船舶制造焊接機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

桂紀(jì)軍

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇 南通 226100）

0 引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)造船技術(shù)逐漸向著智能化、高效化方向發(fā)展，各項(xiàng)造船技術(shù)應(yīng)用也更具成熟度。焊接作業(yè)機(jī)器人智能化技術(shù)，屬于現(xiàn)階段最具智能化、高效化的一種造船技術(shù)，對于船舶制造專業(yè)化水準(zhǔn)可起到良好的提升作用。對此，深入研究船舶制造技術(shù)當(dāng)中焊接作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的具體應(yīng)用，有著一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1 簡述焊接作業(yè)機(jī)器人

焊接作業(yè)機(jī)器人，依據(jù)不同生產(chǎn)對象，可被劃分成型材和管材焊接作業(yè)機(jī)器人、便捷性焊接作業(yè)機(jī)器人、中組立形式焊接作業(yè)機(jī)器人、小組立形式焊接作業(yè)機(jī)器人[1]。小組立形式焊接作業(yè)機(jī)器人，其部件結(jié)構(gòu)重復(fù)、單一，比較適宜應(yīng)用在機(jī)器人流水線生產(chǎn)當(dāng)中，故被廣泛應(yīng)用在船舶制造中。

2 船舶智能制造及試點(diǎn)初步探究

船舶智能制造的載體和集中體現(xiàn)是智能船廠。目前，國外先進(jìn)船企正處于由“工業(yè)3.0”向“工業(yè)4.0”推進(jìn)階段，還沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能船廠。智能船廠暫時(shí)沒有一個(gè)清晰權(quán)威的定義，本文初步探討其內(nèi)涵。智能船廠是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與造船技術(shù)的交叉融合，是融合物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新興技術(shù)及先進(jìn)管理概念，是具有較高水平的現(xiàn)代造船模式，是以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)支撐的信息系統(tǒng)平臺、數(shù)字化智能化制造生產(chǎn)線及裝備、精益管理體系、生產(chǎn)流程管理與調(diào)度的智能化等重點(diǎn)的系統(tǒng)集成，以自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，以卓越運(yùn)營為目標(biāo)，將營銷、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、有機(jī)融合，并相互滲透的船舶制造業(yè)，具備高度自動(dòng)化、數(shù)字化、可視化、模型化以及集成化等特征。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采集模型信息

焊接作業(yè)機(jī)器人，依據(jù)其內(nèi)部的控制系統(tǒng)、模型數(shù)據(jù)，采集模型信息技術(shù)可劃分成3D 基礎(chǔ)模型導(dǎo)入與離線編程、現(xiàn)場采集與自動(dòng)識別2 種。3D 基礎(chǔ)模型導(dǎo)入與離線編程技術(shù)，需預(yù)先將小組立相應(yīng)部件3D 基礎(chǔ)模型制作好，并把焊接作業(yè)路徑離線規(guī)劃好；現(xiàn)場采集與自動(dòng)識別技術(shù)，智能化程度較高，技術(shù)員無需先將模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，借助被動(dòng)或者主動(dòng)視覺的形式，便可實(shí)現(xiàn)對于待焊接作業(yè)位置自動(dòng)識別，焊接作業(yè)具體路徑也能自動(dòng)生成?，F(xiàn)場采集與自動(dòng)識別技術(shù)之下，前期做準(zhǔn)備的時(shí)間可以省去，對技術(shù)員無特別高的要求。若不考慮到前期制作模型時(shí)間，3D 基礎(chǔ)模型導(dǎo)入與離線編程技術(shù)所需準(zhǔn)備時(shí)間相對較少一些，且有著較高的燃弧效率。如激光采集，現(xiàn)場所采集指導(dǎo)位置信息大致是±10 mm 偏差，如果筋板末端屬于斜切形式，偏差會(huì)相對較大。為保證起弧所在位置信息更具精準(zhǔn)度，需采用傳感手段，如觸碰尋位與激光尋位。在一定程度上，激光尋位在精度、速度方面優(yōu)勢突出，而觸碰尋位速度較慢一些。為保證焊絲實(shí)際伸出長度具有一致性，務(wù)必將自動(dòng)剪絲設(shè)備配備好。如果小組立相應(yīng)部件筋板的末端為R 孔形式，需借助點(diǎn)激光式傳感，將門架位置調(diào)整好，防止焊接作動(dòng)作逐漸超出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)極限情況的出現(xiàn)。

