許燕玲，張本順，侯震

1.上海交通大學(xué)材料學(xué)院機(jī)器人焊接智能化實(shí)驗(yàn)室 上海 200240

2.江蘇自動(dòng)化研究所 江蘇連云港 222006

1 序言

“十三五”期間，我國海工裝備業(yè)保持了強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢，其中三大造船指標(biāo)均領(lǐng)先于韓國和日本等制造強(qiáng)國，鞏固了世界第一造船大國的地位，表1為我國三大造船指標(biāo)變化情況。從表中可以看出，2020年盡管受新冠肺炎疫情的影響，船舶行業(yè)遭受重大沖擊，但我國船舶企業(yè)仍然努力克服困難，堅(jiān)持任務(wù)不變、目標(biāo)不減的原則，全年我國造船完工量、新接訂單量和手持訂單量在全球市場份額按載重噸計(jì)分別為38.9%、46.4%和45.0%，繼續(xù)保持國際市場份額領(lǐng)先[1]。

表1 2016—2020年我國三大造船指標(biāo)變化情況

焊接是海工裝備制造中的重要工藝環(huán)節(jié)，也是決定其裝備質(zhì)量的關(guān)鍵因素。尤其是船舶制造中的小合攏、中合攏、大合攏、平面分段、曲面分段、平直立體分段、管線法蘭連接、型材部件裝焊等多個(gè)工序和工位都需要依靠焊接進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，圖1為船舶制造中的焊接現(xiàn)場。

圖1 船舶制造中的焊接現(xiàn)場

根據(jù)相關(guān)資料，焊接工作量占據(jù)了船體建造總工程量的30%~40%，焊接成本也占據(jù)船體建造總成本的30%~50%，而焊接所需要的工時(shí)也占船體建造總工時(shí)的30%左右。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，盡管我國海工裝備在主流船型、高技術(shù)船舶、海洋工程裝備領(lǐng)域科技創(chuàng)新均取得了重大突破，本土化配套能力和水平得到了顯著提升。但必須清醒地看到，我國海工裝備發(fā)展也存在不少矛盾和問題，主要表現(xiàn)在技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，生產(chǎn)效率不高，示范應(yīng)用不足，整個(gè)海工裝備制造配套業(yè)發(fā)展滯后，與世界其他造船強(qiáng)國相比，我國海工船舶制造整體水平和實(shí)力仍有較大差距。在焊接方面，造成當(dāng)前我國海工裝備焊接智能制造落后的原因，主要有以下幾個(gè)方面。

1）多品種、小批量、非標(biāo)件多，需要機(jī)器人焊接具有較高的適應(yīng)性和柔性化，圖2為海工裝備制造中的非標(biāo)工件。

圖2 海工裝備制造中的多品種、小批量、非標(biāo)件

2）工藝優(yōu)化滯后，工件尺寸大，裝配間隙不一致，達(dá)不到機(jī)器人智能化焊接對(duì)裝配精度的要求。

3）焊接工藝復(fù)雜、要求高，某些關(guān)鍵部件需要開發(fā)適用海工裝備的新工藝、新方法。

4）機(jī)器人智能化焊接相應(yīng)配套關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口，成本高，不利于推廣使用。

工業(yè)機(jī)器人由于具有精度高、重復(fù)性好、柔性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于海工裝備的焊接生產(chǎn)中。機(jī)器人智能化焊接技術(shù)是我國海工裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，對(duì)于提升我國船舶制造水平，提高船舶制造工程的自主配套能力，滿足國家新型船舶戰(zhàn)略安全需求具有重要的意義。

2 海工裝備機(jī)器人智能化焊接技術(shù)路線

海工裝備制造機(jī)器人智能化焊接技術(shù)，主要包括以下幾部分，焊接新工藝新方法、三維模型的離線編程、三維掃描目標(biāo)匹配、焊接尋位、焊縫跟蹤及過程管控技術(shù)等，如圖3所示。

