孫宏偉 王興華/中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所

鋼板作為船舶原材料，經(jīng)切割和成型，得到不同形狀規(guī)格的構(gòu)件。構(gòu)件作為重要的產(chǎn)品組成全覆蓋于船舶海洋工程領(lǐng)域。隨著船舶建造行業(yè)對(duì)加工制造的質(zhì)量程度與生產(chǎn)效率要求的日益提升，作為重要加工環(huán)節(jié)的構(gòu)件自由邊銑邊打磨一直以來(lái)完全依賴人工進(jìn)行。同時(shí)，由于構(gòu)件需要進(jìn)行雙面打磨，無(wú)形中又增加了人工搬運(yùn)和翻面等重體力勞動(dòng)，特別是具有復(fù)雜形狀的構(gòu)件自由邊，受限于構(gòu)件的特點(diǎn)和構(gòu)件切割形成的高硬度切割表面影響，傳統(tǒng)人工手持倒角機(jī)銑邊打磨誤差大，整體效率低。少數(shù)國(guó)外企業(yè)花重金采用大型數(shù)控機(jī)床式打磨設(shè)備對(duì)構(gòu)件自由邊進(jìn)行圓角打磨，但適應(yīng)構(gòu)件類型少、對(duì)前序構(gòu)件切割質(zhì)量要求嚴(yán)格、設(shè)備成本高等缺點(diǎn)，阻礙了數(shù)控機(jī)床式打磨設(shè)備的應(yīng)用推廣。

通過(guò)研究船體構(gòu)件圓角銑邊打磨原理，我們研制出一種基于工業(yè)機(jī)器人的柔性打磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同類型、種類以及一定切割坡口的構(gòu)件，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

船體構(gòu)件加工現(xiàn)狀

壓載艙、淡水艙等部分的組立加工需要將組立構(gòu)件自由邊進(jìn)行倒圓角打磨處理，通常倒角半徑2-3毫米。操作工不但要手持倒角機(jī)進(jìn)行人工自由邊倒角打磨，通常伴隨著人工對(duì)構(gòu)件進(jìn)行翻面，工作量十分巨大。同時(shí)，由于構(gòu)件的類型多樣、打磨精度要求高，以往的自動(dòng)化加工設(shè)備因?yàn)榉N種的瓶頸問(wèn)題而使設(shè)備使用受限。主要包括以下問(wèn)題，如表1所示。

表1 自動(dòng)化加工瓶頸問(wèn)題表

自由邊圓角打磨機(jī)器人系統(tǒng)研制

系統(tǒng)功能及原理

自由邊圓角打磨機(jī)器人系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱：打磨機(jī)器人系統(tǒng)）是針對(duì)船體構(gòu)件自由邊打磨加工的新型設(shè)備，其多維感知與在線特征重建等設(shè)計(jì)思路，為智能化柔性打磨提供關(guān)鍵支撐。通過(guò)柔性打磨頭集成氣動(dòng)阻尼裝置突破了低負(fù)載機(jī)器人系統(tǒng)的剛性接觸打磨難題?？筛鶕?jù)打磨單元模塊化配置，實(shí)現(xiàn)替代人工應(yīng)用于不同類型構(gòu)件自由邊打磨場(chǎng)景的功能。

工作原理：機(jī)器人打磨系統(tǒng)在執(zhí)行打磨任務(wù)之前，首先將構(gòu)件逐個(gè)碼放到基座上（尺寸為2.2米×2米），構(gòu)件邊緣保持在基座內(nèi)，方向大致一致，水平放置。將構(gòu)件碼放完成的基座運(yùn)送到機(jī)器人打磨系統(tǒng)的上料區(qū)域，上料機(jī)器人上的3D視覺(jué)裝置確定待拾取構(gòu)件位置并在線重建出完整的構(gòu)件輪廓特征，根據(jù)構(gòu)件輪廓搜索匹配設(shè)計(jì)模型庫(kù)中的對(duì)應(yīng)圖紙，解析出自由邊位置。上料機(jī)器人規(guī)劃相應(yīng)位姿拾取構(gòu)件，同時(shí)氣動(dòng)夾爪收縮將構(gòu)件夾緊保持后，將構(gòu)件放入打磨治具臺(tái)上。打磨治具臺(tái)分為左右工位，左右工位都對(duì)應(yīng)有升降電機(jī)根據(jù)輪廓特征調(diào)整構(gòu)件合適位置。定位機(jī)構(gòu)壓緊構(gòu)件，橫移電機(jī)帶動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)到指定打磨位置。治具臺(tái)下方預(yù)留粉塵回收裝置，便于收集打磨粉塵。打磨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，位置傳感器采集構(gòu)件位置數(shù)據(jù)，確定構(gòu)件平面，打磨機(jī)器人上搭載的線激光視覺(jué)傳感器根據(jù)上料階段的構(gòu)件輪廓自動(dòng)轉(zhuǎn)換為構(gòu)件自由邊的掃描軌跡，同時(shí)驅(qū)動(dòng)打磨機(jī)器人搭載線激光視覺(jué)傳感器對(duì)自由邊進(jìn)行精確掃描，從而確定打磨的精確路徑軌跡，引導(dǎo)打磨機(jī)器人按軌跡進(jìn)行打磨，同時(shí)獲取六維力控裝置采集的反作用力信息，根據(jù)力的大小調(diào)整接觸氣動(dòng)阻尼狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的柔性打磨。打磨機(jī)器人配有刀庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能，提升打磨效率。打磨的同時(shí)，右邊上料機(jī)器人按同樣的步驟將構(gòu)件拾取到右邊打磨治具臺(tái)上，待到左邊構(gòu)件打磨結(jié)束后，右邊打磨治具臺(tái)進(jìn)行打磨作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)了循環(huán)打磨。

