與識別。利用控制系統(tǒng)自動識別待加工分段，并在復雜環(huán)境中實施分段焊接。①分段識別：將工件信息與焊接數(shù)據(jù)相比較，匹配對應后識別出該分段；②空間位置定位：利用工件上2個原點位置，通過視覺系統(tǒng)確認工件的空間定位；③焊縫信息獲?。壕C合①、②兩點的功能，在工件進入機器人焊接空間后，感知焊縫位置，匹配焊接數(shù)據(jù)。

(4)焊接可視化加工系統(tǒng)。①焊接狀態(tài)的遠程監(jiān)控與診斷。多個角度設置機器人監(jiān)控系統(tǒng)，在控制端能觀察機器人的實時狀態(tài)，并依據(jù)需求做出調(diào)整。②機器人運轉(zhuǎn)率、燃弧率、焊接速度、電流、電壓等信息的實時采集。

4 結(jié) 語

大尺寸船體復雜工件自動焊接是推進船廠自動化焊接布局的重要一環(huán)，從焊接參數(shù)研究、焊接數(shù)據(jù)處理、裝備總體設計等方面闡述船舶小組立復雜結(jié)構(gòu)智能焊接的應用方案，突破圓周焊接、補板焊接、傾角焊接等多種高難度焊接工藝技術(shù)。利用該方案構(gòu)建的智能焊接裝備已在南通中遠海運川崎船舶工程有限公司應用并取得初步成果。該裝備實現(xiàn)小組立復雜結(jié)構(gòu)的自動焊接，有效填補原有機器人焊接裝備的短板，比常規(guī)人工生產(chǎn)焊接效率提升約50%，并且與原有機器人焊接裝備一起形成規(guī)模效應，顯著提高船體加工機器人的焊接物量占比。實踐證明，該方案在船廠擁有良好的應用前景。