圖3 海工裝備機(jī)器人智能化焊接技術(shù)路線

3 機(jī)器人智能化焊接新工藝新方法

3.1 雙面雙弧高效焊接

雙面雙弧焊接最早是由美國肯塔基大學(xué)教授ZHANG Y M 提出的一種新型焊接工藝[2]，采用在工件兩側(cè)使用相互獨(dú)立的電弧對(duì)焊接工件進(jìn)行同步或異步焊接的方式，在雙側(cè)氣體的保護(hù)作用下，免去了傳統(tǒng)焊接工藝的背部碳弧氣刨清根工序，提高了焊接效率，增加了焊接熔深。目前，針對(duì)雙面雙弧焊接，上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、大連理工大學(xué)等許多學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究。MIAO等在單電源型雙面雙弧MIG-TIG的基礎(chǔ)上，提出了旁路分流雙面雙弧焊接方法BS-DSAW[3]，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。該工藝解決了厚板焊接過程中熔池表面下凹的問題，提高了旁路電流，能有效提高焊絲熔敷率及焊接效率。

圖4 旁路雙面雙弧焊接BS-DSAW系統(tǒng)

上海交通大學(xué)陳玉喜等[4，5]針對(duì)50mm的低合金高強(qiáng)鋼厚板海洋鉆井平臺(tái)，進(jìn)行了雙電源雙面雙弧焊接工藝探究，使用雙面雙弧雙MAG的異步打底，雙面雙弧雙MAG的同步蓋面，實(shí)現(xiàn)了可靠的焊接接頭，塑韌性均較高，如圖5所示。

圖5 雙面雙MAG焊接工藝和數(shù)值模擬結(jié)果[3，4]

3.2 K-TIG

K-TIG也稱為匙孔TIG焊接方法，由CSRIO發(fā)明提出，由于大電流的存在，使得焊接過程熔融金屬被排擠在電弧兩邊，形成一個(gè)匙孔狀，小孔隨著焊槍的行進(jìn)而向前移動(dòng)，前段的熔融金屬凝固成為焊縫。K-TIG焊接方式原理如圖6所示[6]。目前，南昌大學(xué)、蘭州理工大學(xué)煙臺(tái)研究院等都對(duì)此焊接方法進(jìn)行了一系列的研究。

FANG等[7]使用高頻電流實(shí)現(xiàn)對(duì)厚板的K-TIG焊接，試驗(yàn)裝置如圖7所示。該工藝相比傳統(tǒng)TIG方法，焊接過程峰值電流從430A下降到340A，熔化區(qū)域更小，減少焊接熱輸入，細(xì)化了焊縫內(nèi)組織，并且證明高頻電流對(duì)于K-TIG小孔穩(wěn)定性有顯著提高的作用。

圖7 高頻K-TIG焊接實(shí)驗(yàn)裝置[7]

石永華等[8]在K-TIG的工藝上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了在焊槍上添加縱向磁場的輔助K-TIG焊接工藝，如圖8所示。試驗(yàn)證明，該工藝在保證焊接性能的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)海工裝備鋼結(jié)構(gòu)中厚板的不開坡口，單面焊雙面成形。

圖8 磁場輔助的TIG焊接實(shí)驗(yàn)裝置[8]

3.3 TOP-TIG 焊接

TOP-TIG是一種新興的TIG焊接技術(shù)，在傳統(tǒng)的TIG送絲機(jī)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，將TIG填絲與焊槍夾角從原來的接近直角改為較小的20°，使焊絲在噴嘴中獲得較高能量，實(shí)現(xiàn)較高的熔敷率，以提高焊接效率。李凱等[9]提出了一種TOP-TIG焊槍裝置用于高速列車的天線梁焊接，如圖9所示。試驗(yàn)表明，該TOP-TIG焊接方法相比傳統(tǒng)TIG焊接，縮短了焊接工時(shí)20%以上，減少輔助焊接時(shí)間60%以上，大大提高了焊接效率，尤其是在海工裝備大厚板打底焊中具有非常好的應(yīng)用前景。

圖9 TOP-TIG焊槍[9]

3.4 等離子-MIG復(fù)合焊

等離子弧焊具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如焊速較快、穿透力強(qiáng)，但是其熔融金屬的鋪展性不良。而MIG作為應(yīng)用廣泛的一種焊接方式，具有高熔敷率、鋪展性好的優(yōu)勢。將兩種成熟的焊接技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮二者的工藝優(yōu)勢，如圖10所示。目前，已有學(xué)者開始把等離子-MIG復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用在海工裝備鋼結(jié)構(gòu)T形接頭的焊接上。

圖10 等離子-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)

田仁勇等[10]設(shè)計(jì)了一種等離子弧-MIG復(fù)合焊槍，基于焊接過程的接頭截面形貌的對(duì)比，進(jìn)行了溫度場的數(shù)值模擬，分析得出結(jié)論，等離子-MIG焊接接頭截面呈釘子形，與單純的MIG焊接相比，熔化母材較少，焊接熱影響區(qū)較小，因此焊接效率高，焊接質(zhì)量好，如圖11所示。

