機(jī)器人焊接技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

黃寧，張亞霄，章朋田，姜坤

1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100094

2. 北京市航天器焊接技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100094

3.北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101

4.北京聯(lián)合大學(xué) 北京 100101

隨著國(guó)家科技重點(diǎn)專項(xiàng)的提出和推進(jìn)，未來(lái)將在載人航天與探月工程、深空探測(cè)及空間飛行器在軌服務(wù)與維護(hù)等國(guó)家重大專項(xiàng)規(guī)劃的框架下，開(kāi)展大型航天飛行器的研制。大型航空航天飛行器一般具有尺寸大、剛性弱、結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜等特點(diǎn)。在大型鋁合金航天器結(jié)構(gòu)中，存在大量復(fù)雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺(tái)殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。航天器制造具有高質(zhì)量、高可靠、高柔性、高效率及低成本等要求，因此制造模式升級(jí)迫在眉睫。

人口紅利時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，以機(jī)械化、自動(dòng)化為主流的機(jī)械加工制造過(guò)程成為提高社會(huì)生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。焊接技術(shù)作為機(jī)械制造的重要的加工過(guò)程之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通及石油化工等工業(yè)領(lǐng)域。機(jī)器人自動(dòng)化焊接技術(shù)能夠顯著提高大批量產(chǎn)品加工的生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及一致性大大增強(qiáng)。本文針對(duì)大型航天器結(jié)構(gòu)中的幾種典型產(chǎn)品的焊接需求，開(kāi)展了機(jī)器人自動(dòng)化焊接的探索與實(shí)踐。

1 多軸聯(lián)動(dòng)變極性等離子弧焊接機(jī)器人裝備及工藝

1.1 復(fù)雜空間曲線焊縫需求及方案設(shè)計(jì)

在大型鋁合金航天器結(jié)構(gòu)中，存在大量復(fù)雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺(tái)殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。目前大多靠手工鎢極氬弧焊來(lái)完成這類曲線焊縫的焊接。手工鎢極氬弧焊生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題主要有：①反復(fù)補(bǔ)焊影響產(chǎn)品研制進(jìn)度。②熱輸入量大，焊接殘余應(yīng)力水平高，容易導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差。針對(duì)此需求，提出了基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的11軸聯(lián)動(dòng)空間曲線焊縫VPPA 穿孔立焊機(jī)器人焊接系統(tǒng)方案，如圖1所示。

1.2 專用焊接機(jī)頭研制

目前通用等離子焊槍焊接鋁合金空間曲線焊縫時(shí)仍然存在著鎢極燒損、實(shí)時(shí)調(diào)整動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足等問(wèn)題。為進(jìn)一步保證和提高VPPA空間曲線焊縫的焊接質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種體積、質(zhì)量（＜15kg）合適，精度高，自動(dòng)化程度高的等離子焊接專用機(jī)頭[1-2]。等離子焊接機(jī)頭能在視頻監(jiān)控下完成焊槍的姿態(tài)調(diào)節(jié)

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng) “航天器復(fù)雜空間曲線焊縫變極性等離子弧自動(dòng)化焊接裝備”2012ZX04008-021以及送絲角度和速度的調(diào)節(jié)。焊槍姿態(tài)調(diào)節(jié)包括焊槍伸縮機(jī)構(gòu)，焊槍軸向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，焊槍平移機(jī)構(gòu)。

圖1 多軸聯(lián)動(dòng)焊接機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

通過(guò)專用焊接機(jī)頭（見(jiàn)圖2）的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中的熔池狀態(tài)、電弧形態(tài)進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，機(jī)頭的機(jī)械定位精度可以達(dá)到±0.1mm的水平。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)焊接參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析、焊接過(guò)程圖像處理及人工智能技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。由于焊接過(guò)程的精細(xì)調(diào)整對(duì)控制速度的要求并不高，也可以通過(guò)操作者對(duì)視頻監(jiān)控和焊接參數(shù)監(jiān)控的觀察，人工調(diào)整焊接機(jī)頭的操作。

圖2 專用焊接機(jī)頭

1.3 多軸聯(lián)動(dòng)VPPA焊接裝備系統(tǒng)集成與應(yīng)用

采用站立式機(jī)器人焊接工作站系統(tǒng)。6軸機(jī)器人安裝于三維移動(dòng)裝置上，工件安裝于2軸變位機(jī)上。三維移動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)高向（z軸）、橫向（x軸）、縱向（y軸）的獨(dú)立調(diào)節(jié)，增加機(jī)器人移動(dòng)范圍，使其有效焊接范圍能夠滿足產(chǎn)品焊接的要求。通過(guò)對(duì)6軸機(jī)器人+三維移動(dòng)裝置＋雙軸變位機(jī)系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍與焊縫相對(duì)位置的實(shí)時(shí)控制，使VPPA焊槍與焊縫的相對(duì)位置在復(fù)雜曲線焊縫焊接過(guò)程中，始終處于垂直立向上的關(guān)系[3]。研制完成的多軸聯(lián)動(dòng)變極性等離子弧大型自動(dòng)化焊接裝備如圖3所示。