3.2 選定焊接路徑及焊槍位姿

先行小組立式結(jié)構(gòu)十分簡單，無立角焊，各個(gè)筋板相互間無位置限制，以至于機(jī)器人尋位、焊接作業(yè)及撤出空間較大。故焊接路徑選定期間，機(jī)器人更換焊接作業(yè)位置期間，僅需移動(dòng)距離。選定焊槍位姿方面，也只需要確保焊接成形，調(diào)試焊接作業(yè)工藝期間，需將最適宜位姿確定好便可。區(qū)別于先行小組立，小組立式部件結(jié)構(gòu)極具復(fù)雜性，臨近筋板多，焊槍備受限制。如雙層式底肋板的焊接作業(yè)順序，機(jī)器人首選焊接作業(yè)y 方向筋板，而后是x 方向筋板。x 方向筋板焊接作業(yè)期間，為防止焊槍與y 方向筋板發(fā)生碰撞，需對焊槍姿態(tài)加以調(diào)整，焊槍和底板角度應(yīng)在45°以上[2]。

3.3 焊接作業(yè)流程

1）選定焊材。在尋位和焊接作業(yè)期間，小組立的焊接作業(yè)機(jī)器人于4、5、6 軸處頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)，角度大，且送絲軟管彎曲頻繁，有縫普通藥芯焊絲因藥粉泄露而產(chǎn)生送絲軟管堵塞情況，故需選定無縫形式藥芯焊絲；在尋位和焊接作業(yè)期間，因部件焊接作業(yè)機(jī)器人動(dòng)作幅度相對較小，故可選用有縫普通藥芯焊絲。同時(shí)，需妥善配備好矯直裝置，以確保出絲能夠挺直。

2）選定焊接參數(shù)。通用部件的機(jī)器人為不擺動(dòng)焊接作業(yè)方式，類似于船廠所用角焊機(jī)，故調(diào)試工藝應(yīng)當(dāng)依據(jù)角焊機(jī)各項(xiàng)參數(shù)；小組立的機(jī)器人焊接方式為正弦擺動(dòng)形式，需設(shè)定好焊接作業(yè)速度、電壓及電流，并將極限位置的停留時(shí)間、頻率及擺度幅度等設(shè)定好。

3.4 集成化流水線

小組立集成化流水線內(nèi)部組成部分包含著上料、焊接、修補(bǔ)、背燒及卸料等工位。

1）在上料工位方面。裝配的小組立處部件應(yīng)用上料工位，區(qū)別于人工焊接作業(yè)，裝配電焊需和筋板末端、短并等距離應(yīng)超過50 mm，盡量讓點(diǎn)焊短，為防止機(jī)器人結(jié)合電焊大小與位置變化，導(dǎo)致焊接作業(yè)參數(shù)發(fā)生改變，防止電焊處焊縫有凸及偏大成型情況出現(xiàn)[3]。上料工位，應(yīng)選用可升降輥輪，把已裝配完成部件有效頂起并運(yùn)送至焊接作業(yè)工位上面，無需裝配筋板，牢固可靠；機(jī)器人并不會(huì)對筋板裝配間隙進(jìn)行采集，對焊接作業(yè)參數(shù)加以調(diào)整，可防止因較大裝配間隙所致焊接作業(yè)偏小尺寸這一情況出現(xiàn)。上料工位處標(biāo)注筋板與底板的放置極限，若底板放置已超出極限，則流轉(zhuǎn)期間會(huì)和機(jī)器人發(fā)生碰撞，引發(fā)導(dǎo)軌現(xiàn)象；而若筋板放置已超出極限，則將無法實(shí)施焊接作業(yè)。