圖11 實(shí)際MIG和復(fù)合焊接的焊縫宏觀形貌與數(shù)值模擬宏觀形貌對(duì)比[9]

畢學(xué)松等[11]提出了一種旁軸式的等離子弧-MIG復(fù)合焊接工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)一體式的焊槍如圖12所示。從試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，該試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的新工藝運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)于厚板構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)不清跟的雙面全熔透焊接，10mm以下板材可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，極大地提高了焊接效率。

圖12 一體式旁軸等離子-MIG焊槍的結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)[10]

4 海工裝備鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人智能化焊接關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人智能化焊接是通過多種傳感手段，使機(jī)器人能夠感知焊接過程變化，并進(jìn)行推理和決策，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的控制。目前，海工裝備鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人智能化焊接技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在焊接三維模型的離線編程、三維掃描目標(biāo)匹配、焊接尋位、焊縫跟蹤及過程管控技術(shù)等方面。

4.1 機(jī)器人智能化焊接離線編程系統(tǒng)

目前，焊接離線編程多采用“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式，早在1986年，美國西門子公司就開發(fā)了面向商用的ROBCAD[12]系統(tǒng)，這是目前工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的離線編程系統(tǒng)。離線編程系統(tǒng)除了內(nèi)置機(jī)器人模型和一些常用模型外，還具有二維/ 三維建模功能，可用于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；具有自檢功能，可進(jìn)行機(jī)器人本體干涉試驗(yàn)；具有模擬示教裝置，通過離線編程對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行示教，生成焊接路徑；具有動(dòng)態(tài)模擬功能，能模擬實(shí)際焊接環(huán)境；它有一個(gè)通信模塊，可以連接到各種外部通信設(shè)備。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等以SolidWorks為平臺(tái)，開發(fā)了功能齊全的機(jī)器人弧焊離線編程軟件，如圖13所示。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的建模能力，采用面向?qū)ο蠼⒘藱C(jī)器人弧焊離線編程與仿真系統(tǒng)的對(duì)象模型[13]。另外，大連理工大學(xué)白學(xué)磊等[14]基于RobotStudio搭建了一套機(jī)器人離線編程與激光跟蹤的自動(dòng)化高效焊接系統(tǒng)，將離線編程技術(shù)應(yīng)用到12~30mm厚的船舶曲面板焊接試驗(yàn)中。

圖13 機(jī)器人焊接離線編程系統(tǒng)

另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張華軍針對(duì)厚板機(jī)器人焊接中多層多道焊的自動(dòng)規(guī)劃策略，給出了基于圖形多層多道焊的自定義焊道編排方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人多層多道焊接的模擬和運(yùn)動(dòng)策略的快速實(shí)現(xiàn)，降低了示教時(shí)間和焊接難度[15]，如圖14所示。

圖14 基于圖形的多層多道焊焊縫編排與模擬

4.2 基于3D點(diǎn)云的免示教編程機(jī)器人智能化焊接系統(tǒng)

在海工裝備鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人免示教編程智能化焊接研究中，上海振華重工采用龍門式機(jī)器人8軸聯(lián)動(dòng)方式，基于視覺傳感技術(shù)，完成了擺放在焊接平臺(tái)上的耳板組件和加強(qiáng)圈的自動(dòng)CO2+Ar氣體保護(hù)MAG焊接，如圖15所示。

圖15 耳板和加強(qiáng)圈自動(dòng)焊接系統(tǒng)

該自動(dòng)焊接系統(tǒng)安裝有全范圍識(shí)別攝相機(jī)，對(duì)整個(gè)工作臺(tái)上部表面整體拍照，將擺放在一個(gè)工作臺(tái)上的全部耳板組件進(jìn)行輪廓識(shí)別和粗定位，并規(guī)劃出精確定位采集的運(yùn)動(dòng)軌跡和焊接的排列順序，然后利用激光視覺采集裝置按規(guī)劃好的順序?qū)σ附佣褰M件的加強(qiáng)圈輪廓進(jìn)行精確采集定位，同時(shí)采集耳板加強(qiáng)圈的厚度及直徑信息，并匹配事先存放在系統(tǒng)中的焊接工藝再進(jìn)行焊接的方式（采集一個(gè)焊接一個(gè)，依次進(jìn)行，直到工作臺(tái)上的耳板全部焊接完成），如圖16所示。這種方式對(duì)于耳板組件的輪廓不再需要輸入?yún)?shù)，只需要進(jìn)行加強(qiáng)圈直徑、厚度及要求焊角參數(shù)的輸入 ，以便規(guī)劃和修正采集運(yùn)動(dòng)軌跡和焊接運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖16 基于視覺傳感的免示教的機(jī)器人智能化焊接

