船舶制造焊接機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

張兆光

摘要：近年來(lái)全球造船市場(chǎng)持續(xù)低迷，接單難、交船難和產(chǎn)能過(guò)剩是各國(guó)船廠都需應(yīng)對(duì)的難題，市場(chǎng)需求的變化引發(fā)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的布局重新調(diào)整，迫使船廠采用智能制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式。智能焊接是智能制造的代表，在船舶建造過(guò)程中，焊接工作量占到40%以上，焊接設(shè)備的智能化升級(jí)對(duì)于船舶建造的質(zhì)量控制、效率提升和工作危險(xiǎn)度降低而言具有重大意義。近年來(lái)，我國(guó)已有大型船企開(kāi)始嘗試采用機(jī)器人焊接技術(shù)進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)焊接，不僅得到了國(guó)家有關(guān)政策的支持，而且受到了企業(yè)的歡迎。

關(guān)鍵詞：焊接;機(jī)器人;關(guān)鍵技術(shù);船舶制造

一、簡(jiǎn)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(duì)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。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。

二、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(guó)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(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能船廠。智能船廠暫時(shí)沒(méi)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(tái)、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(yíng)為目標(biāo)，將營(yíng)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。

三、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(chǎng)采集與自動(dòng)識(shí)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(chǎng)采集與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，智能化程度較高，技術(shù)員無(wú)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(jué)的形式，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)于待焊接作業(yè)位置自動(dòng)識(shí)別，焊接作業(yè)具體路徑也能自動(dòng)生成?，F(xiàn)場(chǎng)采集與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)之下，前期做準(zhǔn)備的時(shí)間可以省去，對(duì)技術(shù)員無(wú)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(duì)較少一些，且有著較高的燃弧效率。如激光采集，現(xiàn)場(chǎng)所采集指導(dǎo)位置信息大致是±10mm偏差，如果筋板末端屬于斜切形式，偏差會(huì)相對(duì)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(shì)突出，而觸碰尋位速度較慢一些。為保證焊絲實(shí)際伸出長(zhǎng)度具有一致性，務(wù)必將自動(dòng)剪絲設(shè)備配備好。

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(jiǎn)單，無(wú)立角焊，各個(gè)筋板相互間無(wú)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(duì)焊槍姿態(tài)加以調(diào)整，焊槍和底板角度應(yīng)在45°以上。

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(wú)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(duì)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

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(guò)50mm，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)。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(wú)需裝配筋板，牢固可靠;機(jī)器人并不會(huì)對(duì)筋板裝配間隙進(jìn)行采集，對(duì)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(wú)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(wú)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(duì)工件表面實(shí)施加熱處理，對(duì)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(lái)。因未配置位置傳感裝置，故背燒操作針對(duì)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)。

四、結(jié)語(yǔ)

從總體上來(lái)說(shuō)，焊接作業(yè)機(jī)器人實(shí)操流程極具復(fù)雜性，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)要求相對(duì)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(shì)，高效化開(kāi)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。

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