2）在焊接工位方面。焊接工位，屬于焊接作業(yè)機(jī)器人具體操作位置，其中配置輥道，方便小組立各個(gè)部件流轉(zhuǎn)。而為能夠保證焊接作業(yè)的質(zhì)量，各輥道均接地。因受機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)布局所影響，焊接工位的兩側(cè)均有盲區(qū)存在，機(jī)器人會(huì)因掃描的不夠到位，盲區(qū)工件無法得到有效的焊接處理。

3）在修補(bǔ)工位方面。焊接完成的各個(gè)部件會(huì)流轉(zhuǎn)至修補(bǔ)工位上面，此流程需由人工完成，可修補(bǔ)缺陷以焊腳偏小、咬邊、偏焊、機(jī)器人的漏焊等為主。

4）在背燒工位方面。背燒工位所用輥道等同于焊接作業(yè)工位，在它的下方設(shè)可橫向式移動(dòng)背燒槍，能夠同時(shí)背燒5筋板5 條。背燒能夠借助可燃燒性氣體經(jīng)燃燒后所產(chǎn)生熱量，對工件表面實(shí)施加熱處理，對變形工件可起到矯平作用。流水線的工控機(jī)可借助焊接作業(yè)機(jī)器人所給定x 方向處筋板具體位置信息、流水線的編碼裝置所記錄傳輸距離等，將背燒槍具體位置、移動(dòng)點(diǎn)火及熄火等各個(gè)動(dòng)作時(shí)機(jī)精準(zhǔn)計(jì)算出來。因未配置位置傳感裝置，故背燒操作針對修補(bǔ)工位有著極高的傳輸精度要求，在背燒期間相鄰幾個(gè)工位需移動(dòng)，期間應(yīng)確保臨近工位的傳輸速度具有一致性，防止因卡頓或者打滑等所致傳輸偏差情況出現(xiàn)。

5）在卸料工位方面。小組立的部件流轉(zhuǎn)當(dāng)中最后工位即為卸料工位，實(shí)施行車卸料，此工位所用升降輥輪的傳感裝置等同于上料及修補(bǔ)工位，3 個(gè)工位實(shí)際長度相同，維持流動(dòng)節(jié)拍的穩(wěn)定性。為避免工件傳輸已超出了卸料工位，需在末端位置設(shè)激光限位的傳感裝置，經(jīng)觸發(fā)后，停止輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這5 個(gè)工位均屬于平行工位，焊接工位上面工件有著較長停留時(shí)間，因整個(gè)生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能均有焊接作業(yè)機(jī)器人實(shí)際工作效率來決定，故需進(jìn)一步將機(jī)器人識別尋位及焊接作業(yè)效率提升，確保能夠有效提高總產(chǎn)能。

4 船廠規(guī)劃建設(shè)重要意義

發(fā)展建設(shè)智能船廠的船舶工業(yè)實(shí)施智能制造的宏大目標(biāo)。規(guī)劃設(shè)計(jì)智能船廠是發(fā)展理念和發(fā)展模式的創(chuàng)新，也是新形勢對規(guī)劃設(shè)計(jì)提出的更高要求。規(guī)劃設(shè)計(jì)智能船廠為船廠提供平臺和基礎(chǔ)，對提升投資和生產(chǎn)效益、船廠建設(shè)和運(yùn)行以及促進(jìn)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級都具有重要作用，規(guī)劃設(shè)計(jì)的水平是船廠技術(shù)水平的重要先決保證。

5 結(jié)語

通過以上分析論述之后，對于焊接作業(yè)機(jī)器人及船舶制造當(dāng)中焊接作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的具體應(yīng)用情況有了更加深入的認(rèn)識。從總體上來說，焊接作業(yè)機(jī)器人實(shí)操流程極具復(fù)雜性，對各項(xiàng)技術(shù)要求相對較高，那么，為了能夠在今后更好地發(fā)揮焊接作業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢，高效化開展船舶制造實(shí)踐活動(dòng)，便還需更多技術(shù)專家及研究者們能夠積極投身于實(shí)踐探索當(dāng)中，多積累相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷提升自身專業(yè)化的技術(shù)水準(zhǔn)，有效把握及完善焊接作業(yè)機(jī)器人各項(xiàng)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，為現(xiàn)代船舶制造行業(yè)的進(jìn)步發(fā)展提供技術(shù)支持。