目前，三維點(diǎn)云技術(shù)廣泛應(yīng)用于逆向工程和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，屬于較為前沿的工程技術(shù)研究。相比于傳統(tǒng)的相機(jī)拍攝獲取二維圖像信息來說，通過激光雷達(dá)或者結(jié)構(gòu)光技術(shù)獲得工件的三維點(diǎn)云圖擁有深度信息，且相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺通過標(biāo)定獲得的深度信息來說，三維點(diǎn)云獲得的深度信息更加準(zhǔn)確和完整，能夠在整個(gè)空間中復(fù)現(xiàn)工件的外形，對(duì)于焊接過程的初始導(dǎo)引以及焊接結(jié)果的監(jiān)控有著獨(dú)特的優(yōu)勢。通過激光雷達(dá)或者結(jié)構(gòu)光技術(shù)獲取工件三維信息，并自動(dòng)識(shí)別出所有焊縫，默認(rèn)情況下，焊接所有識(shí)別出的焊縫，自由選擇所需焊接的焊縫。每條焊縫可利用焊接數(shù)據(jù)庫自動(dòng)匹配相應(yīng)的焊接參數(shù)，也可人工自由定義或修改已匹配的焊接參數(shù)。系統(tǒng)可以自動(dòng)完成機(jī)器人路徑規(guī)劃并完成焊接，實(shí)現(xiàn)焊接“免編程”功能。

在海工裝備焊接過程中，大型鋼結(jié)構(gòu)在經(jīng)過定位焊、現(xiàn)場擺放之后，因?yàn)樽冃蔚脑?，?shí)際焊件的尺寸與CAD模型的尺寸往往并不符合。為了解決現(xiàn)場焊接件與模型尺寸不匹配的問題，華中科技大學(xué)丁小天等提出了通過現(xiàn)場掃描獲得工件擺放后的三維點(diǎn)云，并通過逆向工程的方法，重新獲得了工件的CAD模型[16]，如圖17所示。

圖17 工件三維點(diǎn)云掃描逆向工程

此外，為了將離線編程方法應(yīng)用到焊接過程中，需要對(duì)掃描焊件獲得的點(diǎn)云進(jìn)行擬合以獲得表面方程。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于興華等[17]通過雙目視覺的方式獲得了焊件表面的稀疏點(diǎn)云，并且針對(duì)稀疏點(diǎn)云擬合平面方程和二次曲面方程展開了研究，如圖18所示。

圖18 工件三維點(diǎn)云擬合平面與實(shí)物比較

4.3 焊接導(dǎo)引與尋位

目前，大部分焊接機(jī)器人仍然是“示教-再現(xiàn)”型的，在開始進(jìn)行焊接任務(wù)之前，需要對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確地示教，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，尤其是對(duì)復(fù)雜焊縫，其編程效率低下，適應(yīng)性較差。在焊接前，控制機(jī)器人執(zhí)行器末端即焊絲尖端自動(dòng)移動(dòng)到初始焊位，并完成焊縫識(shí)別、路徑規(guī)劃等工作是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化焊接的關(guān)鍵步驟。楊雪君等基于被動(dòng)視覺傳感器，通過一目雙位的形式建立了被動(dòng)視覺立體視覺模型，并采用外極線約束及圖像特征約束進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，提出了一套基于“先粗后細(xì)”兩步法及自適應(yīng)動(dòng)態(tài)變區(qū)域模板匹配的方法來識(shí)別焊縫中心線，并針對(duì)焊件初始焊位附近局部區(qū)域設(shè)計(jì)了一套圖像處理及特征點(diǎn)識(shí)別的算法來獲得焊件起始焊位的圖像坐標(biāo)（見圖19），控制機(jī)器人末端點(diǎn)移動(dòng)到初始焊接位置點(diǎn)[18]。

圖19 基于被動(dòng)視覺的焊接導(dǎo)引

海軍等研究了一種基于雙線激光條紋結(jié)構(gòu)的焊接初始位置識(shí)別方法，如圖20所示。根據(jù)雙線激光投射在初始位置的形貌特征，利用焊縫特征提取算法提取出模型特征點(diǎn)并求出初始焊位三維坐標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)初始焊接位置的尋位[19]。