圖3 多軸聯(lián)動(dòng)變極性等離子弧大型自動(dòng)化焊接裝備

2 全向智能移動(dòng)焊接機(jī)器人開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

2.1 大型薄壁弱剛性產(chǎn)品焊接需求

飛船、空間站等大型航天器的輻射器作為空間飛行器的主動(dòng)散熱設(shè)備，其加工質(zhì)量和壽命將直接決定航天任務(wù)的成敗。輻射器是由液管回路、熱管回路及金屬蒙皮通過(guò)焊接裝配而成，是一種大尺寸、弱剛度、強(qiáng)約束的復(fù)雜蒙皮結(jié)構(gòu)。典型航天器輻射器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于大量液/熱管路的空間走向十分復(fù)雜，預(yù)先定位在工裝上的管路翼形焊接邊緣的實(shí)際位置難以精確保證，且大量焊縫依次焊接產(chǎn)生的焊接變形會(huì)進(jìn)一步降低管路翼形焊接邊緣的位置精度。針對(duì)此需求，提出了由全向智能移動(dòng)平臺(tái)、安裝在平臺(tái)上的機(jī)器人焊接系統(tǒng)組成的全向智能移動(dòng)焊接機(jī)器人，相對(duì)于傳統(tǒng)的坐標(biāo)機(jī)器人專機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的操作靈活性與工作空間適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊[4]。

圖4 典型航天器輻射器產(chǎn)品

2.2 全向移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成

全向移動(dòng)自動(dòng)焊接機(jī)器人是以一套“智能移動(dòng)平臺(tái)+柔性焊接機(jī)器人+激光跟蹤與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”為核心的智能化柔性制造裝備。該裝備基于德國(guó)KUKA公司的KR-30機(jī)器人與福尼斯的CMT焊機(jī)，搭載全向智能移動(dòng)平臺(tái)車，研制了可移動(dòng)自動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)，并配置激光跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)激光照射焊縫，根據(jù)反射回來(lái)的激光信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)光軸的偏離角，實(shí)時(shí)糾正由于焊接變形等造成的焊槍軌跡偏差，操作者可通過(guò)焊接視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)焊縫熔池信息，實(shí)現(xiàn)人在回路的自動(dòng)化焊接。

（1）智能移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng) 智能移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)是一種基于智能控制的高端全向移動(dòng)裝備產(chǎn)品，為大型重載產(chǎn)品靈活轉(zhuǎn)運(yùn)和精確定位，提供了高效解決方案。產(chǎn)品特點(diǎn)：全方位靈活移動(dòng)、精準(zhǔn)控制、安全大承載、智能化。全向智能移動(dòng)平臺(tái)車選用2t承載平臺(tái)車，通過(guò)對(duì)四套輪系的獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)平臺(tái)車的全方位移動(dòng)；同時(shí)設(shè)有真空吸盤(pán)地腳支撐，可用于工作過(guò)程中的穩(wěn)定支撐；車上設(shè)有避障裝置和急停裝置，用于緊急制動(dòng)。全向智能移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)如圖5所示。

（2）激光跟蹤與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 平臺(tái)車系統(tǒng)軌跡誤差，工件加工誤差、焊接過(guò)程中的熱變形、夾具的不精確等因素均會(huì)造成電弧與焊縫對(duì)中的誤差，必須采用焊縫跟蹤裝置用于檢測(cè)構(gòu)件位置、坡口位置或焊縫中心線位置已達(dá)到焊縫位置自動(dòng)跟蹤的目的，以便能得到均勻的焊縫。焊接過(guò)程采用視頻監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一款用于自動(dòng)或半自動(dòng)焊接過(guò)程的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用外部脈沖觸發(fā)控制，有效抑制脈沖焊接過(guò)程的圖像閃爍，方便焊接過(guò)程參數(shù)微調(diào)控制。激光跟蹤與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 全向智能移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)

圖6 激光跟蹤與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.3 全向移動(dòng)焊接機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)用

首次將智能移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于大型薄壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜空間曲線焊縫的焊接，解決了大尺寸輻射器管板復(fù)雜空間曲線焊縫裝配精度低，無(wú)法實(shí)施自動(dòng)焊接的難題。焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)焊縫形式主要分為兩種形式：一種為管-管焊接，單邊為6mm的雙V形焊縫結(jié)構(gòu)，一種為管-板焊接，0.8mm和1mm的異種鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。針對(duì)管-管的“深V形”焊縫，在普通CMT焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了高頻脈沖，增加了電弧的挺度，減小了焊縫的熱輸入，焊縫成形飽滿，并且有效抑制了焊漏缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和合格率大大增加。另外，優(yōu)化了全位置的不等厚鋁板空間曲線焊縫焊接參數(shù)；通過(guò)改變工裝壓板方式，解決了薄板對(duì)接焊縫中的板變形問(wèn)題；通過(guò)增加機(jī)器人末端焊槍自動(dòng)擺動(dòng)焊接功能，解決了焊縫間隙不均勻問(wèn)題。

圖7 智能移動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

3 結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)大型航天器復(fù)雜空間曲線焊縫焊接需求，開(kāi)發(fā)了11軸聯(lián)動(dòng)變極性等離子弧大型自動(dòng)化焊接裝備，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了變極性等離子弧專用焊接機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)了封閉曲線焊縫的全程VPPA穿孔焊接，能夠成功應(yīng)用于飛船金屬密封大底空間曲線焊縫的焊接。

2）通過(guò)硬件集成和軟件通信，研制了基于智能移動(dòng)平臺(tái)車、柔性焊接機(jī)器人和激光跟蹤與視頻監(jiān)控的智能移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，解決了不等厚薄板鋁合金和雙V形厚板高效率焊接難題，實(shí)現(xiàn)了航天器輻射器典型產(chǎn)品的焊接應(yīng)用。

3）基于全過(guò)程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化焊接為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能推理技術(shù)，利用數(shù)據(jù)挖掘建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，為焊前智能規(guī)劃和在線智能控制提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)制造模式升級(jí)。