設(shè)備構(gòu)成

機(jī)器人系統(tǒng)主要由上下料系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、輸送單元、機(jī)器人打磨單元和配套的電氣控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、信息化綜合管控系統(tǒng)組成。

設(shè)備結(jié)構(gòu)特性描述

機(jī)器人打磨系統(tǒng)（見(jiàn)圖 1）主要包括上下料機(jī)器人、安裝在上下料機(jī)器人上的3D視覺(jué)裝置、打磨機(jī)器人、線激光視覺(jué)傳感器、六維力控裝置、柔性打磨裝置、打磨治具臺(tái)、料盤、換刀庫(kù)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 機(jī)器人打磨系統(tǒng)總體圖

上下料機(jī)器人：1、打磨機(jī)器人 2、線激光視覺(jué)傳感器 3、六維力控裝置 4、打磨裝置 5、打磨治具臺(tái) 6、料盤 7、圓弧板 8、換刀庫(kù) 9以及控制裝置 10、底座63

上下料機(jī)器人共有兩臺(tái)，用于將料盤中構(gòu)件自動(dòng)拾取并放置在打磨治具臺(tái)上的固定位置，以及將打磨完畢的構(gòu)件放置到料盤內(nèi)。打磨機(jī)器人用于帶動(dòng)線激光視覺(jué)傳感器、六維力控裝置、柔性打磨裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨治具臺(tái)上構(gòu)件的自動(dòng)化打磨作業(yè)。線激光視覺(jué)傳感器用于根據(jù)上料階段得到的構(gòu)件輪廓軌跡掃描構(gòu)件自由邊，從而獲得精確的打磨軌跡。六維力控裝置用于采集柔性打磨裝置對(duì)于構(gòu)件自由邊打磨過(guò)程中接觸力的大小。柔性打磨裝置用于實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件自由邊的柔性打磨，同時(shí)避免接觸反作用力對(duì)打磨機(jī)器人的剛性沖擊。打磨治具臺(tái)用于夾緊、吸附構(gòu)件在指定位置，避免打磨干涉。料盤由四個(gè)工作料盤組成，用于裝載和運(yùn)輸構(gòu)件。換刀庫(kù)用于打磨刀具的自動(dòng)更換。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

一種新的混合感知與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，解決構(gòu)件尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、切割質(zhì)量不統(tǒng)一、自由邊位置不固定造成的自動(dòng)化作業(yè)難題。

構(gòu)件的種類、加工誤差、打磨位置對(duì)打磨設(shè)備的柔性程度和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力提出了極高的要求。因此，設(shè)備創(chuàng)新性的采用一種混合感知與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，將大場(chǎng)景3D傳感技術(shù)、自主激光掃描技術(shù)、力/位混合控制、PLM圖紙解析技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)相統(tǒng)一，打通數(shù)據(jù)傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)從構(gòu)件來(lái)料自主識(shí)別拾取、構(gòu)件打磨工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)用、自由邊掃描軌跡自動(dòng)生成、打磨路徑自主引導(dǎo)、刀刃缺陷自動(dòng)檢測(cè)、刀具自動(dòng)更換等全流程自主作業(yè)模式，真正意義上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、智能化、柔性打磨作業(yè)。

圖2 打磨效果

應(yīng)用案例

船體構(gòu)件自由邊圓角打磨機(jī)器人系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的改進(jìn)和調(diào)試，系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)件倒角打磨效果良好，打磨質(zhì)量遠(yuǎn)高于人工，性能穩(wěn)定。2022年8月在大連船舶重工集團(tuán)公司分段車間正式投入生產(chǎn)使用，實(shí)踐證明相較于人工打磨和數(shù)控機(jī)床式打磨作業(yè)方式，機(jī)器人打磨系統(tǒng)的性能和價(jià)格具有突出優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

通過(guò)建設(shè)船體構(gòu)件自由邊圓角打磨機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件自由邊人工打磨向智能化無(wú)人打磨作業(yè)模式的轉(zhuǎn)變，徹底解決了以往人工作業(yè)帶來(lái)的問(wèn)題，整體作業(yè)效率明顯提升；在相同生產(chǎn)要求下，工作站整體成本較數(shù)控機(jī)床式裝備下降約50%，解決了人工翻板面臨的安全與效率難題，具備很高的性價(jià)比；設(shè)備能夠適應(yīng)構(gòu)件多品種、小批量的特點(diǎn)，不同類型的構(gòu)件圓角打磨可實(shí)現(xiàn)自主切換;設(shè)備特有的柔性打磨工藝使打磨速率最高可達(dá)50毫米/秒，與數(shù)控機(jī)床式相當(dāng)，較人工作業(yè)效率提高近30%，同時(shí)，打磨質(zhì)量嚴(yán)格滿足國(guó)際PSPC要求;方便添加新品種構(gòu)件，配置簡(jiǎn)單，無(wú)須示教和軟件開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)柔性度高;支持國(guó)內(nèi)主流的MES、DTMS信息化系統(tǒng)的深度定制，方便接入信息化車間網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與優(yōu)化。