圖20 基于雙線激光條紋的焊接初始位置識(shí)別

4.4 焊縫實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)

基于視覺的焊縫跟蹤技術(shù)，主要包括被動(dòng)視覺和主動(dòng)視覺兩種方式。許燕玲等采用被動(dòng)視覺傳感器提取了焊縫邊緣及熔池區(qū)域圖像的特征，實(shí)現(xiàn)了過程中的焊接軌跡自動(dòng)糾偏，如圖21所示。肖潤泉等研究了一種適用于多種典型焊縫及復(fù)雜工況下的自適應(yīng)實(shí)時(shí)焊縫跟蹤算法，獲得焊縫特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了焊接過程的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤，如圖22所示。這些焊縫跟蹤系統(tǒng)在保持較高精度的同時(shí)，對(duì)復(fù)雜工況下的焊接弧光、飛濺、反光、噪聲等仍然具有很好的魯棒性[20]。

圖21 被動(dòng)視覺焊縫跟蹤

圖22 基于主動(dòng)激光視覺的復(fù)雜工況下V形焊縫特征點(diǎn)提取流程

4.5 熔池監(jiān)控技術(shù)

在機(jī)器人智能化焊接中，焊接過程信息的監(jiān)控非常重要，尤其是熔池動(dòng)態(tài)過程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)提高機(jī)器人焊接焊縫質(zhì)量至關(guān)重要。通過監(jiān)控焊接過程中的熔池動(dòng)態(tài)變化，可以實(shí)時(shí)調(diào)整焊接工藝，抑制焊接缺陷，保證焊接質(zhì)量。由于被動(dòng)視覺傳感器擁有更豐富的圖像信息，在熔池狀態(tài)監(jiān)控方面具有天然的優(yōu)勢。吳頔等根據(jù)VPPAW中熔池圖像特征，建立了熔透狀態(tài)預(yù)測模型[21]，如圖23a~b所示；樊重建等設(shè)計(jì)了三光路視覺傳感系統(tǒng)，同時(shí)了采集熔池正前方、斜后方、斜下方清晰的熔池圖像，如圖23c所示，用于分析GTAW焊接熔池動(dòng)態(tài)變化及成形規(guī)律[22]。

圖23 VPPAW熔池監(jiān)控技術(shù)

4.6 焊接過程管控系統(tǒng)

對(duì)焊接過程進(jìn)行管控是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接制造數(shù)字化、智能化的重要環(huán)節(jié)，可有效解決焊接制造過程中存在的焊接數(shù)據(jù)采集率低、焊接過程監(jiān)控性差、焊接工藝執(zhí)行不規(guī)范等問題，協(xié)助企業(yè)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，提高不同職能部門間的協(xié)同效率，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、料、法等環(huán)節(jié)的閉環(huán)管理。因此，焊接過程管控系統(tǒng)對(duì)于焊接制造企業(yè)的規(guī)范管理和精益制造具有重要意義。

焊接過程管控系統(tǒng)是基于焊接智能制造平臺(tái)及信息化生產(chǎn)等需求，包含上位機(jī)軟件、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集單元、環(huán)境信息采集單元和數(shù)據(jù)傳輸橋接單元的全數(shù)字管控系統(tǒng)?？刹杉⒂涗浬a(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場焊接數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與焊接任務(wù)指令的傳遞接收，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖24所示。

圖24 焊接管控系統(tǒng)功能架構(gòu)及系統(tǒng)

5 結(jié)束語

總的來說，目前在海工裝備焊接實(shí)際生產(chǎn)中使用的焊接機(jī)器人大部分仍然是“示教-再現(xiàn)”型“盲人”機(jī)器人，其不具備自主焊接功能，阻礙了機(jī)器人焊接在海工裝備領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用推廣。焊接新工藝新方法的研究、離線自主編程、三維掃描目標(biāo)匹配、焊接尋位、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、熔池監(jiān)控和焊接過程管控技術(shù)是目前海工裝備大型鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人智能化焊接亟需解決的幾個(gè)主要問題和關(guān)鍵技術(shù)，也是我國海工裝備在主流船型、高技術(shù)船舶、海洋工程裝備領(lǐng)域科技創(chuàng)新取得重大突破的關(guān)鍵所在。